Általános kémia
9-1 A KÉMIAI ELEMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE
1. Izotópok: ugyanazon elem izotópjainak fizikai és kémiai tulajdonságai csak kismértékben különböznek. 2. Allotróp módosulatok: csak atomjaik kapcsolódási sorrendjében különböznek egymástól Polimorfizmus: grafit-gyémánt •
Kémiai sajátságaik megegyeznek,
•
Fizikai sajátságaik lényegesen különbözhetnek.
3. Az atomok elıfordulása
Általános kémia
9-2
4. Az elemek fizikai tulajdonságai fizikai tulajdonságok – elektronhéj szerkezet Atomok közötti kötések – atomok mérete – rácstípus ─ kristályszerkezet
•Az elemek sőrősége Hidrogén: ς=0,08 g/cm3 (13 K); Ozmium: ς=22,5 g/cm3 (293 K) Atomtömeg (molekulatömeg) – atomrádiusz (molekularádiusz) – kristályszerkezet •Olvadás- és forráspont Rácstípus – atomok, ill. molekulák közötti kötés erıssége Gyémánt olvadáspontja: 4000 K •Fényelnyelés (szín), fényvisszaverés (fény), fényáteresztı képesség (átlátszóság), elektromos vezetıképesség, hıvezetı képesség
Általános kémia
9-3
5. Az elemek kémiai tulajdonságai Elektronegativitás (EN) Legreakcióképesebb elemek: kicsi EN – pozitív jellemő elemek nagy EN – negatív jellemő elemek Standard elektródpotenciálok (vizes oldatokban) Kémiai egyensúly, disszociációs állandó (vizes oldatokban) Reakció hidrogénnel - a hidrogén oldódik az átmeneti fémekben; - sószerő hidridek (alkálifémek és földfémek); - nemfémes elemekhez poláris kötéssel kapcsolódik. Reakció oxigénnel - oxidok keletkeznek
Általános kémia
•
Reakció vízzel - nagy EN-ú elemmel lejátszódó reakció - kisebb EN-ú elemmel lejátszódó reakció
•
Reakció savakkal - a nemfémek általában nem reagálnak - hidrogénnél negatívabb standardpotenciálú elemek (védıréteg) - hidrogénnél pozitívabb standardpotenciálú elemek (passziválódik)
•
Reakció lúgokkal - nemfémes elemek reakciói (diszproporcionálódás) - amfoter jellemő fémek hidroxokomplex formájában
9-4
Általános kémia 6. Elemek elıállítása Elıfordulás elemi állapotban: Szétválasztás (fizikai és kémiai módszerekkel) Elıfordulás vegyületek formájában: Oxidációs eljárással Redukciós eljárással - katódos redukció - szenes vagy szén-monoxidos redukció - karbotermikus - aluminotermikus - redukció hidrogénnel Termikus disszociáció - Mond-féle eljárás - Van Arkel és de Boer eljárás
9-5
Általános kémia
9-6 NEMFÉMES ELEMEK
HALOGÉNEK A külsı elektronhéj szerkezete: s2p5 Oxidációs szám: -1, +1, +3, +5, +7 (kiv.: fluor)
Általános kémia
9-7
Általános kémia
9-8
Élettani hatások: •Fluor, klór mérgezı, légzıszerveket támadja meg; •Folyékony bróm a bırön nehezen gyógyuló sebeket okoz, gızei mérgezıek; •A jódgızök a szem és az orr nyálkahártyáját ingerlik. Kémiai tulajdonságok: A reakcióképesség F>Cl>Br>I sorrendben változik •Reakció hidrogénnel •Reakció fémekkel •Reakció halogenidekkel •Reakció vízzel •Reakció lúgokkal
Jód kimutatása keményítıvel
Általános kémia
9-9
Elıállítás: Klór: laboratóriumban: KMnO4-, és MnO2-ból iparban: NaCl vizes oldatának elektrolízisével Felhasználás: fluor: mőanyaggyártás; klór: víz fertıtlenítés, mőanyaggyártás; bróm: fényképezés, gyógyszerek, szerves színezékek; jód: fertıtlenítıszer, laboratóriumi reagens HIDROGÉN-HALOGENIDEK H2F2, HCl, HBr, HI Fizikai tulajdonságok: •Színtelen, szúrós szagú, maró hatású gázok; •Alacsony OP, Fp; (molekularács!) •Komprimálva könnyen cseppfolyósíthatók •Vízben jól oldódnak, meghatározott összetételnél azeotróp elegyet alkotnak (HCl-oldat: 20,24 m/m%) •Vizes oldatuk savas kémhatású, erıs savak (kiv.: H2F2) •A H2F2 oldja az üveget!
Általános kémia VI. OSZLOP ELEMEI A külsı elektronhéj szerkezete s2p4
9-10
Általános kémia
9-11
Az oxigéncsoport elemeinek fontosabb allotróp módosulatai
Kén
Általános kémia
9-12
Élettani hatásaik: Oxigén: levegıben (21%)
Ózon: mérgezı, de elnyeli a rövid hullámhosszúságú UV sugárzást, és a Föld hıháztartásában jelentıs szerepet játszik. A kén fehérjék alkotórésze, szelén, tellúr mérgezı hatásúak. AZ OXIGÉNCSOPORT HIDROGÉNVEGYÜLETEI •Poláris kovalens kötéső molekulák •Molekulák között van der Waals kölcsönhatás (kiv.: H2O)
Általános kémia
9-13
Víz (H2O) Fizikai sajátságai: •Op: 0°C, Fp: 100°C •Sőrőségmaximum: 3,98°C •A jég sőrősége kisebb, mint a folyékony vízé •A víznek nagy a fajlagos hıkapacitása
Vízlágyítás: •Csapadékos vízlágyítás termikus úton; mész-szódás eljárás; nátrium-foszfátos eljárás •Ioncsere
Általános kémia
Kén oxidjai és oxosavai Kén-dioxid (SO2) •Színtelen, szúrós szagú gáz •Könnyen cseppfolyósítható •Nem éghetı, az égést nem táplálja •Vízben jól oldódik •Redukáló hatású Elıállítása: kén égésével, pirit pörkölésével
Kénsav: •Színtelen, nagy sőrőségő folyadék •Vízzel minden arányban elegyedik •Nedvszívó Elıállítása:
9-14
Általános kémia NITROGÉNCSOPORT A külsı elektronhéj szerkezete: s2p3 Oxidációs számok: N: -3 ─ +5; P, As, Sb:-3, +3, +5; Bi: +3, +5
9-15
Általános kémia
Foszfor:
Élettani hatásaik: Nitrogén: fehérjék, aminosavak alkotórésze; fehérfoszfor: erısen mérgezı, vörösfoszfor: nem mérgezı, nukleinsavak alkotórésze;
9-16
Általános kémia
A nitrogéncsoport elemeinek vegyületei:
9-17
Általános kémia
9-18
Ammónia (NH3) •Színtelen, szúrós szagú gáz •Vízben jól oldódik •Mőtrágya, robbanóanyag Elıállítása:
laboratóriumban: ammónium-sókból; iparban: Haber-Bosch-eljárás (500°C, 20-200 MPa, Fe katalizátor)
A SZÉNCSOPORT A külsı elektronhéj szerkezete: s2p2
Általános kémia
9-19
A szén allotróp módosulatai: Gyémánt
grafit
fullerén
A szén vegyületei: Szén-monoxid (CO) •Redukálószer •Erıs méreg Szén-dioxid (CO2) •Színtelen, szagtalan gáz •Szárazjég (-78°C) Szénsav (H2CO3)
(nanocsövek)
Általános kémia
9-20 FÉMEK
A fémek általános jellemzése Elıfordulás: •Elemi állapotban (nemes fémek) •Vegyületeikben (oxidok, szulfidok, karbonátok, halogenidek, szilikátok)
Általános kémia
9-21
Fizikai tulajdonságok: •Átlátszatlanok, fémes fényőek, szilárd halmazállapotúak (kiv.: Hg) •Kristályrács: lapon középpontos vagy térben középpontos kockarács, hexagonális rendszer •Sőrőség: könnyő fémek (ς< 5 g/cm3, Al, Y, Ti, Li, Na, K) nehéz fémek (ς> 5 g/cm3, Oz) Mechanikai jellemzık: •rugalmasság, képlékeny alakíthatóság •Olvadáspont W: 3140°C •Forráspont W: 5930°C; Hg: 357°C •Oldhatóság: oldószerekben fizikailag nem oldódnak (kiv.: NH3 alkálifémek és alkáliföldfémek esetén), ötvözetek
•Elektromos vezetés ─ SÁVELMÉLET •Fémek nyújthatósága •A fémek átlátszatlansága, fémes fénye •A fémek elektromos vezetıképessége
Általános kémia
9-22
•A fémek elektromos vezetıképessége
Energiasávok vezetı anyagban
Energiasávok szigetelıben
Fémek: vezetıképessége a hımérséklet emelésével csökken. Félvezetık: a vezetıképesség a hımérséklet emelkedésével nı. Szupravezetés (Kammerling-Onnes 1908) elektromos vezetés 1-20 K
Általános kémia Kémiai tulajdonságok: Vegyületekben pozitív oxidációs számmal fordulnak elı. EN ↔ reakcióképesség
9-23
Általános kémia
9-24
Oxidációs szám ↔ sav-bázis jelleg •Kis oxidációs számú vegyületekben (+1-+3) oxidok bázisanhidridek, hidroxidjaik bázisok (kiv.: SnO, PbO, ZnO, Al2O3, Cr2O3 amfoterek) •+4 oxidációs állapotú fémek oxidjai és hidroxidjai mindig amfoterek •+5 oxidációs állapottól a fémek összetett anionokat alkotnak; oxidok savanhidridek
Metallurgiai módszerek Érc: minden olyan ásvány, amelybıl a fém gazdaságosan kinyerhetı
A fém kinyerése ércbıl: •Dúsítás (meddı eltávolítása) •Redukció (fém elıállítása) •Finomítás (a keletkezett fém tisztítása)
Általános kémia
9-25
Dúsítás
Mágneses ércdúsítás
Flotálás
Kilúgozás (Al-gyártás)
Általános kémia
9-26
Általános kémia Finomítási eljárások •Vizes oldatok elektrolízise
•Fémek közvetlen desztillációja (Mg, Hg, Zn) •Zónaolvasztás (Ga, Ge, Si)
9-27
