Kovy a jejich vlastnosti. Kovy dělíme na: a) nepřechodné (s- a p-prvky) b) přechodné (d- a f- prvky)

Transkript

1 Kovy a jejich vlastnosti Kovy dělíme na: a) nepřechodné (s- a p-prvky) b) přechodné (d- a f- prvky)

2 Nepřechodné kovy mají konfiguraci valenční slupky: ns 1 ns 2 ns 2 p 1 ns 2 p 2 ns 2 p 3 ns 2 p 4 ns 2 p 5 alkalické kovy Be, Mg, kovy alkalických zemin B, Al, Ga, In, Tl Ge, Sn, Pb As, Sb, Bi Te, Po At

3 Atomy přechodných kovů mají ve volném nebo sloučeném stavu jen částečně zaplněné d-orbitaly

4 Kovy v periodickém systému H 1,01 Li 6,94 11 Na 22,99 19 K Rb Cs 4 Be 9,01 12 Mg 24,31 20 Ca Sr Ba 21 Sc Y La atomové číslo Ti Zr Hf 23 V 39,10 40,08 44,96 47,90 50, Nb 85,47 87,62 88,91 91,22 92, Ta 132,91 137,33 138,91 178,49 180, Fr Ra Ac ,03 227,03 (251) (252) 9 22 F 18,998 relativní atomová hmotnost symbol prvku černý: pevná látka modrý: kapalina červený: plyn 24 Cr 51, Mo 95,94 74 W 183, Mn 54,94 43 (98) 75 Re 26 Fe 44 55,85 Ru 101,07 76 Os 27 Co Rh Ir 28 Ni 58,93 58, , ,21 190,20 192, (255) (262) (265) (266) alkalické kovy kovy alkalických zemin ostatní kovy nekovy Pd 106,40 78 Pt 195,09 (110) 29 Cu 63,55 47 Ag 107,87 79 Au 195,97 (111) 30 Zn 65,37 48 Cd 112, ,59 (112) B 10,81 Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl I At He Ne Ar 26,98 28,09 30,97 32,06 35,45 39, Kr 69,72 72,59 74,92 78,96 79,90 83, Xe 114,82 118,69 121,75 127,60 126,90 131, ,37 207,19 (113) 12,01 14,01 208,98 15,999 18,998 (209) (210) 4,003 20,18 Rn (222) (114) (115) (116) (117) (118) s-blok d-blok p-blok Lanthanoidy (4f) Aktinoidy (5f) Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 140,12 140,91 144,24 (145) 150,35 151,96 157,25 158,92 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174, Th Pa U 232,04 (231) 238,03 (237) (242) (243) (247) (247) (251) (254) (253) (256) (254) (257) f-blok 104 rutherfordium 106 seaborgium 108 hassium

5 Nejtěsnější uspořádání koulí T d O h 74 %, k.č. 12

6 Body tání kovů v závislosti na protonovém čísle C W

7 Oxidační stupně a typické vlastnosti přechodných kovů - výstavba elektronového obalu - stabilita oxidačních stavů - ušlechtilé kovy Ni 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 Cu 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 změna o 1 +VIII Ru Os /O,F Pt-kovy, Ag, Au - reaktivita - intersticiální sloučeniny Fe 3 C - komplexy

8 Lanthanoidy a aktinoidy (vnitřně přechodné prvky) Velikosti atomů lanthanoidů a typické oxidační stavy

9 K lanthanoidové (aktinoidové) kontrakci: 4f

10 Oxidační stavy aktinoidů: II III IV V VI VII Th N N M Pa N N M U N M F M Np F M M M N N Pu N F M F M N Am N M N F N Cm M N Bk M N Cf N M Es N M Fm N M Md M M No M F Lr M

11 Struktura a vlastnosti kovů I. Vlastnosti fyzikální (teplota tání, měrný objem, moduly pružnosti) Vlastnosti elektrické (vodivost, polovodivost, supravodivost) Vlastnosti magnetické (feromagnetika, antiferomagnetika) Vlastnosti mechanické (pružnost, pevnost)

12 Vlastnosti fyzikální Teplota tání Měrný objem Modul pružnosti v tahu Modul pružnosti ve smyku Délková roztažnost a objemová stlačitelnost

13

14 Vlastnosti elektrické Vodivost kovů = vlastnost kovů související s pohybem relativně volných elektronů G = 1 R U kovů (vodiče 1. druhu) se odpor s rostoucí teplotou zvětšuje (tj. vodivost klesá) Za nízkých teplot, ale T >20 K, je odpor mnoha kovů úměrný T 5 U většiny kovů odpor klesá, zvyšuje-li se tlak Odpor slitin vykazuje výrazná minima odpovídající uspořádaným fázím U některých kovů se objevuje supravodivost při teplotách blízko absolutní nuly

15 Vznik slitin a deformace mřížky

16 Vlastnosti magnetické Dia- a paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus Všechny prvky jsou diamagnetické, některé jsou navíc paramagnetické (mají nepárový elektron)

17 Feromagnetické jsou čisté prvky: Fe, Co, Ni, Gd, Dy, slitiny, oxidy Makroskopický vzorek obsahuje určitý počet domén, spontánně zmagnetovaných, jejichž magnetické momenty se vektorově sčítají a výsledek je spontánní magnetizace vzork) Spontánní magnetizace v doméně je způsobena molekulárním polem, které orientuje atomové dipóly souhlasně zesilování magnetického účinku

18 Antiferomagnetismus (Cr, MnO, MnF 2 ) antiparalelní orientace sousedních spinů magnetická susceptibilita polykrystalického antiferomagnetika v závislosti na teplotě vykazuje maximum (Neélova teplota)

19 Vlastnosti mechanické Pružná deformace Napětí, prodloužení Vnější síly vychylují atomy z rovnovážných poloh porušení rovnováhy reakce: návrat do původních poloh po odlehčení Modul pružnosti v tahu (tlaku) E, ve smyku G: Pro většinu kovů G = 0,373 E (µ=0,33 Poissonovo číslo)

20 Trvalá deformace Trvalézměny tvaru těles posunutí atomů o vzdálenost větší než mřížková konstanta skluz, skluzové roviny Deformace účinkem napětí za vysokých teplot creep Opakovaná deformace účinkem napětí cyklická únava Ohřev polykrystalů po deformaci: zotavení, rekrystalizace Tvrdost, křehkost, tvárnost (kujnost)

21 Struktura a vlastnosti kovů II Vlastnosti optické (odrazivost, barva ) Vlastnosti tepelné (tepelná kapacita, tepelná vodivost) Vlastnosti korozní (korozní odolnost) Vlastnosti chemické (katalýza reakcí)

22 Vlastnosti optické Odrazivost vyleštěné povrchové vrstvy Al: 99,00 % odrazivost 72% 99,99 % 84% Barva mřížková konstanta, elektronová struktura

23 Vlastnosti tepelné Tepelná kapacita Tepelná vodivost

24 Vlastnosti korozní Příčiny koroze Termodynamické a kinetické podmínky koroze Druhy koroze Chemická koroze (v plynech a neelektrolytech) Elektrochemická koroze (v elektrolytech), pasivita Celková koroze a nerovnoměrné druhy napadení korozí

25 Korozní odolnost a druhy korozního napadení Bodová koroze Štěrbinová koroze Mezikrystalová a transkrystalová koroze Koroze za napětí Vibrační koroze Kavitace Extrakční koroze Biologická koroze

26 Korozivzdorné materiály Oceli (austenitické chromové a chromniklové) Stabilizace ocelí (superaustenitické oceli) Korozivzdorné povlaky Chemicko-tepelné zpracování: cementace, nitridace

27 Vlastnosti chemické Katalýza reakcí selektivní katalýza Katalyzátor Účinek Příklady Kovy Hydrogenace,Dehydrogenace Fe, Ni, Pt, Ag Polovodiče Oxidace, Desulfurizace NiO, ZnO, MgO (oxidy, sulfidy) Bi 2 O 3 / MoO 3 Oxidy izolátory Dehydratace Al 2 O 3, SiO 2, MgO, Anorg.kyseliny Izomerizace, Alkylace, H 3 PO 4, H 2 SO 4 Polymerizace, Krakování

28 Metody zkoušení kovů Zkoušky fyzikálně-chemické, strukturní, korozní, mechanické (statické a dynamické), technologické

29 Zkoušky fyzikálně-chemické Fázová analýza Dilatometrie a termická analýza

30 Zkoušky strukturní Strukturní analýza Metalografie leštění, leptání Elektronová mikroskopie přímé pozorování, repliky, folie Elektronová a rentgenová difrakce

31 Zkoušky korozní Dlouhodobé zkoušky v provozních podmínkách Laboratorní zkoušky kratší (dny až měsíce) Nepřímé korozní zkoušky

32 Mechanické zkoušky - statické (Odběr vzorku zkušební tělesa) Zkoušky statické tahem - tlakem - ohybem - kroucením - střihem Statická zkouška tahem: mez úměrnosti, mez pružnosti (fyzikální, smluvní), mez kluzu (průtažnosti), mez pevnosti, poměrné zúžení při přetržení