Kov

Rozbalit box

Obsah boxu

Kovy (latinsky metalla) jsou skupinou chemických prvků, které tvoří přibližně 80 % všech známých prvků a sdílejí sadu charakteristických fyzikálních a chemických vlastností. Vyznačují se především dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí, kujností, tažností a charakteristickým leskem. Tyto vlastnosti vyplývají z jejich unikátní vnitřní struktury, konkrétně z přítomnosti tzv. kovové vazby.

Kovy hrají naprosto zásadní roli v lidské civilizaci od pravěku (doba bronzová, doba železná) až po současnost, kde tvoří páteř moderního průmyslu, stavebnictví, dopravy a technologií. Nejběžněji používaným kovem je železo (ve formě oceli), následované hliníkem.

Kov
Soubor:Bimetal-strip.png
Různé kovy jako hliník, měď, mosaz a ocel
Oblast	Chemie, Fyzika, Materiálové vědy
Opak	Nekov

🧪 Chemická podstata a definice

Z chemického hlediska jsou kovy prvky, které mají tendenci ztrácet své vnější (valenční) elektrony a tvořit tak kladně nabité ionty, tzv. kationty. Tato vlastnost je dána jejich relativně nízkou elektronegativitou a ionizační energií. V periodické tabulce se kovy nacházejí vlevo a uprostřed.

Kovová vazba

Charakteristické vlastnosti kovů jsou přímým důsledkem kovové vazby, která drží jejich atomy pohromadě v pevném skupenství. Tuto vazbu si lze zjednodušeně představit takto: 1. Atomy kovu odevzdají své valenční elektrony. 2. Z atomů se tak stanou kladně nabité kationty, které se uspořádají do pravidelné prostorové mřížky (viz krystalová struktura). 3. Odevzdané valenční elektrony již nepatří žádnému konkrétnímu atomu, ale volně se pohybují v prostoru mezi kationty. Vytvářejí jakýsi "elektronový plyn" nebo "elektronové moře", které prostupuje celou strukturou kovu. 4. Kladně nabité kationty jsou k sobě pevně vázány přitažlivými silami tohoto záporně nabitého elektronového plynu.

Tento model vysvětluje všechny typické vlastnosti kovů.

الفيزيائية Fyzikální vlastnosti

• Dobrá elektrická vodivost: Volně pohyblivé elektrony v elektronovém plynu se mohou snadno usměrnit přiloženým elektrickým napětím a vytvořit tak elektrický proud. Kovy jsou nejlepšími elektrickými vodiči. S rostoucí teplotou jejich vodivost klesá, protože tepelné kmity mřížky brání volnému pohybu elektronů.
• Dobrá tepelná vodivost: Stejné volné elektrony mohou velmi efektivně přenášet i kinetickou energii (teplo). Proto se kovy na dotek zdají studené – rychle odvádějí teplo z ruky.
• Kujnost a tažnost: Díky nedesměrovanému charakteru kovové vazby se mohou vrstvy kationtů po sobě posouvat, aniž by se vazba přerušila. Elektronový plyn působí jako "polštář", který drží strukturu pohromadě. To umožňuje kovy deformovat – kovat, válcovat na plechy (kujnost) nebo vytahovat na dráty (tažnost) – bez toho, aby praskly, na rozdíl od křehkých iontových krystalů (např. sůl).
• Kovový lesk: Hladký povrch kovů intenzivně odráží světlo. Je to způsobeno tím, že volné elektrony na povrchu mohou absorbovat a ihned zase vyzářit fotony světla téměř všech vlnových délek.
• Vysoká hustota: Atomy v kovové mřížce jsou obvykle velmi těsně uspořádány, což vede k vysoké hustotě většiny kovů (s výjimkou alkalických kovů).
• Skupenství: Všechny kovy jsou za standardních podmínek (pokojová teplota, normální tlak) v pevném skupenství, s jedinou výjimkou – rtuť (Hg), která je kapalná.
• Barva: Většina kovů je stříbřitě bílá nebo šedá. Výjimkou je nažloutlé zlato (Au) a načervenalá měď (Cu).

⚛️ Krystalová struktura

Atomy ve většině kovů v pevném skupenství nejsou uspořádány náhodně, ale tvoří vysoce pravidelnou, trojrozměrnou strukturu, která se nazývá krystalová mřížka nebo krystalová struktura. Toto uspořádání je důvodem, proč jsou kovy krystalickými látkami. Základní opakující se jednotka této mřížky se nazývá základní buňka.

Existuje několik typů krystalových mřížek, ale většina kovů krystalizuje v jedné ze tří následujících, velmi těsně uspořádaných struktur:

1. Krychlová plošně centrovaná (fcc - face-centered cubic): Atomy jsou umístěny ve vrcholech krychle a uprostřed každé její stěny. Toto uspořádání je velmi husté a umožňuje vynikající tvárnost. Typickými fcc kovy jsou hliník (Al), měď (Cu), stříbro (Ag) a zlato (Au). 2. Krychlová prostorově centrovaná (bcc - body-centered cubic): Atomy jsou umístěny ve vrcholech krychle a jeden atom je přímo uprostřed jejího objemu. Toto uspořádání je o něco méně husté než fcc. Kovy s bcc strukturou jsou obvykle pevnější, ale méně tvárné. Patří sem železo (α-Fe, za pokojové teploty), chrom (Cr) nebo wolfram (W). 3. Šesterečná s nejtěsnějším uspořádáním (hcp - hexagonal close-packed): Atomy tvoří šestiboké vrstvy. Toto uspořádání je stejně husté jako fcc, ale má menší počet skluzových rovin, což často vede k nižší tvárnosti a vyšší křehkosti. Typickými hcp kovy jsou zinek (Zn), hořčík (Mg) a titan (Ti).

Soubor:Cubic body-centered.svg

Krychlová prostorově centrovaná mřížka (bcc)

Soubor:Cubic face-centered.svg

Krychlová plošně centrovaná mřížka (fcc)

Soubor:Hexagonal close-packed.svg

Šesterečná mřížka s nejtěsnějším uspořádáním (hcp)

🔩 Slitiny

V praxi se jen zřídka používají chemicky čisté kovy. Jejich vlastnosti se totiž dají výrazně vylepšit smícháním s jinými prvky (kovy i nekovy). Takový materiál se nazývá slitina.

Slitina je pevný roztok nebo směs dvou či více prvků, z nichž alespoň jeden je kov a výsledný materiál si zachovává kovové vlastnosti. Cílem výroby slitin (tzv. legování) je zlepšit:

• Mechanické vlastnosti: Zvýšit pevnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení.
• Chemickou odolnost: Zvýšit odolnost proti korozi.
• Fyzikální vlastnosti: Změnit teplotu tání, elektrický odpor nebo magnetické vlastnosti.

Některé z nejvýznamnějších slitin jsou:

• Ocel: Nejdůležitější slitina na světě. Je to slitina železa (Fe) s uhlíkem (C, do 2,14 %) a dalšími prvky. Uhlík výrazně zvyšuje pevnost a tvrdost železa.
• Bronz: Tradiční slitina mědi (Cu) a cínu (Sn). Je známá od pravěku (doba bronzová) a vyznačuje se dobrou odolností proti korozi a dobrými kluznými vlastnostmi.
• Mosaz: Slitina mědi (Cu) a zinku (Zn). Má zlatavou barvu a je odolnější proti korozi než měď.
• Dural: Slitina hliníku (Al) s mědí (Cu) a hořčíkem (Mg). Je lehká a zároveň velmi pevná, proto je klíčová v leteckém průmyslu.
• Pájka: Nízkotavitelná slitina (např. cínu a olova nebo cínu a stříbra) používaná ke spojování jiných kovů.

🔠 Klasifikace kovů

Kovy lze dělit podle různých kritérií. V technické praxi je nejběžnější dělení na:

Železné a neželezné kovy

• Železné kovy (Ferrous Metals): Jsou to kovy a slitiny na bázi železa. Patří sem všechny druhy oceli a litiny. Jejich hlavní charakteristikou je, že jsou magnetické. Tvoří naprostou většinu celosvětové produkce kovů.
• Neželezné kovy (Non-ferrous Metals): Všechny ostatní kovy a jejich slitiny. Dělí se dále na:
  • Těžké neželezné kovy: např. měď, zinek, olovo, nikl.
  • Lehké neželezné kovy: např. hliník, hořčík, titan.

Tyto kovy nejsou magnetické.

Podle ušlechtilosti (reaktivity)

Toto dělení je založeno na chemické stálosti a odolnosti proti korozi. Pomyslnou hranici tvoří vodík v Beketovově řadě kovů.

• Ušlechtilé kovy: Jsou velmi odolné vůči korozi a nereagují s běžnými kyselinami za uvolnění vodíku. Patří sem zlato (Au), stříbro (Ag), platina (Pt) a další platinové kovy.
• Neušlechtilé kovy: Snadněji podléhají korozi a reagují s kyselinami. Patří sem většina běžných kovů jako železo, hliník, zinek nebo hořčík.

Podle hustoty

• Lehké kovy: Mají hustotu nižší než 5 g/cm³. Patří sem hliník, hořčík a titan.
• Těžké kovy: Mají hustotu vyšší než 5 g/cm³. Patří sem železo, měď, olovo, wolfram a další. Termín těžké kovy má také toxikologický význam, označující kovy, které jsou i v malém množství jedovaté (např. rtuť, kadmium, olovo).

⚒️ Metalurgie: Získávání kovů z rud

Většina kovů, s výjimkou některých ušlechtilých kovů jako je zlato nebo platina, se v přírodě nevyskytuje v ryzí (elementární) formě. Nacházejí se v horninách vázané v chemických sloučeninách, nejčastěji jako oxidy, sulfidy nebo uhličitany. Hornina, která obsahuje kov v takové koncentraci a formě, že se jeho získání ekonomicky vyplatí, se nazývá ruda.

Proces získávání kovů z rud se nazývá metalurgie. Je to komplexní obor, který zahrnuje řadu kroků.

1. Úprava rudy

Po vytěžení se ruda musí nejprve upravit, aby se zvýšila koncentrace žádané sloučeniny a odstranila se co největší část hlušiny (nežádoucí horniny). K tomu se používají různé metody:

• Drcení a mletí: Ruda se mechanicky rozdrtí na malé částice.
• Flotace: Metoda používaná zejména pro sulfidické rudy. Rozemletá ruda se smíchá s vodou a speciálními chemikáliemi, které způsobí, že se částečky rudy obalí vzduchovými bublinami a vyplavou na povrch, zatímco hlušina klesne ke dnu.
• Magnetická separace: Používá se pro magnetické železné rudy (magnetit). Silné magnety oddělí rudu od nemagnetické hlušiny.

2. Redukce kovu (Výroba surového kovu)

Upravená ruda (koncentrát) musí projít chemickým procesem, při kterém se kov z jeho sloučeniny uvolní. Protože kovy jsou ve sloučeninách přítomny jako kladně nabité ionty (kationty), jedná se vždy o chemickou redukci (dodání elektronů). Způsob redukce závisí na reaktivitě kovu.

• Pyrometalurgie (Redukce za vysokých teplot): Nejběžnější metoda pro kovy jako železo, měď, zinek nebo olovo.
  • Pražení: Sulfidické rudy se nejprve "praží" za přístupu vzduchu, aby se převedly na oxidy.
  • Tavení a redukce: Oxid kovu se pak ve vysoké peci nebo jiné peci taví za přítomnosti redukčního činidla. Nejčastěji se používá uhlík (ve formě koksu) nebo oxid uhelnatý (CO). Uhlík na sebe "převezme" kyslík z rudy a uvolní surový kov. Příklad výroby železa:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

• Elektrometalurgie (Elektrolýza): Používá se pro výrobu velmi reaktivních kovů, jako je hliník, hořčík, sodík nebo vápník. Tyto kovy nelze z jejich sloučenin vyredukovat uhlíkem. Místo toho se jejich sloučeniny (oxidy nebo chloridy) roztaví a elektrickým proudem se rozloží. Příklad výroby hliníku z oxidu hlinitého:

2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂

Tento proces je extrémně energeticky náročný.

• Hydrometalurgie: Zahrnuje loužení rudy v roztoku (např. v kyselině sírové) a následné získání kovu z roztoku, například elektrolýzou nebo srážením. Používá se pro některé rudy mědi nebo pro získávání zlata (kyanidové loužení).

3. Rafinace

Kov získaný z redukce (tzv. surový kov) obvykle obsahuje nečistoty, které zhoršují jeho vlastnosti. Proto musí projít procesem čištění, tzv. rafinace. Metody rafinace zahrnují například elektrolytickou rafinaci (používanou pro měď) nebo zonální tavení (pro výrobu ultračistých polovodičů jako je křemík).

🛠️ Zpracování a obrábění kovů

Po vyrobení a rafinaci se kovy dále zpracovávají do požadovaných tvarů a výrobků. Mezi základní metody patří:

• Slévárenství: Kov se roztaví a nalije do formy, kde ztuhne do požadovaného tvaru (odlitku). Tímto způsobem se vyrábějí složité díly, jako jsou bloky motorů nebo zvony.
• Tváření kovů: Využívá se kujnosti a tažnosti kovů k jejich deformaci bez porušení.
  • Válcování: Kov prochází mezi dvěma rotujícími válci, čímž se zmenšuje jeho tloušťka. Vyrábějí se tak plechy, tyče a profily.
  • Kování: Tvarování kovu údery kladiva nebo lisu. Zlepšuje mechanické vlastnosti materiálu.
  • Tažení: Protahování kovu otvorem, čímž se zmenšuje jeho průměr. Vyrábějí se tak dráty a trubky.
• Obrábění kovů: Odebírání materiálu (třísky) z polotovaru pomocí řezných nástrojů, aby se dosáhlo přesného tvaru a rozměrů. Patří sem soustružení, frézování, vrtání a broušení.
• Svařování: Pevné spojování dvou nebo více kovových dílů jejich lokálním roztavením a následným ztuhnutím.
• Pájení: Spojování kovů pomocí přídavného kovu (pájky) s nižší teplotou tání.

🌍 Historický význam

Objev a využití kovů patří mezi nejdůležitější milníky v historii lidstva a definovaly celé epochy. Schopnost zpracovávat kovy umožnila výrobu lepších nástrojů, účinnějších zbraní a trvanlivějších staveb, což vedlo k zásadním společenským, ekonomickým a technologickým změnám.

• Doba měděná: První období, kdy lidé začali systematicky využívat kov – měď. Ta byla zpočátku zpracovávána za studena (kováním), později byla objevena tavba.
• Doba bronzová: Zásadní technologický skok, kdy lidé objevili, že slitina mědi a cínu – bronz – je mnohem tvrdší a odolnější než samotná měď. Bronz umožnil výrobu kvalitnějších zbraní, šperků a nástrojů.
• Doba železná: Objev výroby železa znamenal další revoluci. Železné rudy byly mnohem dostupnější než měděné a cínové, a ačkoliv výroba železa byla náročnější, umožnila masovou produkci levných a pevných nástrojů a zbraní. To vedlo k rozvoji zemědělství, vojenství a řemesel.
• Průmyslová revoluce: Byla neoddělitelně spjata s masovou výrobou železa a jeho slitiny, oceli. Parní stroj, železnice, mosty a tovární stroje – to vše bylo postaveno z kovů.
• Moderní doba: Objev a využití lehkých kovů jako hliník a titan v 20. století odstartovaly revoluci v letectví a kosmonautice. Vzácné kovy a kovy s unikátními vlastnostmi (např. křemík, wolfram, neodym) jsou dnes základem pro elektroniku, počítače a moderní technologie.

🌡️ Koroze: Degradace kovů

Koroze je proces samovolného, postupnému znehodnocování a ničení kovů v důsledku jejich chemické nebo elektrochemické reakce s okolním prostředím. Je to v podstatě přirozená tendence kovů vrátit se do své stabilnější, oxidované formy, ve které se nacházejí v rudách.

Nejznámějším příkladem je rezavění železa, což je elektrochemická reakce železa s kyslíkem a vodou za vzniku hydratovaných oxidů železa (rzi). Koroze způsobuje obrovské ekonomické ztráty a může vést k haváriím konstrukcí.

Existuje několik způsobů ochrany proti korozi:

• Ochranné povlaky: Nátěry (barvy, laky), smalty nebo pokovení méně ušlechtilým kovem, který koroduje přednostně (pozinkování oceli).
• Legování: Vytváření korozivzdorných slitin, jako je nerezová ocel, která obsahuje chrom a nikl. Chrom na povrchu oceli vytvoří pasivační vrstvu oxidu, podobně jako u hliníku.
• Katodická ochrana: Spojení chráněné konstrukce (např. potrubí v zemi) s blokem méně ušlechtilého kovu (např. zinku nebo hořčíku), který funguje jako "obětní anoda" a koroduje místo ní.

♻️ Recyklace kovů

Kovy jsou ideálními materiály pro recyklaci, protože si i po opakovaném přetavení zachovávají své původní vlastnosti a kvalitu. Recyklace kovů má zásadní ekonomické i environmentální přínosy:

• Úspora energie: Recyklace je mnohem méně energeticky náročná než výroba kovů z primárních surovin (rud). Například recyklace hliníku šetří až 95 % energie, recyklace oceli asi 75 % energie.
• Ochrana přírodních zdrojů: Šetří neobnovitelné zásoby rud.
• Ochrana životního prostředí: Snižuje emise skleníkových plynů, omezuje znečištění vody a vzduchu spojené s těžbou a metalurgií a redukuje objem odpadu na skládkách.

Nejčastěji recyklovanými kovy jsou železo a ocel (tzv. šrot), hliník (zejména nápojové plechovky), měď a olovo (z autobaterií).

💡 Pro laiky

Představte si kovy jako speciální druh stavebních kostek. Na rozdíl od jiných materiálů (jako je dřevo nebo kámen) mají tři kouzelné vlastnosti:

1. Jsou skvělí týmoví hráči: Atomy v kovu se drží pohromadě velmi zvláštním způsobem. Vytvoří pevnou kostru a své vnější elektrony pošlou "na výlet" po celém materiálu. Tyto volné elektrony fungují jako super-rychlí poslíčci, kteří dokážou okamžitě přenášet elektřinu nebo teplo. Proto kovy vedou proud a na dotek studí (rychle odvádějí teplo z ruky). 2. Jsou pružní a ohební: Díky volným elektronům, které působí jako lepidlo, se dají vrstvy atomů po sobě posouvat, aniž by se celá struktura rozpadla. Proto můžete kov ohýbat, kovat a natahovat do tenkých drátků, aniž by praskl. Kámen by se okamžitě rozbil. 3. Mají lesk: Hladký povrch kovů funguje jako zrcadlo, protože roj volných elektronů na povrchu odráží světlo, které na něj dopadne.

Kovy jsou pro nás tak důležité, že jsme podle nich pojmenovali celé historické epochy. Nejdřív jsme objevili měkkou měď, pak jsme ji smíchali s cínem a vyrobili mnohem pevnější bronz (doba bronzová) a nakonec jsme se naučili vyrábět super-pevné železo (doba železná), což změnilo svět.