015 – Vlastnosti kovů

Periodická tabulka je především přehledem vlastností. Prvky jsou v tabulce zařazeny podle toho, jak vedou elektřinu, jak se deformují a s čím reagují, a právě tyto vlastnosti inženýrovi napovídají, zda je daný materiál vhodný pro výrobu drátu, chladiče, nosníku nebo baterie. Rozlišení kovu od nekovu a od polokovu je první klasifikací, kterou se chemik učí, a neděje se to vyhledáním odpovědi, ale testováním.

Tyto třídy od sebe odlišují čtyři fyzikální a dvě chemické vlastnosti. Kovy vedou elektřinu, protože jejich vnější elektrony jsou delokalizované a mohou se volně pohybovat mřížkou; tytéž pohyblivé elektrony přenášejí teplo, dodávají povrchu odrazivý lesk a umožňují, aby se mřížkové roviny navzájem posouvaly, aniž by došlo k jejich zlomení – to je tvárnost. Nekovy drží své elektrony v lokalizovaných kovalentních vazbách a nic z toho nedělají. Polokovy se nacházejí někde uprostřed: kovalentní mřížka křemíku dokonale přenáší teplo ve formě vibrací, ale neuvolňuje téměř žádné nosiče náboje, což je přesně to, co z něj dělá polovodič. Z chemického hlediska kov, který se v řadě reaktivity nachází nad vodíkem, vytlačuje vodík z kyseliny, a nejreaktivnější kovy – skupiny alkalických a alkalickozemních kovů na levé straně periodické tabulky – tak činí již ve vodě, přičemž zanechávají hydroxid a vytvářejí tak silně zásaditý roztok.

V této laboratoři budete zkoumat deset prvků. U pěti z nich – zinku, síry, křemíku, železa a olova – se provádí zkouška elektrické a tepelné vodivosti, lesku, tvárnosti a reakce s 1 M kyselinou chlorovodíkovou a na základě výsledků se provede jejich zařazení. Dalších pět – lithium, sodík, draslík, hořčík a vápník – se vloží do destilované vody, sleduje se, zda dochází k šumění, a testuje se pomocí červeného a modrého lakmusového papírku, aby se zjistilo, zda vznikla zásada. Hotová tabulka výsledků představuje zmenšenou experimentální verzi levého bloku periodické tabulky.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Najděte a použijte vybavení zkušebního stolu pro testování materiálů: detektor elektrické vodivosti, kleště, smirkový papír, dvě sady kádinek, kapátko, lakmusové papírky a tabulku pH.

Použití ochranných prostředků a bezpečné zacházení s reaktivními kovy

• Používejte rukavice a ochranu očí a s každým kovovým vzorkem manipulujte raději pomocí kleští než holýma rukama.
• Vysvětlete, proč se alkalické kovy přidávají do vody v malých kouscích a za použití ochranných brýlí a proč je třeba při práci s 1 M kyselinou chlorovodíkovou dodržovat stejná bezpečnostní opatření.

Testování fyzikálních vlastností

• Detektor vodivosti používejte správně a vzorek nejprve obruste smirkovým papírem, aby povrchový oxid nezakrýval kov pod ním.
• Vyhodnoťte tepelnou vodivost, kovový lesk a tažnost a popište každé pozorování takovými termíny, které by mohl zopakovat jiný student.

Testování chemických vlastností

• Sledujte reakci každého z pěti prvků s 1 M kyselinou chlorovodíkovou a zaznamenejte, zda se uvolňuje vodík.
• Vložte vzorky kovů alkalických a zemitých do destilované vody, sledujte šumění a pomocí červeného a modrého lakmusového papírku zjistěte, zda je vzniklý roztok zásaditý.

Klasifikace prvků na základě důkazů

• Každý prvek zařaďte mezi kovy, nekovy nebo polokovy na základě šesti kritérií, nikoli podle jeho polohy v periodické tabulce.
• Vysvětlete, která jedna vlastnost je nejvíce diagnostická a která pozorování by sama o sobě byla zavádějící.

Vztah mezi chováním a periodickými trendy

• Vysvětlete souvislost mezi vodivostí, leskem a tvárností a delokalizovanými elektrony v kovové mřížce.
• Dávejte do souvislosti reaktivitu s kyselinami a vodou s pozicí v Beketovově řadě reaktivity prvků a se snadností, s jakou atom ztrácí svůj vnější elektron.

Záznam a interpretace matice výsledků

• Vyplňte tabulku o deseti prvcích a šesti vlastnostech a vyvoďte z ní trendy v jednotlivých řádcích i sloupcích.
• Identifikujte položky, které vyžadují kvalifikující poznámku namísto jednoduchého ano nebo ne.

Protokol

Část A: Vlastnosti kovů, nekovů a polokovů

Elektrická vodivost

1. Zapněte detektor elektrické vodivosti (ECD).
2. Vezměte zinkový vzorek pomocí pinzety.
3. Umístěte elektrody ECD na kus zinku (ujistěte se, že se obě elektrody současně dotýkají kusu).
4. Pozorujte, zda se žárovka ECD rozsvítí či nikoliv, výsledek je uveden v tabulce výsledků.
5. Opakujte kroky 2 až 4 s kousky síry, křemíku, železa a olova.

Tepelná vodivost

1. Vezměte zinkový vzorek pomocí pinzety.
2. Položte dlaň volné ruky na kus zinku. Výsledek vjemu na dotek zaznamenejte do tabulky výsledků.
3. Zopakujte kroky 1 a 2 s kousky síry, křemíku, železa a olova.

Zářit

1. Vezměte zinkový vzorek pomocí pinzety.
2. Druhou rukou lehce přebruste kousek zinku smirkovým papírem, abyste odstranili veškeré stopy nečistot nebo oxidace z jedné jeho části.
3. Pozorujte otřenou plochu, pozorování je uvedeno v tabulce výsledků, zda vykazuje kovový lesk nebo ne.
4. Umístěte součást do sběrné nádoby.
5. Zopakujte kroky 1, 2 a 3 s kousky síry, křemíku, železa a olova.

Tvarovatelnost

1. Vezměte zinkový vzorek pomocí pinzety.
2. Druhou rukou vezměte kleště s ohebnými čelistmi a pokuste se ohnout vzorek zinku.
3. Poznámka k tvárnosti v tabulce výsledků. Pokud se kus mírně ohne, je tvárný. Pokud se zlomí nebo neohne, není tvárný.
4. Umístěte součást do sběrné nádoby.
5. Zopakujte kroky 1 až 4 s kousky síry, křemíku, železa a olova.

Reakce na kyselinu

1. Do každé z 50 ml kádinek, které jsou již označeny názvem, vložte kousek zinku, síry, křemíku, železa a olova.
2. Pomocí kapátka natáhněte roztok kyseliny chlorovodíkové (HCl 1 M) a nakapejte několik kapek na kousek zinku.
3. Pozorujte, zda dojde k efervescentní reakci (přítomnost malých bublinek). Reakce bude zaznamenána v tabulce výsledků.
4. Zopakujte kroky 2 a 3 s kousky síry, křemíku, železa a olova.

Část B: Vlastnosti alkalických kovů a kovů alkalických zemin

Reakce s vodou

1. Do kádinek označených lithium, sodík, draslík, ho.
2. Ponořte kousek červeného a kousek modrého lakmusového papírku do každého kádinky, abyste potvrdili neutralitu použité vody.

Neutrální roztok nezmění barvu lakmusových papírků.

3. Pomocí kleští odeberte vzorek látek lithium, sodík, draslík, hořčík a vápník a vložte je do každého z 50 ml kádinek (obsahujících destilovanou vodu) již označených jménem.

Pozorujte, zda dojde k efervescentní reakci (přítomnost malých bublinek). Reakce bude zaznamenána v tabulce výsledků.

4. Ponořte znovu kousek červeného a kousek modrého lakmus.

Předvídané výsledky

Dokončená tabulka výsledků. Šest testů na deset prvků. Pět prvků na levé straně tabulky se testuje 1 M kyselinou chlorovodíkovou; kovy alkalické a alkalickozemité na pravé straně se testují také destilovanou vodou.

Prvek	Zn	S	Si	Železo	Olovo	Li	Na	K	Mg	Ahoj
Elektrická vodivost	Ano	Ne	Ne	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano
Tepelná vodivost	Ano	Ne	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano
Kovový lesk	Ano	Ne	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano
Tvarovatelnost	Ano	Ne	Ne	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ne	Ne
Kyselá reakce	Ano	Ne	Ne	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano	Ano
Reakce s vodou	Ne	Ne	Ne	Ne	Ne	Ano	Ano	Ano	Ne	Ano

Čtení tabulky. Elektrická vodivost je tím nejrozhodnějším kritériem: nesplňují ji pouze síra a křemík, a vše, co tímto kritériem projde, vykazuje také lesk. Tvarovatelnost skupinu dále rozděluje — hořčík a vápník jsou spíše křehké než tvárné, přestože se jedná o jednoznačné kovy, což připomíná, že tvarovatelnost závisí na tom, jak jsou uspořádány mřížkové roviny, a ne pouze na přítomnosti kovové vazby. Reakce s vodou je kritériem, které odděluje dvě skupiny zcela vlevo: lithium, sodík, draslík a vápník reagují, hořčík při pokojové teplotě nereaguje znatelně a žádný z pěti vzorků přechodných nebo postpřechodných kovů nereaguje.

Proč kovy vedou elektřinu. V kovové mřížce nejsou vnější elektrony vázány na jednotlivé atomy, ale zaujímají delokalizované stavy, které se rozprostírají po celém krystalu. Při přivedení napětí se toto „moře“ elektronů dá do pohybu, což představuje elektrické vedení; tytéž rychle se pohybující elektrony také přenášejí kinetickou energii z horkých oblastí do chladných, což je důvodem, proč jsou dobré elektrické vodiče téměř vždy také dobrými tepelnými vodiči, a odrážejí viditelné světlo v celém spektru, což je příčinou kovového lesku. Jelikož je vazba nesměrová, může jedna rovina iontů klouzat po druhé, aniž by došlo k přetržení vazby — odtud pramení tvárnost, za předpokladu, že krystalová struktura tento posun umožňuje.

Křemík, polokov. Křemík je v tomto ohledu poučný příklad. Dobře vede teplo – přibližně 149 W/(m·K), lépe než železo –, protože teplo se šíří jeho pevnou kovalentní mřížkou ve formě vibrací, k nimž nejsou vůbec zapotřebí volné elektrony. Ale právě ty samé kovalentní vazby drží každý valenční elektron na svém místě, takže čistý křemík nevede téměř žádný proud: při pokojové teplotě má jen zanedbatelný zlomek elektronů dostatek energie k překonání jeho pásové mezery. Vedení tepla vibracemi mřížky a vedení náboje pohyblivými elektrony jsou oddělené mechanismy a křemík má jeden bez druhého. Právě tato vlastnost z něj činí polovodič a základ celého elektronického průmyslu, protože záměrné přidání nečistot zvyšuje jeho vodivost o řády.

Síra, nekov. Síra je zde jediný vzorek, který neprošel žádným testem. Její molekuly jsou samostatné atomy S₈ kroužky držené pohromadě slabými disperzními silami: žádné delokalizované elektrony, tedy žádná vodivost a žádný lesk; žádná souvislá mřížka, po které by mohlo docházet ke skluzu, takže se spíše rozbije, než aby se deformoval; a žádná tendence odevzdávat elektrony iontům vodíku, tedy žádná reakce s kyselinou.

Nejlepší dirigenti jsou vlevo. Ačkoli by se to na první pohled nezdálo, kovy alkalické a zemalkalické v této sadě vykazují lepší vlastnosti než známé konstrukční kovy. Vápník dosahuje hodnoty přibližně 3,0 × 10⁷ S/m a 201 W/(m·K), čímž předstihují jak železo, tak olovo. Jako vodiče se nepoužívají z očividného důvodu: při kontaktu se vzduchem a vodou korodují nebo reagují. Užitečnost v technice spočívá v kombinaci vlastností, nikoli v jedné jediné.

Reakce s kyselinou. Kov vytěsňuje vodík z kyseliny, pokud se v řadě aktivit nachází nad vodíkem, tedy pokud má záporný standardní redukční potenciál:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂(g)

Zinek (E° = −0,76 V) i železo (E° = −0,44 V) uvolňují nepřetržitý proud vodíkových bublin. „Lead“ je pojem, který vyžaduje upřesnění. Olovo sice reaguje s kyselinou chlorovodíkovou – v elektrochemickém řetězci se nachází nad vodíkem, s E° = −0,13 V –, ale reakce je velmi slabá. Chlorid olovnatý(II), který se při ní tvoří, je jen málo rozpustný, přibližně 10 g/l při pokojové teplotě, takže se téměř okamžitě usazuje na kovu a utěsňuje jeho povrch: objeví se několik bublinek vodíku a reakce se poté prakticky zastaví. Očekávejte spíše slabé a krátkodobé šumění než stálý vývin, jaký lze pozorovat u zinku nebo železa. V tabulce je to zaznamenáno jako „ano“, protože k reakci skutečně dochází, ale student by si měl všimnout, že je slabá, a vysvětlit proč.

Reakce s vodou. Alkalické kovy a těžší kovy zeminy alkalické redukují vodu přímo, přičemž uvolňují vodík a v roztoku zůstává hydroxid kovu:

2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) a Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

Proto je lakmusová zkouška součástí protokolu a ne až dodatečným krokem: šumění vám prozradí, že se vyrábí vodík, a lakmus vám řekne, co po něm zůstalo. Každý prvek, který v této laboratoři reaguje s vodou, dává roztok s pH nad 12 – červený lakmus zmodrá, modrý lakmus zůstane modrý. Reaktivita ve 1. skupině směrem dolů roste, protože vnější elektron je postupně dále od jádra a snadněji se uvolňuje, takže draslík reaguje prudčeji než sodík a sodík prudčeji než lithium. Hořčík je v tomto sloupci jedinou výjimkou: jeho reakce se studenou vodou je příliš pomalá na to, aby byla vidět, i když s párou nebo kyselinou probíhá ochotně.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření vlastnosti, které odlišují kovy, nekovy a polokovy, a pečlivý záznam pozorování.
• Aktivity: spusťte všech šest testů na deseti prvcích a doplňte tabulku výsledků; u každého z pěti prvků v první skupině určete, zda se jedná o kov, nekov či polokov, a uveďte důkazy; pomocí červeného a modrého lakmusového papírku rozhodněte, zda každá reakce s vodou vytvořila zásadu; uveďte, který jeden test byl nejužitečnější a proč.

11. ročník

• Zaměření kovovou vazbu jako vysvětlení fyzikálních vlastností a řadu reaktivity pro ty chemické.
• Aktivity: Vysvětlení elektrické a tepelné vodivosti, lesku a tažnosti (malleability) pomocí delokalizovaných elektronů: Kovy mají mřížku tvořenou kladnými ionty (kationty), v níž se volně pohybují valenční elektrony, které tvoří „moře“ delokalizovaných elektronů. - Vodivost (tepelná a elektrická): Delokalizované elektrony se mohou volně pohybovat a přenášet kinetickou energii (teplo) a elektrický náboj celou strukturou kovu. - Lesk: Volné elektrony na povrchu kovu interagují se světlem (fotonová absorpce a re-emise), což způsobuje odraz světla neboli kovový lesk. - Tažnost (malleability): Vrstvy kationtů po sobě mohou klouzat, aniž by došlo k porušení pevné vazby, protože delokalizované elektrony působí jako „flexibilní lepidlo“, které drží strukturu pohromadě i při deformaci. Rovnice a vyčíslení pro reakce s kyselinou a vodou (obecně pro alkalické kovy, např. sodík): Reakce s vodou: 2 Na (s) + 2 H₂O (l) → 2 NaOH (aq) + H₂ (g) Reakce s kyselinou (např. HCl): 2 Na (s) + 2 HCl (aq) → 2 NaCl (aq) + H₂ (g) Vysvětlení, proč křemík vede teplo, ale ne elektřinu: Křemík je polovodič s kovalentní mřížkou (podobně jako diamant). Teplo se šíří mřížkovými vibracemi (fonony), k čemuž struktura křemíku postačuje. Elektrický proud však vyžaduje volné nosiče náboje (volné elektrony). V křemíku jsou všechny valenční elektrony pevně vázány v kovalentních vazbách, takže nemohou volně protékat, dokud není dodána dostatečná energie (např. zvýšením teploty nebo příměsí) k překonání zakázaného pásu. Seřazení lithia, sodíku a draslíku podle reaktivity a zdůvodnění pomocí atomové struktury: Pořadí od nejméně reaktivního po nejvíce reaktivní: lithium < sodík < draslík. Zdůvodnění: S rostoucím protonovým číslem v podskupině přibývají elektronové slupky. Valenční elektron je dále od kladného jádra a je stíněn vnitřními elektronovými vrstvami. Atomy s větším poloměrem snáze odštěpují svůj valenční elektron, což u alkalických kovů určuje reaktivitu. Draslík má největší atomový poloměr a nejslabší vazbu valenčního elektronu, proto je nejreaktivnější. Vysvětlení, proč hořčík reaguje s vodou negativně („ne“), ale s kyselinou pozitivně („ano“): Hořčík reaguje s chladnou vodou velmi pomalu, protože na jeho povrchu se tvoří nerozpustná ochranná vrstva hydroxidu hořečnatého (Mg(OH)₂), která reakci zastaví (ve standardních tabulkách se proto uvádí „ne“). Kyselina (např. HCl) tuto ochrannou vrstvu okamžitě rozpustí a reaguje přímo s čistým kovem za vzniku plynného vodíku a hořečnatých solí.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření pásová struktura, elektrodové potenciály a meze kvalitativní klasifikace.
• Aktivity: vyvětlete rozdíl mezi kovem, polovodičem a izolantem z hlediska zakázaného pásu a vysvětlete, proč vodivost křemíku s rostoucí teplotou roste, zatímco vodivost kovu klesá; použijte standardní redukční potenciály k předpovědi, které z deseti prvků by měly reagovat s 1 M HCl, a porovnejte předpověď s pozorováními; kvantitativně vysvětlete, proč reakce olova ustane, pomocí rozpustnosti PbCl₂; vypočítat očekávané pH z uvedené hmotnosti lithia reagujícího zcela v známém objemu vody; identifikovat, které položky v tabulce by se změnily, pokud by vzorky nebyly zbroušeny, a navrhnout test, který by odlišil pomalou reakci od žádné reakce.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Detektor elektrické vodivosti (DCE)
• Kleště
• Smirkový papír
• Kádinky 50 ml × 5
• Kádinky 100 ml ×5
• Kapátko
• Červený a modrý lakmusový papírek
• tabulka pH
• Papírová utěrka
• Rukavice a ochrana očí

Produkty

• Kyselina chlorovodíková, HCl 1 M (roztok)
• Deminerializovaná voda
• Zinek (s)
• Síra (s)
• Křemík (s)
• Železo (s)
• Olovo (s)
• Lithium (s)
• Sodík (s)
• Draslík (s)
• Hořčík (s)
• Vápenec (pevná látka)