3. svet SNOVI 3.1 Snovi okoli nas 3.2 Lastnosti snovi 3.3 Kovine in njihove lastnosti 3.4 Elementi in spojine. Atomi in molekule 3.5 Zgradba atoma 3.6 Ionska in kovalentna vez 3.7 Varno delo v laboratoriju 3.8 Kemijske reakcije 3.9 Polimeri 3.10 Uporaba in predelava polimerov Preveri svoje znanje 3.1 Snovi 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 Slika 1 Hranila, zdravila in kuhinjski pribor so iz različnih snovi. 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. 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. 28
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. Sol, kuhinjska sol, kamena sol, halit, natrijev klorid je ista snov. brom kalcit klor natrij kalijev dikromat grafit cink modra galica jod baker žveplo magnezij Slika 2 Nekateri elementi in spojine kromov galun sladkor kremen in pirit Čiste snovi imenujemo tudi substance. 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. Poišči na spletu ali v strokovni literaturi, v kakšni obliki se v naravi nahaja baker. Slika 4 Sestava zemeljske skorje Poišči na spletu ali v strokovni literaturi: a) katere snovi pridobivajo iz morske vode, b) za kaj se uporabljajo plini, ki jih pridobimo iz zraka. 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. 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. 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 Plin v zraku Masni delež plina kisik 21 % dušik 78 % žlahtni plini malo manj kot 1 % ogljikov dioksid 0,040 % 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) Vrelišče ( C) železo voda helij helij ni znan v trdnem stanju 32
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/cm 3 ) ali kilogramih na kubični decimeter (kg/dm 3 ). 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/cm 3, 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/cm 3 = 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/cm 3. 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/cm 3, so njegove mehanske lastnosti v primerjavi z aluminijem neprimerno boljše. Snov Gostota trdna (g/cm 3 ) 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. Slika 9 a) Nosilna konstrukcija mostu je izdelana iz jeklenih profilov. b) Protipotresno ogrodje stavbe je iz železobetona. 34 Materiali Snov, ki se uporablja za izdelavo predmetov z uporabno vrednostjo, imenujemo material. 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. 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 10 a) V gospodinjstvu so v rabi številni izdelki iz plastike. Slika 11 Deli kuhinjskega pohištva so iz lesa in plastike, zavese pa iz tekstila. 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 Slika 14 V vročo vodo potopimo kovinsko, stekleno, plastično in leseno palčko. 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 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 Jeklo Steklo Plastika Les 1. trdo/mehko 2. togo/upogljivo 3. električna prevodnost 4. dobra toplotna prevodnost 36
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? A zmrzovanje B utekočinjanje C sublimacija D izparevanje 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. 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). 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 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. Na spletu poišči: a) Iz katerih kovin sta zlitini medenina in bron? b) Katere kovine so primešane zlatu, ki ga uporabljajo za izdelavo nakita? 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. Slika 19 Kuhinjski elementi, posoda in pripomočki so iz nerjavnega jekla. 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. 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. 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 21 Pri visokonapetostnih daljnovodih so žice največkrat izdelane iz aluminija. Slika 22 Zaradi dobre toplotne prevodnosti in nizke cene je jeklena pločevina primerna za izdelavo radiatorjev. 39
Korozija je propadanje kovinskih materialov. Slika 23 Po daljšem času železne matice in vijaki zarjavijo. Slika 24 Bakrene kritine se po daljšem času prevlečejo z zeleno patino. Korozija 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. 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. 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. 40 Slika 25 a) Pocinkan jekleni žleb 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