Svet snovi v pdf

3.SVET SNOVI
3.1Snovi okoli nas
3.2
Lastnosti snovi
3.3
Kovine in njihove lastnosti
 3.4Elementi in spojine. Atomi in molekule
Zgradba atoma
 3.5
 3.6Ionska in kovalentna vez
3.7Varno delo v laboratoriju
3.8
Kemijske reakcije
3.9Polimeri
3.10
Uporaba in predelava polimerov
Preveri svoje znanje
3.1Snovi okoli nas
Učne vsebine
• snovi so lahko čiste ali so
zmesi
• čiste snovi so elementi ali
spojine
• snovi so lahko naravne ali
pridobljene (umetne)
• viri snovi v naravi so:
zemeljska skorja, voda, zrak
in nafta
Že pred 100.000 leti so naši predniki začeli iz naravnih snovi izdelovati
primitivna orodja in orožja. Obklesali so kose kremena, iz gline so
oblikovali lončeno posodo in jo žgali v ognju. Iz samorodnega zlata
so izdelovali zlato okrasje. Pred približno 4000 leti so iz rude začeli
pridobivati baker, nato so ulivali izdelke iz brona in pred 3200 leti so se
naučili pridobivati železo in kovati jeklo, ki je vse do danes eden izmed
najpomembnejših materialov.
Številne nove zlitine in kompozitni materiali, ki jim jih je uspelo razviti
v zadnjih nekaj desetletjih, vse bolj nadomeščajo klasične materiale.
Obdobje zadnjega pol stoletja bi lahko poimenovali »silicijeva doba«, saj
so silicijevi čipi omogočili nesluten razvoj računalniške in informacijske
tehnologije.
Kaj je snov?
Vse, česar se dotakneš, in vse, kar nas obdaja, je sestavljeno iz snovi.
Voda, ki jo naliješ v kozarec, je snov. Ključ, s katerim zaklepamo vrata,
je izdelan iz kovine. Platišče avtomobilskega kolesa je narejeno iz zlitine,
obloge v notranjosti avtomobila so izdelane iz različnih plastik. Kovina,
zlitina in plastika so prav tako snovi. Kadar nam veter brije okoli ušes,
čutimo upor zraka, ki nas obdaja – zrak, četudi ga ne vidimo, je snov.
Vsak dan uporabljamo detergente, če zbolimo, jemljemo zdravila;
detergenti in zdravila so iz snovi.
Slika 1 Hranila, zdravila in kuhinjski
pribor so iz različnih snovi.
28
Tudi živali in rastline so sestavljene iz različnih snovi. Vsa živa bitja
vsebujejo vodo, v človeškem telesu je vode za približno 65 % telesne
mase. V zelenih delih rastlin pri fotosintezi nastaja glukoza, ki se pretvori
v celulozo in škrob. V sadju naletimo na vitamine in arome. V plodovih
oljnic in v maščobnih celicah pri živalih in ljudeh so shranjene maščobe.
Lasje in nohti so zgrajeni predvsem iz beljakovin.
Čiste snovi in zmesi
Vsi smo bili kdaj v stiku s snovmi, kot so železo, baker, srebro, zlato,
najbrž tudi s snovmi, kot so žveplo, grafit, silicij, jod, fosfor in druge.
Vse našteto so čiste snovi in sodijo v skupino snovi, ki jim pravimo
elementi. Za elemente je značilno, da jih ne moremo razgraditi v še bolj
enostavne snovi.
Potem je tu še ogromno čistih snovi, ki so sestavljene iz dveh, treh ali več
elementov. Takim snovem pravimo spojine. Voda je na primer spojina,
sestavljena iz dveh elementov, vodika in kisika. Tudi kuhinjska sol
(natrijev klorid) je spojina, sestavljena samo iz dveh elementov. Pridobijo
jo bodisi iz morske vode bodisi jo kopljejo kot kameno sol v rudnikih.
Lahko pa jo pripravijo v kemijskem laboratoriju s kemijsko reakcijo med
elementoma natrij in klor.
Voda, kuhinjska sol ali katerakoli druga čista snov ima vedno enake
lastnosti, ne glede na to, kje v naravi se nahaja in na kakšen način jo
v laboratoriju pridobimo.
brom
kalcit
klor
grafit
Sol, kuhinjska sol, kamena sol,
halit, natrijev klorid je ista snov.
natrij
kalijev dikromat
modra
galica
cink
sladkor
baker
jod
kremen
in pirit
žveplo
magnezij
kromov galun
Čiste snovi imenujemo tudi
substance.
Slika 2 Nekateri elementi in spojine
V naravi so čiste snovi pogosto pomešane med seboj, tvorijo zmesi. Zrak
je zmes plinov: elementov dušika, kisika in žlahtnih plinov in spojine
ogljikovega dioksida. Posamezne čiste snovi v zmesi so sestavine ali
komponente.
Kamnine, v katerih že s prostim očesom vidimo različne vrste zrnc, so
heterogene zmesi različnih mineralov. Če pomešamo med seboj trdne
snovi, na primer sol in sladkor, dobimo heterogene zmesi.
Mineral je naravna čista snov
(spojina) s stalno sestavo.
Kamnina je heterogena zmes
različnih mineralov.
Ruda je zmes mineralov in
različnih primesi (jalovine). Iz mineralov v rudah
pridobivamo kovine.
Slika 3 Na povečani sliki detajla pohorskega granodiorita vidimo tri vrste zrnc.
Poišči na spletu, kateri so to minerali.
Če so delci v zmesi manjši od milijoninke milimetra, imamo opraviti s
homogeno zmesjo. Morska voda je homogena zmes vode in natrijevega
klorida ter nekaterih drugih spojin. Zmesi plinov so vedno homogene.
29
Pogonsko gorivo, ki ga točimo na bencinski črpalki, je tekoča homogena
zmes, sestavljena iz več spojin, večinoma ogljikovodikov. Tudi homogeno
zmes si lahko doma v kuhinji pripravimo sami: v vodo stresemo žličko
soli ali sladkorja in mešamo toliko časa, da se vse raztopi.
Naravne in pridobljene snovi
Iz železove rude, imenovane hematit, pridobimo železo, primerno
za izdelavo najrazličnejših vrst jekla. Boksit, iz katerega pridobivajo
aluminij, je zmes različnih aluminijevih, silicijevih in železovih
mineralov. Kremen je mineral, primeren za pridobivanje silicija.
Živo apno pripravimo z žganjem minerala apnenca pri temperaturah
od 900 do 1000 °C. Pri segrevanju sode, pomešane z apnencem in
kremenom, pripravimo raztaljeno steklo.
Poišči na spletu ali v strokovni
literaturi, v kakšni obliki se v naravi nahaja baker.
Hematit, boksit, kremen in apnenec, različne druge rude pa glina, premog
in nafta, vse to so naravne snovi, ki obstajajo v zemeljski skorji milijone
ali celo milijarde let in jih v velikem obsegu izkoriščamo in predelujemo
še danes.
Železo, aluminij, silicij, žgano apno pridobimo iz uporabnih naravnih
snovi. Snovem, ki jih pridobimo iz drugih, pravimo pridobljene snovi.
Za razkuževanje ran se uporabljajo alkoholi, bolnikom predpisujejo
odmerke različnih zdravil, ki jih lahko pripravijo v laboratorijih ali
izolirajo iz rastlin. Danes so številni izdelki narejeni iz polimerov
(plastika), kot so polieten, polipropen, teflon idr. Vse te snovi
pridobivamo iz spojin, ki so v nafti. Vse naštete snovi uvrščamo med
pridobljene, imenujemo jih tudi umetne snovi. V zadnjih 100 letih je
kemikom uspelo pripraviti več kot 50 milijonov novih spojin; večine
teh v naravi ne najdemo.
Zemeljska skorja, voda, zrak in nafta so viri naravnih snovi
Spoznali smo že, da je zemeljska skorja vir rud, kamnin in mineralov.
Približno 70 % površine zemeljske oble je prekrite z vodo. Od tega je
97 % morske vode, 3 % pa sladke vode. Sladka voda je vir za pripravo
neoporečne pitne vode, ki jo uporabljamo za kuhanje, pripravo različnih
napitkov, za čiščenje in pranje. Veliko vode se porabi za proizvodnjo
pare ali kot hladilno sredstvo v različnih industrijskih obratih,
termoelektrarnah in jedrskih elektrarnah.
Slika 4 Sestava zemeljske skorje
Zrak je zmes plinov in je neizčrpen vir pomembnih surovin.
Če utekočinjenega destiliramo pri dovolj nizkih temperaturah,
pridobimo dušik, kisik, argon in druge žlahtne pline.
Preglednica 1 Sestava zraka
Poišči na spletu ali v strokovni
literaturi:
Plin v zraku
Masni delež plina
a) katere snovi pridobivajo iz morske vode,
kisik
21 %
dušik
78 %
žlahtni plini
malo manj kot 1 %
ogljikov dioksid
0,040 %
b) za kaj se uporabljajo plini, ki jih pridobimo iz zraka.
30
Helij je edini žlahtni plin, ki ga ni v zraku. Zaradi majhne gostote uhaja iz
ozračja v vesolje.
Helij se sprošča v zemeljski skorji pri radioaktivnem razpadu elementov
urana in torija. Navadno je primešan zemeljskemu plinu; pridobivanje
helija se izplača že, če je primešanega več kot 0,2 %. Največ se uporablja
za polnjenje balonov, pomešanega s kisikom vdihavajo potapljači pri
globinskem potapljanju. Zaradi izjemno nizke temperature vrelišča (–269 °C)
je utekočinjen helij edina snov, ki je primerna za hlajenje superprevodnih
magnetov pri aparaturah, uporabnih v medicinski diagnostiki in v znanosti.
Slika 5 Baloni, polnjeni s helijem
Z razmahom industrializacije v drugi polovici 19. stoletja je začela
strmo naraščati potreba po izkoriščanju fosilnih goriv: premoga, nafte in
zemeljskega plina.
Premog uporabijo za pogon termoelektrarn in pripravo koksa, zemeljski
plin je gorivo, primerno za ogrevanje in pogon plinskih elektrarn. Iz
nafte pridobivajo pogonska goriva za cestni in letalski promet. Ogromno
spojin, kot so zdravila, polimeri, dišave, kozmetični preparati, pesticidi in
detergenti, pa pridobivajo s kemijskimi reakcijami iz spojin iz nafte.
NA KRATKO
• Okolica, v kateri živimo, je sestavljena iz ogromno različnih snovi.
• Snovi so lahko čiste ali so zmesi. Po sestavi delimo čiste snovi na
elemente ali spojine.
Slika 6 Kozmetika je iz nafte.
• Zmesi so sestavljene iz dveh ali več čistih snovi. Poznamo homogene in
heterogene zmesi.
• Po izvoru delimo snovi na naravne in pridobljene (umetne).
• Viri naravnih snovi so zemeljska skorja, voda, zrak in nafta.
RAZMISLI IN ODGOVORI
1. Napisanih je nekaj snovi, s katerimi se pogosto srečamo. Katere snovi so zmesi?
70 % alkohol za razkuževanje ran, baker, glina, granit, modra galica, nafta, polieten, pralni prašek,
premog, sladkor, voda, zrak
2. Med naštetimi snovmi podčrtaj pridobljene.
aluminij, apnenec, apno, aspirin, hematit, klorofil, kremen, kuhinjska sol, med, milo, modra galica,
teflon, porcelan, voda, železo
3. Izberi pravilni odgovor. Zrak je:
A čista snov
B pridobljena snov
C homogena zmes
Č heterogena zmes
31
3.2
Lastnosti snovi
Učne vsebine
• snovi so pri sobni
temperaturi v različnih
agregatnih stanjih:v trdnem,
tekočem ali plinastem
• vsaka čista snov ima točno
določene fizikalne lastnosti
• materiali so snovi, iz katerih
izdelujemo predmete z uporabno vrednostjo
• uporabnost materiala
določajo njegove fizikalne in mehanske lastnosti
Med vsemi snovmi je diamant zaradi svojih nenavadnih lastnosti nekaj
posebnega. Je najtrša znana snov, ima zelo visok lomni količnik, zato
se obrušeni diamanti tako zelo lesketajo. Je odličen električni izolator.
Odlikuje se po tem, da toploto prevaja nekajkrat bolje od najbolj toplotno
prevodne kovine, srebra. Primerno obrušene naravne diamante brez
primesi uporabijo za izdelavo najdražjega nakita. Drobni in nečisti
diamanti pa so pripravni za izdelavo najkakovostnejših brusilnih, vrtalnih
in rezalnih orodij. Diamantov v naravi še zdaleč ni dovolj, zato pripravijo
umetne iz grafita pri visokih temperaturah in zelo visokih tlakih.
Trdno, tekoče in plinasto
Železna ograja
Voda v čaši
Baloni, polnjeni s helijem.
Slika 7 Železo, voda in helij pri sobnih pogojih
Železo se razlikuje od vode v kozarcu ali od helija, s katerim je
napolnjen balon. Te tri snovi so v različnih agregatnih stanjih. Pri sobni
temperaturi je železo v trdnem, voda v tekočem in helij v plinastem
agregatnem stanju.
Če neko snov dovolj segrejemo ali ohladimo, se njeno agregatno stanje
spremeni. Železo se stali in postane tekoče, če ga segrejemo na 1538 °C,
pri 2862 °C pa izpari. Če vodo ohladimo na 0 °C, zamrzne v led, če jo
segrejemo na 100 °C, zavre; pri vrenju nastane vodna para. Plin helij
moramo ohladiti na –269 °C, da se utekočini.
Temperaturo, pri kateri se snov stali, imenujemo tališče, temperaturo,
pri kateri snov izpari, pa vrelišče. Pri spremembah agregatnega stanja
se snovi spremeni le oblika, snov ostane ista. Tako so voda, led in vodna
para le različne oblike iste snovi – vode.
RAZMISLI
Naloga 1 Tališča in vrelišča
Na podlagi podatkov v zgornjem besedilu napiši temperature tališča
in vrelišča železa, vode in helija. Piši v zvezek v preglednico, podobni
spodaj.
Snov
Tališče (°C)
železo
voda
helij
32
helij ni znan v trdnem stanju
Vrelišče (°C)
Prehodi med agregatnimi stanji snovi so prikazani v spodnji shemi.
Taljenje je prehod iz trdnega v tekoče agregatno stanje. Prehod
v obrnjeno smer, iz tekočega v trdno stanje, je strjevanje (za vodo
prehod imenujemo zmrzovanje). Oba prehoda potekata pri isti
temperaturi, pri temperaturi tališča snovi.
Izparevanje je prehod iz tekočega v plinasto agregatno stanje. Prehod
v obrnjeno smer, iz plinastega v tekoče agregatno stanje, je utekočinjanje
(kondenzacija). Oba prehoda potekata pri isti temperaturi, pri
temperaturi vrelišča snovi.
Nekatere trdne snovi lahko sublimirajo – preidejo iz trdnega naravnost
v plinasto stanje. Če segrevamo temno sive kristale joda, opazimo
vijolične pare. Jod preide iz trdnega stanja naravnost v plinasto. Na
hladnem urnem steklu se jodove pare znova izločijo v obliki kristalov.
Oba prehoda imenujemo sublimacija.
Ker se pri prehodih med agregatnimi stanji spremeni le oblika snovi,
snov pa ostane ista, so ti prehodi fizikalne spremembe, agregatno
stanje pri sobni temperaturi pa je fizikalna lastnost snovi.
Gostota snovi
Pomembna fizikalna lastnost snovi je tudi njena gostota. Vsak košček
snovi z določeno prostornino, celo plin, ima določeno maso. Mase
različnih snovi lahko primerjamo med seboj le, če so njihove prostornine
enake. Gostota snovi je masa prostorninske enote te snovi.
gostota snovi =
masa snovi
prostornina snovi
Podajamo jo v gramih na kubični centimeter (g/cm3) ali kilogramih
na kubični decimeter (kg/dm3). Gostote trdnih snovi in tekočin se
s temperaturo nekoliko spreminjajo, zato jih izmerimo vedno pri isti
temperaturi, navadno pri 20 °C. Gostote plinov pa se močno spreminjajo,
če jih segrevamo ali ohlajamo ali če jih stiskamo in razpenjamo. Zato
moramo pri plinih vedno navesti temperaturo in tlak, pri katerem je bila
gostota izmerjena.
Slika 8 Sublimacija joda v pokriti
čaši. Kristali joda se izločijo na
hladnem urnem steklu.
33
Gostote trdnih snovi segajo večinoma od 1 do 20 g/cm3, gostote tekočin
večinoma od 0,5 do 2 g/mL, gostote plinov pa so tudi do tisočkrat manjše,
od 0,0001 do 0,01 g/mL.
Preglednica 2 Gostota nekaterih snovi pri 20 °C
1 g/cm3 = 1 g/mL
Gostote tekočin in plinov
navadno navajamo v g/mL.
V letalski industriji se za gradnjo
letalskih ogrodij uporabljajo
zlitine aluminija, saj ima aluminij
majhno gostoto, 2,7 g/cm3. Pri
velikih nadzvočnih hitrostih
pa se trup letala segreje nad
200 °C. Nad to temperaturo se
trdnost in žilavost aluminijevih
zlitin občutno zmanjšata. Zato
za nadzvočna letala uporabljajo
titan oziroma titanove zlitine.
Čeprav ima titan večjo gostoto,
4,5 g/cm3, so njegove mehanske
lastnosti v primerjavi z
aluminijem neprimerno boljše.
Snov
Gostota
trdna
(g/cm3)
zlato
19,3
baker
8,92
železo
7,87
aluminij
2,70
diamant
3,51
tekoča
(g/mL)
živo srebro
13,6
brom
3,12
voda
0,998
metanol
0,792
žveplova kislina
1,84
plinasta (pri tlaku 100 kPa)
(g/mL)
vodik
0,000083
helij
0,000164
kisik
0,00131
ksenon
0,00539
Vsaka čista snov ima točno določeno tališče, vrelišče, gostoto in druge
fizikalne lastnosti.
Materiali
Snov, ki se uporablja za izdelavo predmetov z uporabno vrednostjo,
imenujemo material.
Slika 9 a) Nosilna konstrukcija
mostu je izdelana iz jeklenih
profilov.
Železo sodi med najpomembnejše materiale. Železu dodajajo različne
kovine in pripravijo številne zlitine, ki jim pravimo jekla. V primerjavi
z železom imajo veliko boljše lastnosti, so razmeroma poceni, njihova
uporaba pa je vsestranska. Jeklene izdelke uporabljajo v gradbeništvu,
v avtomobilski industriji, ladjedelništvu, za izdelavo orodij. Skoraj ni
izdelka z množično uporabnostjo, pri katerem ne bi naleteli na sestavni
del, izdelan iz jekla.
Cement je prav tako pomemben material, uporaben za izdelavo različnih
betonov. V kombinaciji z železom je beton daleč najbolj zanesljiv
gradbeni material, primeren za izgradnjo protipotresnih stavb.
b) Protipotresno ogrodje stavbe je
iz železobetona.
34
Naravni kamen je kamnina z uporabno vrednostjo. Primerno veliki,
obklesani kosi granita so zaradi njegove velike trdote primerni za
tlakovanje pločnikov, pohodnih in prevoznih poti. V gradbeništvu se lepo
oblikovani in polirani kosi granita in marmorja zaradi privlačnega videza
uporabljajo kot okrasje, pri izdelavi notranje opreme pa kot dekorativni
elementi. Iz belega marmorja pa so renesančni umetniki klesali kipe
neizmerne kulturne vrednosti.
Plastiko lahko oblikujemo in je zelo obstojna, zato je primerna za
izdelavo različnih predmetov, uporabnih vsepovsod v gospodinjstvu,
pri izdelavi orodij, v avtomobilski industriji ipd. Uporabo različnih vrst
plastike bomo podrobneje spoznali v nadaljevanju poglavja.
Steklo, s katerim pokrivamo verande in zimske vrtove, prepušča sončno
svetlobo in omogoča segrevanje zraka v zaprtih prostorih. Prenesti mora
dovolj veliko težo, celo udarce. Če vendarle poči, se mora zdrobiti
v majhne delce, da ti uporabnika čim manj poškodujejo.
Les še vedno sodi med najbolj cenjene naravne materiale in ima, tako
kot v preteklosti, široko uporabnost v gradbeništvu, nenadomestljiv pa je
tudi v papirništvu in pri izdelavi kakovostnega pohištva. Je razmeroma
dober toplotni izolator. Primerno obdelani leseni izdelki so trpežni proti
zunanjim vplivom, kot so vlaga in temperaturne spremembe. Potreba
po vsakršnem lesu je v zadnjih desetletjih tako zelo narasla, da pomeni
nebrzdano izsekovanje gozdov že resno okoljsko grožnjo vsemu človeštvu.
Slika 11 Deli kuhinjskega pohištva
so iz lesa in plastike, zavese pa iz
tekstila.
Slika 10 a) V gospodinjstvu so v rabi številni izdelki iz plastike.
b) Stekleno pročelje stavbe
Za izdelavo kakovostnega izdelka s primerno ceno je treba skrbno
načrtovati in nadzorovati lastnosti vgrajenih materialov. Na primer
vrhunsko dirkalno kolo mora biti iz materialov s čim nižjo gostoto, da je
kolo čim lažje, hkrati pa morajo biti materiali žilavi in trpežni, da lahko
kolo prenaša velike obremenitve. V te namene uporabljajo posebne
aluminijeve in titanove zlitine, vse pogosteje pa tudi kompozitne
materiale (več o njih v učni enoti 3.10).
Mehanske lastnosti snovi
Materiali, iz katerih so izdelki, morajo imeti primerne lastnosti, da
lahko prenesejo obremenitve. Če poznamo lastnosti materialov, lahko
predvidimo, kakšno sestavo, obliko in velikost mora imeti predmet ali
izdelek, da bo uporaben predpisan čas in da pri obratovanju ali uporabi
ne pride na njem do poškodb.
Trdota materiala nam pove koliko je material odporen proti razenju. Če
snov ali material razimo, mora biti dovolj trd, da ne pride do poškodb
na površini. Površine brusilnih papirjev so prevlečene z različno velikimi
delci dovolj trdih materialov, kot sta korund in karborund. Materiali
so mehki, če se jim površina preoblikuje že pri delovanju majhnih sil.
Košček mila je uporaben le, če je dovolj mehak. Tudi glina mora biti
dovolj mehka, da je primerna za oblikovanje izdelkov.
Predmeti lahko prenesejo sunkovite obremenitve le, če so dovolj trdni,
žilavi in ne preveč togi. Najvišji nebotičniki in jeklene konstrukcije
visečih mostov lahko zaradi sunkov orkanskih vetrov zanihajo celo za
nekaj metrov. Na primer, odmik od ravnovesnega položaja je podan
z upogibno trdnostjo.
Slika 12 Milo je mehko.
35
Če je dovoljena obremenitev presežena, se izdelki iz nekaterih
materialov prelomijo ali celo razletijo v koščke. Taki izdelki so krhki.
Steklo in izdelke iz stekla uvrščamo med krhke materiale. Predmetom
iz elastičnih in upogljivih materialov, se med obremenitvijo spremeni
oblika. Po prenehanju obremenitve zavzame svojo prvotno obliko.
Elastični so gumijasti predmeti in izdelki iz silikona, upogljivi pa izdelki
iz plastike.
Poišči v literaturi, kateri spojini
sta korund in karborund?
Slika 13 Steklo je krhko. Polieten je upogljiv.
NAREDI
Poskus 1 Fizikalne lastnosti snovi
Ugotavljali bomo lastnosti jekla, stekla, plastike in lesa.
Potrebujemo
• kovinsko, stekleno, plastično in leseno palčko, debeline okoli 5 mm in
dolžine 15 cm
• nož
• čašo, 250 mL z vodo
• komplet za merjenje prevodnosti
• trinožnik z žično mrežico
• plinski gorilnik
Slika 14 V vročo vodo potopimo
kovinsko, stekleno, plastično in
leseno palčko.
Kako delamo
Posamezne poskuse izvedemo z jekleno, s stekleno, plastično in z leseno
palčko. Rezultate vpišemo v zvezek v razpredelnico, podobno spodnji.
1. Vsako palčko poskusi previdno raziti z nožem.
2.Vsako palčko poskusi previdno upogniti.
3.S kompletom za merjenje prevodnosti preizkusi električno prevodnost
vsake palčke. V katerem primeru žarnica zasveti?
4.V čaši segrejemo vodo skoraj do vrenja in v vročo vodo potopimo
vse štiri palčke. Po dveh minutah previdno potipamo vsako palčko
približno 1 cm nad robom čaše. Katera palčka je najtoplejša?
Material
1. trdo/mehko
2. togo/upogljivo
3. električna prevodnost
4. dobra toplotna prevodnost
36
Jeklo
Steklo
Plastika
Les
Električna in toplotna prevodnost
Električni tok je tok nabitih delcev. Snov prevaja električni tok le, če so v
njej nabiti delci, elektroni ali ioni, ki se lahko prosto gibljejo. V kovinah
so prosto gibljivi elektroni, zato so kovine odlični električni prevodniki
(več o tem v učni enoti 3.5). Snovem, v katerih se elektroni pod vplivom
električne napetosti ne morejo prosto premikati, pravimo neprevodniki
ali izolatorji. Steklo in plastika sta izolatorja. Silicij prevaja električni tok,
toda precej slabše od kovin, zato ga uvrščamo med polprevodnike.
Toplota v predmetih se širi vedno od toplejšega dela proti hladnejšemu.
Materiali, po katerih se toplota hitro širi, so dobri toplotni prevodniki.
Če pa toplota potuje proti hladnejšemu delu počasi, je taka snov dober
toplotni izolator. Kovine in zlitine so dobri prevodniki toplote, plastika
in les pa sta dobra izolatorja toplote.
Slika 15 Petžilen električni kabel.
Bakrene žice so oplaščene z izolacijo.
Če je plin segret na dovolj
visoko temperaturo ali če
je izpostavljen dovolj visoki
napetosti, nastane zmes nabitih
delcev, ki prevaja električni tok.
Prevodnemu plinu pravimo
plazma. Pri TV-zaslonih
uporabijo za nastanek plazme
električno napetost.
Slika 16 a) Kovinski predmeti odlično prevajajo toploto.
b) Stiropor je prvovrsten
toplotni izolator.
NA KRATKO
• Vsaka čista snov ima točno določeno tališče, vrelišče, gostoto in druge fizikalne lastnosti.
• Material je snov, iz katere izdelajo predmete z uporabno vrednostjo.
• Uporabnost materiala določajo njegove mehanske lastnosti ter električna in toplotna prevodnost.
RAZMISLI IN ODGOVORI
1. Podčrtaj tiste snovi, ki so pri sobni temperaturi v plinastem stanju.
brom helij marmor metan ogljikov dioksid voda zlato zrak
živo srebro
žveplova kislina
2. Pri kateri spremembi preide snov iz trdnega agregatnega stanja naravnost v plinasto?
B utekočinjanje
C sublimacija
D izparevanje
A zmrzovanje
3. Zapisane snovi razvrsti po naraščajočih gostotah.
metanol
voda
vodik
zlato
železo
4. Katera od naštetih snovi dobro prevaja elektriko in toploto?
A les
B stiropor
C aluminij
Č steklo
37
3.3
Kovine in njihove lastnosti
Učne vsebine
• kovine imajo svojstven lesk
in zven
• kovine prevajajo elektriko in
toploto
• zlitine so zmesi več kovin
• površine nezaščitenih kovin
korodirajo
• zaščita pred korozijo
Živo srebro je prav posebna kovina. Je eden izmed samorodnih elementov,
zato so ga poznali že v antičnem obdobju. Pri sobni temperaturi je tekoč,
strdi se pa pri –39 °C. Ima izjemno veliko površinsko napetost, zato se
v stiku s podlago zlahka razleti v drobne kapljice, ki se že ob najmanjših
neravninah hitro gibljejo v vse smeri – od tod tudi njegovo ime. Zlitinam
živega srebra z raznimi kovinami pravimo amalgami. Že v srednjem veku
so to njegovo lastnost, da raztaplja kovine, izkoriščali za pridobivanja
srebra in zlata. V 21. stoletju se uporaba živega srebra povsem opušča,
saj sodi med strupene snovi.
V Idriji je bil drugi največji rudnik živega srebra na svetu. Deloval je
od začetka 16. stoletja vse do leta 1995, ko so nehali izkopavati rudo
zaradi nizke cene živega srebra, strogih okoljevarstvenih zahtev in
visokih stroškov rudarjenja zaradi čedalje večje globine. Sedaj deluje
muzej Antonijev rov, ki je vpisan na Unescov seznam svetovne kulturne
dediščine.
Kovine imajo značilne lastnosti
Kovine so elementi, vsega skupaj jih je okrog 60. Zlahka jih ločimo od
vseh drugih materialov zaradi njihovih značilnih kovinskih lastnosti.
Imajo značilen kovinski lesk, spoznamo jih po kovinskem zvenu, zlahka
se kujejo, gnetejo in preoblikujejo. Tvorijo zlitine ter odlično prevajajo
elektriko in toploto.
Kovinam sta lastna lesk in zven
Že sam pogled na očiščeno pokromano vodno armaturo nas spomni,
da je prav kovinski lesk tisto, kar daje kovinskim izdelkom lep videz.
Polirane kovinske površine popolnoma odbijajo svetlobo, kovini baker
in zlato pa imata poleg kovinskega leska še značilno barvo. Na primer
astronomski teleskopi imajo zrcala, prevlečena z zelo tanko plastjo
aluminija, ki mora biti spolirana na milijoninko milimetra natančno.
Tudi kovinski zven je lasten samo kovinam. To lastnost kovine poznamo
pri nekaterih glasbilih, kot so činele in ksilofon.
Slika 17 Ob udarcu po tipki
ksilofona zaslišimo kovinski ton z določeno frekvenco.
Pri preoblikovanju v hladnem
lahko pripravijo zelo tanke
jeklene folije, debele komaj
nekaj stotink milimetra,
pri vročem vlečenju pa je
minimalna debelina nekaj manj kot 1 mm.
38
Kovine se da kovati in gnesti
Kovine so kovne, lahko se tudi vlečejo ali gnetejo. Pri hladnem in vročem
valjanju se debelejši kosi kovine stanjšajo na predpisano debelino tako,
da jih potiskajo skozi režo med dvema vrtečima se valjema. Alufolije, ki
jih pripravijo s hladnim valjanjem in jih uporabljajo v gospodinjstvu, so
zelo tanke, celo manj kot 5 μm (pet tisočink milimetra).
Slika 18 a) Priprava in obdelava jeklenih valjancev v jeklarnah.
b) Alufolija je uporabna
v gospodinjstvu.
Zlitine so homogene zmesi različnih kovin
Pri ohlajanju raztaljene homogene zmesi različnih kovin nastanejo
homogene zmesi, ki jim pravimo zlitine. V primerjavi s čistimi kovinami
kažejo zlitine veliko širšo paleto uporabnih lastnosti. Navadno imajo
boljše mehanske lastnosti kot čiste kovine, hkrati pa so tudi bolj odporne
proti koroziji in proti delovanju različnih kemikalij. Če železu v večjih
ali manjših količinah primešamo druge kovine, dobimo jekla, ki so
v primerjavi z železom trša in bolj žilava.
Surovo železo, ki ga pridobivajo v plavžih, vsebuje okoli 4 % ogljika in druge
primesi, zato je krhko. S taljenjem surovega železa v elektropečeh odstranijo
primesi in del ogljika, nastane jeklo, ki vsebuje manj kot 2,1 % ogljika in
je kovno. Če pri taljenju surovega železa dodajajo druge kovine (vanadij,
krom, mangan, kobalt, nikelj, molibden, volfram), pridobijo različna jekla z
želenimi lastnostmi. Nerjavno jeklo mora poleg železa vsebovati vsaj 11 %
kroma in manj kot 1,2 % ogljika ter druge kovine, npr. molibden, mangan,
kobalt, vanadij. Zaradi sprejemljive cene, estetskega videza in veliko boljše
korozijske odpornosti v primerjavi z običajnimi jekli, so izdelki iz nerjavnega
jekla vse bolj razširjeni in dostopni, tako v industriji kot v gospodinjstvih.
Damaščanska jekla, imenovana po Damasku, glavnem mestu Sirije, znajo
kovati že več kot 2000 let. To so toplotno obdelani jekleni materiali, skovani
iz dveh ali več plasti, pri čemer je vsaka od teh narejena iz drugačnega
jekla. Rezila in klini, skovani iz takih jekel, imajo značilen valovit, v material
vgraviran vzorec.
Na spletu poišči:
a) Iz katerih kovin sta zlitini
medenina in bron?
b) Katere kovine so primešane
zlatu, ki ga uporabljajo za
izdelavo nakita?
Slika 19 Kuhinjski elementi, posoda
in pripomočki so iz nerjavnega jekla.
Slika 20 Nož iz damaščanskega jekla
Kovine so odlični električni in toplotni prevodniki
Srebro najbolje prevaja elektriko, sledita mu baker in zlato, na
četrtem mestu je aluminij. Prvi trije elementi sodijo v skupino kovin,
ki jim pravimo žlahtne kovine. Baker je razmeroma poceni in drugi
najboljši prevodnik, zato se uporablja za izdelavo električnih kablov.
Srebro in še posebej zlato se uporabljata za zelo tanke, nekaj tisočink
milimetra debele plasti nanosa na površine nežlahtnih kovin. Iz
posrebrene ali pozlačene pločevine izdelujejo električne kontakte,
ki zagotavljajo dolgo in nemoteno delovanje raznih komponent,
vgrajenih
v avdio in videonaprave in v računalnike.
Slika 21 Pri visokonapetostnih
daljnovodih so žice največkrat
izdelane iz aluminija.
Električne žice so večinoma izdelane iz bakra, saj je odličen prevodnik
in je razmeroma poceni. Pri električnih daljnovodih morajo biti električne
žice izdelane iz lahke kovine. Uporabljajo aluminij, ki za tretjino slabše
prevaja električni tok kot baker, je pa več kot 3-krat lažji od bakra.
V enakem vrstnem redu kot pri električni prevodnosti, si prve štiri kovine
sledijo tudi pri toplotni prevodnosti. Na prvem mestu je srebro, sledita
zlato in baker, aluminij, ki je na četrtem mestu, pa toploto prevaja skoraj
dvakrat slabše od srebra.
Slika 22 Zaradi dobre toplotne
prevodnosti in nizke cene je jeklena
pločevina primerna za izdelavo
radiatorjev.
39
Korozija
Korozija je propadanje
kovinskih materialov.
Izdelki imajo omejeno življenjsko dobo. Med bolj občutljive sodijo
kovinski deli uporabnih predmetov in izdelkov. Če je površina izdelkov
poškodovana ali ni ustrezno zaščitena, začne material na površini
spreminjati sestavo in razpadati. Ta proces imenujemo korozija.
Železo in jeklo med vsemi materiali najhitreje korodirata. Korozijo železa
in jekla imenujemo rjavenje, železne in jeklene površine se prevlečejo
z rjo. Rja nastaja pri kemijski reakciji železa z vlago in kisikom iz zraka.
Ker se slabo oprime površine, je krušljiva in porozna, kisik in vlaga
prodirata skozi pore v rji in rjavenje se nemoteno nadaljuje.
Slika 23 Po daljšem času železne
matice in vijaki zarjavijo.
Bakrene površine izdelkov, na primer posode in žlebovi, prav tako
reagirajo s kisikom, vlago in ogljikovim dioksidom, vendar poteka
reakcija veliko počasneje kot pri železu. Pri koroziji bakrenih površin
nastane zmes bakrovih spojin, ki je zelene barve in ji pravimo patina.
Ta ščiti notranjost bakra pred nadaljnjo korozijo.
Tudi površina aluminija intenzivno reagira s kisikom, aluminijev oksid,
ki pri tem nastane, je zelo kompakten in zaščiti spodnje plasti aluminija
pred korozijo. Zato so izdelki iz aluminija zelo obstojni.
Zaščita železa in jekla pred rjavenjem
Jeklene konstrukcije in druge izdelke iz jekla, na primer žlebove, ki so
na prostem izpostavljeni vremenskim nevšečnostim, zaščitijo s tankim
nanosom cinka tako, da konstrukcijo ali njene posamezne dele potopijo
v kopel raztaljenega cinka. Rjavenje jeklenih ladijskih trupov upočasnijo
tako, da nanje pričvrstijo velike kose magnezija. Obe kovini, cink in
magnezij, sta bolj reaktivni od železa, zato korodirata, jeklo pa se ohrani.
Daleč najbolj izpopolnjena je zaščita avtomobilske pločevine. Po
navadi jo najprej prevlečejo s tanko plastjo cinka, nato pa še z nekaj
plastmi različnih zaščitnih snovi in barv, ki jekleno karoserijo ščitijo pred
zunanjimi vplivi tudi 10 let in več.
Slika 24 Bakrene kritine se po
daljšem času prevlečejo z zeleno
patino.
Notranjost jeklenih pločevink je prevlečena s tanko, le nekaj tisočink
milimetra debelo plastjo kositra. Kositer ni strupen in ščiti jeklo pred
korozijo, vse dokler se zaščitna plast ne poškoduje. V takem primeru
začne rjaveti jeklo, saj je bolj reaktivno od kositra.
Slika 25 a) Pocinkan jekleni žleb 40
b) Pločevinke za hrano so prevlečene
s tanko plastjo kositra.
NA KRATKO
• Značilne kovinske lastnosti so: kovinski lesk in zven, kovnost in gnetljivost ter električna in toplotna prevodnost.
• Zlitine so homogene zmesi več kovin in imajo navadno boljše mehanske lastnosti od posameznih kovin.
• Srebro, baker, zlato in aluminij sodijo med najpomembnejše električne in toplotne prevodnike.
• Nezaščitene površine kovinskih izdelkov počasi korodirajo. Jeklene površine streh in avtomobilov zaščitimo pred
rjavenjem s pocinkanjem, z barvanjem, pločevinke s tanko plastjo kositra, ladijska ogrodja pa s kosi magnezija.
RAZMISLI IN ODGOVORI
1. Naštej značilne lastnosti kovin.
2. V čem se zlitine razlikujejo od čistih kovin?
3. Katere štiri kovine najbolje prevajajo električni tok in toploto? Navedi jih po vrstnem redu.
4. Zakaj železni in jekleni izdelki rjavijo, aluminijasti pa ne korodirajo?
5. Napisani so različni kovinski predmeti. V razpredelnico vpiši kovino in njeno lastnost, zaradi katere se
kovina uporablja za izdelavo posameznega predmeta.
Predmet
Kovina v predmetu
Lastnost kovine v predmetu
električni kabli
folija za zavijanje živil
nakit
zaščitna plast jeklenih konstrukcij
41