Kémia I. (Általános Kémia, Szervetlen Kémia)
˝ eloadó: Szieberth Dénes
kérdések:
[email protected]
– p. 1
A hidrogén
– p. 2
A hidrogén
Atom általános jellemzése: Elektronszerkezet: 1s1 mag szerkezete: 1 H: prócium, 2 H vagy D: deutérium, 3 H vagy T: trícium gyakoriság: univerzum leggyakoribb eleme, földfelszínen 3.(atom) ill 9.(tömeg) Molekula általános jellemzése: olvadáspont: 14.01K; forráspont: 20.28K kritikus pont: 32.97K, 1.293 MPa sur ˝ uség ˝ (273K, 101.325 kPa) 0.08988 g/L; 20K: 70.99 g/L; disszociációs energia: 435.9 kJ/mol orto ill. para -hidrogén
– p. 3
A hidrogén
˝ elofordulás: légkörben kb. 1 ppm (elszökik) elemi formában: biológiai tevékenység eredménye vegyületeiben: víz, szénhidrogének ˝ Eloállítás: ˝ iparban (szükséges mennyiség, tisztaság, alapanyagok elérhetosége): C + H2 O = CO + H2 CH4 + H2 O = CO + 3H2 C3 H8 + 3H2 O = 3CO + 7H2 (Ni katalizátor, 900 ◦ C) CO + H2 O = CO2 + H2 (Fe v. Co -oxid, 400 ◦ C) elektrolízis (klóralkáli) fermentáció ?
– p. 4
A hidrogén
˝ Eloállítás: laboratóriumban: ˝ fémhidridekbol CaH2 + 2H2 O = Ca(OH)2 + 2H2 alkáli ill. alkáliföldfémek oldása vízben Ca + 2H2 O = Ca(OH)2 + H2 fémek oldása savakban ill. lúgokban Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 ill. 2Al + 6H2 O + 2OH − = 2Al(OH)− 4 + 3H2
Felhasználás: ammóniaszintézis, sósavgyártás szénhidrogének reformálása (hidrokrakkolás, hidrodeszulfurizálás) növényi olajok hidrogénezése hidroformilezés (pl: CO + 2H2 = M eOH) ércek redukálása (W, Mo, Fe) energiaszállítás
– p. 5
A hidrogén
– p. 6
A hidrogén
Különlegességek: protonálódási egyensúlyok (savak és bázisok) hidrogénhidak (víz, jég, fehérjék, DNS) oldódás fémekben (P d, F eT i, LaN i5 , F e)
– p. 7
A hidrogén
– p. 8
Alkálifémek
Általános jellemzés: Elektronszerkezet: (n − 1)s2 (n − 1)p6 ns1 Egy elektron elvesztésével nemesgázszerkezet, alacsony elektronegativitás: általában +1 -es töltéssel fordulnak elo˝ vegyületekben ˝ spektroszkópia a látható tartományban Külso˝ elektron könnyen gerjesztheto: ˝ redukálószerek (könnyen leadott elektron, Rendkívül reaktívak, eros ˝ oxidálódnak pl. a víz hidrogénjét is redukálják), levegon ˝ ˝ Fémes szerkezetuek, ˝ jó elektromos és hovezet ok Folyékony ammóniában jól oldódnak, azonos kék színnel Lítium: 3 (szobahomérsékleten ˝ sur ˝ uség:0.534g/cm ˝ legkönnyebb szilárd anyag)
˝ magas fajlagos hokapacitás Li/Li2+ rendszer elektródpotenciálja magas
– p. 9
Lítium
˝ elofordulás: földkéregben kb. 18 ppm elemi formában nem fordul elo˝ vegyületeiben: LiAl(SiO3 )2 (spodumen)
˝ Eloállítás: spodumen -> forró kénsavas oldás -> Li2 SO4 -> nátrium-karbonátos kezelés -> Li2 CO3 -> sósavas oldás -> LiCl -> olvadékelektrolízis
– p. 10
Lítium
Felhasználás: ˝ Lítium-sztearát: kenozsírok Lítium karbonát: üvegek edzése, mániás-depressziós pszichózis kezelése Alumíniugyártáshoz olvadék olvadáspontjának csökkentésére ˝ Alumínium ötvözojeként szerkezeti anyagokhoz LiOH: kis tömegu˝ szén-dioxid abszorber (urhajózás, ˝ tengeralattjárók) LiAlH4 , Li/N H3 , LiR : szerves kémiai reagensek elemek, akkumulátorok
– p. 11
Lítium
– p. 12
Nátrium
˝ elofordulás: földkéregben kb. 2.7 % elemi formában nem fordul elo˝ ˝ vegyületeiben: N aCl: kosó, tengervíz; N a2 CO3 · N aHCO3 · 2H2 O: trona; N aN O3 : salétrom ...
– p. 13
Nátrium
˝ eloállítás: sóolvadék elektrolízisével
– p. 14
Nátrium
Felhasználás fémként (egyedül az USA -ban 200 000 tonna/év): ˝ Ti, Zr eloállítása redukcióval ˝ hocserél o˝ folyadékként atomreaktorokban nátriumlámpákban szerves reagensek redukciója és szárítása felhasználás vegyületeiben (a szervetlen vegyipar legnagyobb tömegben használt ˝ 150 000 000 tonna évente) : alapanyagai, egyedül NaCl -bol ˝ NaCl: táplálkozás, útsózás, hut ˝ ofolyadék, alapanyag (detergensgyártás, szódagyártás, klór, NaOH, Na, ...) N a2 CO3 : üveggyártás, tuzoltókészülékek, ˝ lúgosítás (NaOH helyett) N aOH: bárhol ahol savak semlegesítésére vagy lúgos közegre van sükség, több 10 millió tonna évente N a2 SO4 : papírgyártás ˝ N a2 O2 : légzokészülékekben (+CO2 = N a2 CO3 + 1/2O2 )
– p. 15
Nátrium
– p. 16
Nátrium
– p. 17
Nátrium
– p. 18
Kálium
˝ elofordulás: földkéregben kb. 1.84 % elemi formában nem fordul elo˝ vegyületeiben: KCl: szilvin, Holt-tenger, Nagy sós tó KCl · M gCl2 · 6H2 O: karnallit; ˝ eloállítás: redukció nátriummal (???!) N a(g) + K + (l) = N a+ (l) + K(g) : K illékonyabb, eltolja az egyensúlyt felhasználás fémként: ˝ hoátadó közeg oldószerek szárítása
– p. 19
Kálium
felhasználás vegyületeiben: K2 CO3 : üveggyártás KN O3 : oxidálószer, pirotechnika KM nO4 : oxidálószer KClO3 : gyufák, pirotechnika
– p. 20
Alkáliföldfémek
Általános jellemzés: Elektronszerkezet: ns2 , kis elso˝ és második ionizációs energia, lángfestés gyakoriság: Be: 2ppm, Mg, Ca: 4%, Sr, Ba : 400ppm elemi állapotban nem fordulnak elo˝ ezüstfehér, puha fémek magasabb sur ˝ uség, ˝ fp, op mint az alkálifémek (méret, 2 elektron a kötésre) ˝ Be: kivétel, nem reagál szobahomérsékleten vízzel, oxigénnel, inkább Al -re hasonlít (diagonálszabály: jobbra és lefelé ellentétes hatással van a periódusos rendszerben pl. atomsugár, elektronegativitás esetében, így Li-Mg, Be-Al, B-Si hasonlítanak) (elso˝ periódus általában kiugró tulajdonságokkal rendelkezik a többihez képest; nincsen a külso˝ héjuk alatt p-elektron) ˝ kevésbé reaktívak mint az alkálifémek: M g + 2H2 O = M g(OH)2 + H2 Mg: goz, Ca: forró víz oxigénnel reagálnak +2 töltésu˝ ionokat képeznek – p. 21
A berillium
˝ Elofordulás: Al2 Be3 Si6 O18 (berill, akvamarin (Cr) , smaragd (Fe)) ˝ Eloállítás: ˝ N a2 SiF6 -os pörköléssel BeF2 , majd redukció Mg -vel vagy berillbol, olvadékelektrolízis Tulajdonságok: ˝ erosen mérgezo˝ (enzimekben az Mg helyére köt) a fém kemény, rideg, magas op. (könnyufémek ˝ közül a legmagasabb, 1278◦ C) felületét összefüggo˝ oxidréteg védi Felhasználás: ˝ ötvözoként rézhez és nikkelhez (keménységet növeli) röntgensugárzás-átereszto˝ ablak neutronmodulátor rakétafúvókák, hangsugárzók (magas)
– p. 22
Magnézium
˝ Elofordulás: tengervíz (0.13%) CaM g(CO3 )2 : dolomit karbonát (magnezit), szulfát, szilikátok, ... ˝ Eloállítás: ˝ kicsapatás a jobban oldódó kalcium-hidroxiddal, tengervízbol: Ca(OH)2 (f ) + M gCl2 (f ) = M g(OH)2 (s) + CaCl2 (f ) majd szurés, ˝ újraoldás sósavban (M gCl2 (l)) és elektrolízis dolomitból: CaM g(CO3 )2 kalcinálása (hevítése) CaO · M gO -vá, majd redukció ferroszilíciummal CaM g(CO3 )2 (s) = CaO · M gO(s) + CO2 (g) (F e, Si)(s) + M gO(s) = F e(s) + SiO2 (s) + M g(g) CaO + SiO2 = CaSiO3 ˝ A reakció termodinamikailag nem kedvezményezett, de a magnéziumgozök (magas ˝ homérséklet) eltávolításával a termék irányába tolható
– p. 23
Magnézium
Tulajdonságok: felületét összefüggo˝ oxidréteg védi ˝ meggyújtva rendkívül fényes lánggal ég M gO és M g3 N2 képzodése ˝ levegon közben sur ˝ uség: ˝ 1.7g/cm3 , olvadáspont: 650◦ C Felhasználás fémként: ˝ ötvözoként alumíniumhoz (könnyu, ˝ szilárdság) 300000 tonna/év ˝ (könnyuszerkezetek, ˝ repülogépek, motorblokkok, italosdobozok ...) pirotechnika ˝ más fémek eloállítása redukcióval (titán, urán ...) áldozati anód korrózióvédelemben
– p. 24
Magnézium
– p. 25
Magnézium
Vegyületeinek felhasználása: ˝ ˝ ˝ ˝ M gO: hoálló burkolatok, fut ˝ otestek (elektromos szigetelo˝ de jó hovezet o) M g(OH)2 gyenge bázis, vizes szuszpenziója antacidként használatos Grignard-vegyületek (RM gX): ˝ eloállítás: RX(f ) + M g(s) = RM gX (éteres oldatban) felhasználás:
– p. 26
Kalcium
˝ Elofordulás: ˝ márvány (CaCO3 , kalcit, aragonit) mészko, gipsz (CaSO4 · 2H2 O), anhidrit (CaSO4 ) fluorit (CaF2 ), apatit (Ca5 (P O4 )3 F ) ˝ Eloállítás: ˝ CaCl2 olvadékelektrolízisébol Felhasználás fémként: ˝ ötvözoként alumíniumhoz ˝ más fémek eloállítása redukcióval (Cr, Zr, ...) ˝ (oxigén, kén, foszfor, nitrogén) megkötése metallurgiában ill. gázokból szennyezok
– p. 27
Kalcium
Vegyületeinek felhasználása: ˝ CaCO3 : mész (CaCO3 → CaO + CO2 , cement és habarcs eloállítása, vasgyártás ˝ üveggyártás, fogkrémek (salakképzo), ˝ ˝ CaO (égetett mész) és Ca(OH)2 (oltott mész): építoipar, magnézium eloállítása, vízkezelés (Ca(OH)2 + Ca(HCO3 )2 = 2CaCO3 + 2H2 O), ipari vizek pH -beállítása, gázmosás (SO2 , H2 S), kalcium-karbid gyártása, papíripar, tejipar, cukorgyártás CaSO4 · 2H2 O: gipsz (hevítésre hemihidrát) Ca3 (P O4 )2 : mutrágya, ˝ takarmánykiegészíto˝
– p. 28
Stroncium, Bárium
˝ Elofordulás: SrSO4 (cölesztin), SrCO3 (stroncianit) BaSO4 barit ˝ Eloállítás: aluminotermia vagy kloridok olvadékelektrolízise Felhasználás: BaSO4 : fúróiszap, kontrasztanyag (mérgezés??!) ˝ ötvözoanyag BaCO3 , SrCO3 (ill. oxid) fluoreszcens fényforrások katódanyaga pirotechnika (lángfestés)
– p. 29
Bór
˝ Elofordulás: 9ppm a földkéregben, borátokban és szilikátokban (rengeteg különbözo˝ szerkezet) néhány fontosabb ásványa: bórax (N a2 [B4 O5 (OH)4 ] · 8H2 O vagy N a2 B4 O7 · 10H2 O), colemanit (Ca2 [B3 O4 (OH3 )]2 · 2H2 O)
– p. 30
Bór
Tulajdonságok: elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p1 , magas ionizációs energia, 2 stabil izotóp (10 B,11 B) számos allotrópot képez, kovalens kötésekkel
˝ ilyen ikozaéderek rendezodnek el különbözo˝ (romboéderes, tetragonális, stb) szerkezetekben magas op (2076 ◦ C), kemény
– p. 31
Bór
˝ Eloállítás: redukció magnéziummal elektrolízis sóolvadékból Felhasználás elemként: ˝ szálak készítése kompozit anyagokhoz (repülogépipar) Vegyületei (gyakorlatilag a teljes periódusos rendszerrel vegyületeket képez, rendkívül változatos kötésszerkezettel) közül néhány példa: fémboridok: nagyon magas op (> 3000 ◦ C) : rakétafúvókák, reaktorok burkolata, turbinalapátok ˝ uvekben bór-karbid: a 10 B jó neutronelnyelo˝ képessége miatt atomerom ˝ pajzs és szabályozórúd, bórterápia bór-nitrid: izoelektronos a szénnel, grafit és gyémántszeru˝ módosulatot és ˝ fulleréneket is képez, gyémántanalógja rendkívül kemény, a grafitanalóg kenoanyag
– p. 32
Bór
Vegyületei (folytatás): borazin: szervetlen benzol
diborán: 3c2e kötés, hidrobórozás, lewis-sav: lewis-bázisokkal komplexet képez
˝ bórax: üveggyártás (hoálló boroszilikát üvegek, pl. laboratóriumi edények) ˝ ˝ perborátok: fertotlenít o˝ és fehérítoszerek
– p. 33
Alumínium
Tulajdonságok: elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 fém, kis sur ˝ uség ˝ (2.7 q/cm3 ), alacsony op (660 ◦ C): kontraszt a bórral, hasonlít a ˝ következokre (Ga, In) könnyen alakítható felületi oxidréteg védi ˝ Elofordulás: 8% a földkéregben, leggyakoribb fém, 3. leggyakoribb elem földpátok (pl. KAlSi3 O8 ), csillámok, bauxit (AlO(OH): böhmit, diaszpor ill. Al(OH)3 : hidrargilit, gibbsit)
– p. 34
Alumínium
˝ Eloállítás: bauxit (tartalmaz szilícium-, vas- és titán-oxidokat) tisztítása: oldás forró NaOH -ban: Al2 O3 + 2OH − + 3H2 O = 2[Al(OH)4 ]− a többi oxid nem oldódik fel: vörösiszap Al(OH)3 kikristályosítása hutéssel ˝ és higítással ˝ Al2 O3 eloállítása kalcinálással ˝ bauxitból eloálló alumínium-oxid elektrolízise:
– p. 35
Alumínium
Felhasználás fémként: ˝ szerkezeti anyagok (foként ötvözetei), fóliák, csomagolások (korrózióvédelmük: eloxálás) tükrök, festékek (pigment) ˝ hut ˝ ˝ ˝ elektromos vezetok, ˝ obordák, hocserél ok pirotechnika vízkezelés (flokkulálás) ˝ aluminotermia (pl. Cr, Nb eloállítása, sínhegesztés)
– p. 36
Alumínium, Gallium, Indium
Alumínium felhasználása vegyületeiben: LiAlH4 : szerves szintézisekben (hidrogénezés, redukálószer) AlCl3 : Lewis sav -típusú katalizátor (Friedel-Crafts reakciók, alkilezés, acilezés) ˝ Al2 O3 : csiszolóanyag (fogkrémben is), hoszigetelések, szálak (azbeszt kiváltása) portlandcement (több 100 megatonna évente): mészko˝ + agyag (aluminoszilikát) -> darálás, hevítés (CO2 keletkezése) -> klinker -> +gipsz, újra darálás Gallium, Indium: ˝ ˝ dopeolás Ga: eloállítás bauxitból, alacsony op (30◦ C) felhasználás: GaAs félvezetok, ˝ In: eloállítás cinkgyártás melléktermékeként, felhasználás: ITO, indium-ón-oxid, ˝ folyadékkristályos képernyok ˝ (LCD) gyártása átlátszó vezeto,
– p. 37
Indium
– p. 38
Szén
elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p2 ˝ izotópok: 12 C: 98.93%; 13 C: 1.07%, NMR; 14 C 1ppt (foként az atmoszférában, ˝ a kozmikus sugárzás hatására), kormeghatározás. nitrogénbol ˝ ˝ ˝ elofordulás: elemi formában, légkörben: CO2 , kéregben: karbonátok, koszén, koolaj, földgáz módosulatok (legstabilabb a grafit):
– p. 39
Szén
Tulajdonságok: grafit
gyémánt
sur ˝ uség ˝ [g/cm3 ]
2.2
3.5
keménység (Mohs)
<1
10
10−4 (a,b), 1(c)
1014 − 1016
fekete
átlátszó
nagyon rossz
legjobb
el. vezetés ωcm szín ˝ hovezetés
kémiailag ellenállóak, sem savakban sem lúgokban nem oldódnak (grafit forró cc HN O3 -ban igen) ˝ oxidációja erosen exoterm, más oxidok redukálására (ill. futésre) ˝ használható legtöbb fémmel karbidokat képez (pl.acél, vídia) képes 4 egyforma kötés létesítésére: hibridizáció képes nagyon hosszú láncok képzésére
– p. 40
Szén
grafit felhasználása: természetes és mesterséges formáját is használják (Mt nagyságrend). Gyártás: SiO2 + 2C
−2CO
→
SiC
2500◦ C
→
Si(g) + graf it
˝ ˝ acélgyártás, olvasztótégelyek, hopajzsok, kenoanyagok, szénszálak, ceruzák, elektródák, tuzoltóanyag(!) ˝ ...
gyémánt felhasználása: ˝ ol ˝ ill. hordalékos kozetekb ˝ ˝ és mesterséges eredet természetes (kimberlitkürtokb ol) (HPHT: 1500 ◦ C, 5GPa, CVD, DND) ˝ ˝ hoelvezetés ˝ vágás, orlés, csiszolás, spec. csapágyak, gyémántüllo, (lézerdiódák) fullerének felhasználása: "nanotechnológia" – p. 41
Szén
amorf szén (koksz, korom, aktív szén) felhasználása: ˝ ˝ ol ˝ elzárt hevítésével nyerik. Felhasználás: koksz: koszén ill. kátrány levegot ˝ acélgyártás, tüzeloanyag korom: szénhidrogénk tökéletlen égése során keletkezik, nagy felület, felhasználása: ˝ gumik töltoanyaga (mechanikai tulajdonságok), pigment aktív szén: nagyon nagy felület/tömeg arány (2000 m2 /g is lehet), széntartalmú ˝ anyagok (furészpor, ˝ tozeg) vízelvonó ill. a szerves részeket oxidáló szerekkel együtt hevítve. Felhasználás adszorbensként (cukoripar, víz és gázok tisztítása, katalizátor. Vegyületek és felhasználásuk (példák): karbonátok: alkáli és alkáliföldfémeknél szerepelt CO: toxikus (hemoglobinhoz sokkal jobban köt mint az oxigén). Keletkezés: tökéletlen égés, vízgázreakció, generátorgáz. Felhasználás: hidroformilezés (aldehidek gyártása), ecetsavgyártás, Ni tisztítása (Mond-eljárás)
– p. 42
Szén
˝ ˝ CO2 : eloállítás: földgáz, égéstermék, hidrogén eloállítás mellékteréke, karbonátok oldása savban. Felhasználás: szilárdan hutésre ˝ (gáz összenyomása -> lehutés ˝ -> kiterjesztés: szénsavhó -> préselés), szuperkritikus folyadék: oldószer, gázként: ˝ ˝ üdítoitalok, hajtógáz, védogáz, tuzoltókészülékek, ˝ lúgos szennyvizek semlegesítése, ˝ karbamid eloállítása (muanyagok, ˝ mutrágya) ˝ ˝ CS2 oldószer, celofán, viszkóz, muselyem ˝ eloállítása. ˝ ˝ cianidok. HCN: HCN, cianidok: HCN eloállítása: ammónia + metán, HCN -bol szerves szintézisek, muanyagok ˝ prekurzora, cianidok: bányászat ciánamid (CaC2 + N2 = CaN CN + C): muanyagipar ˝
– p. 43
Szilícium
elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 ˝ ˝ földkéreg második elofordulás: elemi formában nagyon kis mennyiségben fordul elo, leggyakoribb eleme ( 26%), rendkívül változatos összetételu˝ és szerkezetu˝ ásványai vannak (SiO2 : homok, kvarc, kova, opál, kovaföld; szilikátok: földpátok, csillámok, agyagok, azbeszt) kristályszerkezete: gyémántrács, op: 1414◦ C, vö 3800 ◦ C félvezeto˝ ˝ ˝ szobahomérsékleten viszonylag inert, magas homérsékleten szinte minden elemmel reagál, lúgokban oldódik: Si + 4OH − = SiO4− + 2H2 , fluor megtámadja
– p. 44
Sávszerkezet
– p. 45
Szilícium
˝ Eloállítása: SiO2 (homok) redukciója koksszal (96-99 % -os tisztaság): SiO2 + 2C = Si + 2CO, ˝ 2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO (SiO2 feleslegben, vö: grafit eloállítás) ! ˝ SiHCl3 (szilikongyártás) -> desztilláció -> redukció -> zónaolvasztás; vagy hobontás és egykristály növesztése Felhasználása elemként: ˝ ˝ más elemek eloállítása oxidjaikból, ötvözoként ˝ félvezetoipar (oxidálás -> fényérzékeny réteg -> maszkolás -> megvilágítás -> leoldás -> maratás (HF) -> dopeolás) Vegyületei és felhasználásuk: szilikátok: cement, beton, tégla, üveg, kaolin: porcelángyártás ˝ SiO2 : kovaföld: szur ˝ oanyag; kvarc: UV -átereszto˝ ablak, laboratóriumi üvegek, ˝ "aeroszil": gumik és muanyagok ˝ töltoanyaga SiC (karborundum): csiszolás, vágás szilikonok (polisziloxánok): Si + 2M eCl = M e2 SiCl2 , majd hidrolízis – p. 46
Szilikonok a mindennapi életben
−Si(R2 ) − O − Si(R2 ) − O− – p. 47
Szilikonok a mindennapi életben
−Si(R2 ) − O − Si(R2 ) − O− – p. 47
Germánium
˝ ˝ elofordulás: 1.5 ppm, Zn ércek kíséroje kristályszerkezete: gyémántrács, op: 938◦ C félvezeto˝ ˝ ˝ ˝ Kioldás kénsavban, majd lecsapás NaOH eloállítás: Zn -t eloállító kohók pernyéjébol. -val (Ge(OH)2 , Zn(OH)2 keverék 10% Ge) HCl,Cl2
−→
GeCl4
deszt(op:83◦ C.),hidr.
−→
H
2 Ge, majd zónaolvasztás. GeO2 −→
felhasználás: régen: tranzisztor, most: IR ablakok, napelemek; GeO2 : optikai szálak; GeSbT e: újraírható DVD -k; SiGe: gyors integrált áramkörök
– p. 48
Ón
˝ elofordulás: 2.1 ppm, SnO2 (kassziterit) kristályszerkezete: 2 fontos allotróp; ˝ β (fehér) ón: szobahomérsékleten stabil, tetragonális rács, fém, op: 232◦ C, sur ˝ uség: ˝ 7.4 g/cm3 α (szürke) ón: 13◦ C alatt stabil, rideg, törékeny (por), gyémántrács. Átalakulás: ónpestis (már átalakult α -szemcse katalizálja) ˝ eloállítás: redukció koksszal (SnO2 + C → Sn + CO2 ), majd a vasszennyezés ˝ újraoxidálása (könnyeb mint az óné) intenzív keveréssel levegon felhasználás: korrózióvédo˝ bevonat: (bádog, pozitívabb elektródpotenciáljú mint a vas, sérülés esetén nem véd tovább): pl. konzervek, italosdobozok ötvözetek: bronz (Cu/Sn), forrasztóón (Sn/Pb, Sn/Ag/Cu, Sn/Sb, Sn/In), betufém ˝ (Pb/Sb/Sn) floatüveggyártás Sn(II) -sók: redukálószer vizes (savas) oldatokban, katalizátorok SnO2 : üveggyártás, átlátszó + vezeto˝ bevonatok
– p. 49
Ólom
˝ elofordulás: 13 ppm, P bS (galenit), P bSO4 (anglezit), P bCO3 (cerusszit) kristályszerkezete: lapcentrált köbös, op: 327◦ C, sur ˝ uség: ˝ 11.3 g/cm3 , lágy fém ˝ sok enzimrendszert gátol, eltávolítás eros ˝ komplexképzovel ˝ mérgezo, (EDTA) ˝ eloállítás: érc dúsítása flotációval, majd pörkölés (P bS + 1.5O2 → P bO + SO2 ), ezután vagy redukció koksszal, vagy reagáltatás friss szulfidérccel: 2P bO + P bS → 3P b + SO2 (reakciós eljárás) tisztítás: réz: kifagyasztás; Sn, As, Sb: oxidáció; Ag, Au: Zn -nel kioldás; mindezek után elektrolízis felülete könnyen passziválódik (oxid, oxokarbonát, szulfát, klorid), forró tömény kénsav se támadja meg, de pl. ecetsav lassan oldja. Vízben agresszív CO2 (H2 CO3 + CO2 = 2HCO3− ) oldja felhasználás: ˝ akkumulátorok, lövedékek, nehezékek, sugárzásvédo-pajzsok, régebben: ˝ ˝ csovezeték, tetoburkolatok szerves ólomvegyületek régebben kopogásgátlók (tetraetil-ólom) színes sók: pigmentek (visszaszorulóban), zománcszínezékek
– p. 50
Nitrogén
˝ elofordulás: atmoszféra 78% -a, kéregben 19ppm; salétrom (KN O3 ), Chilei salétrom (N aN O3 ) elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p3 , kétatomos molekulákat képez (háromszoros kötés), fp: -195◦ C rendkívül inert, oxidálni természetben csak a villámcsapás és igen heves tüzek tudják ˝ "eloállítása": levego˝ cseppfolyósítása és frakcionált desztillációja ˝ felhasználás elemként: inert atmoszféra biztosítása, hut ˝ oközeg ˝ ˝ szobahomérsékleten csak Li -vel képez nitridet, magas homérsékleten átmenetifémekkel, alkáliföldfémekkel, B, Al, Si -vel nitrideket alkot, ill. közel mindegyik nemfémes elemmel kovalens kötéseket ˝ válogatás fontosabb vegyületeibol: azidok: N3− : nátrium-azid: légzsákok gyors felfújása (2N aN3 → 2N a + 3N2 ); ólomazid: gyutacs, detonátor
– p. 51
Nitrogén
Hidridek: Ammónia szerkezet: ˝ eloállítás: Haber-Bosch eljárás ( BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), ˝ 1913): földgázból hidrogén eloállítása, szénmonoxid oxidálása majd F e,400◦ ,200atm
eltávolítása (lúgos mosás), majd : N2 + 3H2 ⇌ 2N H3 , a keletkezett kb. 15% N H3 -at hutéssel ˝ lekondenzáltatják, a maradék gázt visszavezetik. ( 100Mt/év) felhasználás: mutrágyagyártás ˝ (folyékony ammónia, karbamid, ammónium-nitrát, ammónium-foszfát, ammónium-szulfát) muanyaggyártás ˝ (nylon, poliamidok, poliuretánok) robbanószergyártás (nitroglicerin, nitrocellulóz, TNT) salétromsavgyártás oldószer 2N H3 ⇌ N H4+ + N H2− ˝ Hidrazin (N2 H4 ) : eloállítás: 2N H3 + N aOCl → N2 H4 + N aCl; felhasználás: rakétahajtóanyag – p. 52
Nitrogén
Oxidok: Dinitrogén-oxid (N2 O, N ≡ N + − O− ↔ N − = N + = O) természetben: bakteriális tevékenység eredménye, üvegházhatást okozó gáz ˝ eloállítás: N H4 N O3 (s) = 2H2 O(g) + N2 O(g) (exoterm, 240 ◦ C felett megszaladhat) felhasználás: orvosi, fogorvosi alkalmazások (anesztetikum, "kéjgáz") ˝ katalizátorral rakétahajtóanyag (oxidálószer, stabil, nem túl mérgezo, magában is) ˝ azidok eloállítása: N aN H2 + N2 O = N aN3 + H2 O benzinmotorok tuningolása (oxidálószer, párolgással hut) ˝ tejszínhab hajtógáza (zsíroldékony) "rekreáció"
– p. 53
Nitrogén
Nitrogén-monoxid (N O) ˝ keletkezés: villámlás, belsoégés u˝ motorok, salétromsavgyártás tulajdonságok, szerep: páratlan számú elektron, paramágneses, színtelen, szag:? (oxidálódik) ˝ eloállítás laborban: fémek oldása salétromsavban (Cu + 4HN O3 = Cu(N O3 )2 + 2N O + 2H2 O) fotokémiai szmog alkotórésze N2 + O2 = 2N O 2N O + O2 = 2N O2 N O2 + hν = N O + O O + O2 + M = O3 + M ˝ szervezetben jelzomolekula (véralvadás gátlása, véredények tágulása): orvosi felhasználás Nitrogén-dioxid (N O2 ) barnásvörös, szúrós szagú, mérgezo˝ gáz, fp: 21◦ C dimerizál: 2N O2 ↔ N2 O4 salétromsavgyártás intermedierje (NO oxidációjából) vízben oldva (savanhidrid): 2N O2 + H2 O = HN O2 + HN O3 – p. 54
Nitrogén
Salétromossav, nitritek (HN O2 , N O2− ) gyenge sav, csak vizes oldaban ismert, bomlékony: 3HN O2 = H3 O+ + N O3− + 2N O ˝ eloállítás: nitritek savanyításával ˝ nitritek eloállítása: N O + N O2 + 2N aOH = 2N aN O2 + H2 O felhasználás: húsok pácolása (bakteriosztatikus, vörös komplex mioglobinnal(kék csecsemo˝ szindróma)) diazotálás: ArN H2 + HN O2 = [ArN N ]Cl + 2H2 O (festékek, gyógyszerek) Salétromsav, nitrátok (HN O3 , N O3− ) ˝ oxidáló sav, napfény hatására bomlik: eros, 2HN O3 = 2N O2 + H2 O + 0.5O2 Öndisszociációra képes: 2HN O3 = H2 O + N O2+ + N O3−
– p. 55
Nitrogén
Salétromsav, nitrátok (HN O3 , N O3− ) ˝ eloállítás (Ostwald-eljárás): 4N H3 + 5O2 = 4N O + 6H2 O (Pt+Rh, 850 ◦ C, 5atm) 2N O + O2 = 2N O2 3N O2 + H2 O = HN O3 + N O salétromsav felhasználása: ˝ amónium-nitrát eloállítása (mutrágya, ˝ robbanószer) foszfátásványok oldása (nitrofoszfát mutrágyák) ˝ ˝ ciklohexanon eloállítása (muanyagok ˝ alapanyaga) ˝ nitrálóelegyek (nitroglicern, TNT, nitrocellulóz eloállítása) HN O3 + H2 SO4 = N O2+ + H3 O+ + 2HSO4−
– p. 56
Foszfor
˝ elofordulás: földkéreg 1.1% -a, elemi formában nem, ásványai legnagyobbrészt apatitok (Ca5 (P O4 )3 F, Ca5 (P O4 )3 Cl, Ca5 (P O4 )3 OH), csontokban, fogakban elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 , számos allotrópja van, legfontosabbak a fehér és a vörös, op (fehér): 44◦ C, fp: 277◦ C, vörös a stabilabb, fehér 240 ◦ C feletti ˝ hevítésével állítható elo˝ (ipari eloállításnál a fehér keletkezik)
fehér foszfor
vörös foszfor
˝ lassan oxidálódik: kemilumineszcencia (35 ◦ C felett gyullad) levegon ˝ elem eloállítása: elektromos kemencében 1400◦ C 2Ca3 (P O4 )2 + 6SiO2 + 10C ↔ 6CaSiO3 + 10CO + P4 melléktermék: SiF4 (fluorapatitból), lúggal: N a2 SiF6 (ivóvíz fluoridozása) ˝ felhasználás elemként: újraoxidálás tiszta foszforsav eloállítására, foszfor-szulfidok, ˝ -kloridok és -oxikloridok eloállítása, gyufagyártás (vörös),gyújtó és füstgránátok (fehér) – p. 57
Foszfor
˝ Válogatás fontosabb vegyületeibol: foszfin(P H3 ) ˝ reaktív, színtelen gáz, vizes oldata piramidális szerkezet, rendkívül mérgezo, semleges (vö: N H3 ) ˝ eloállítása: P4 + 3KOH + 3H2 O = P H3 + KH2 P O2 ˝ dópolása, szerves felhasználás: rovarölés (magtárak gázosítása), félvezetok származékai ill. azok komplexei (magányos elektronpár!) katalizátorok P Cl3 piramidális szerkezet, vízben hidrolizál (P Cl3 + 3H2 O = H3 P O3 + 3HCl) ˝ eloállítás foszfor direkt halogénezésével (P4 + 6Cl2 = 4P Cl3 ) szerves és szervetlen foszfinszármazékok alapanyaga, oxidálásával P Cl5 , ˝ OP Cl3 , SP Cl3 eloállítása P Cl5 trigonális bipiramis szerkezet, vízben hidrolizál (P Cl5 + 4H2 O = H3 P O4 + 5HCl ill.P Cl5 + H2 O = P OCl3 + 2HCl ) ˝ eloállítás: P Cl3 + Cl2 = P Cl5 (CCl4 -ben) felhasználás: herbicidek, rovarirtók, lángmentesítés – p. 58
Foszfor
˝ Válogatás fontosabb vegyületeibol: P4 O10
P4 + 5O2 = P4 O10 vízelvonószer, orto és polifoszforsavak gyártása P4 S3 , P4 S10 gyufagyártás, rovarirtószerek foszforossav (H3 P O3 )
˝ hevítve foszfinre és foszforsavra 2 bázisú sav, P Cl3 hidrolízisével állítják elo, bomlik mutrágyagyártás, ˝ fabetegségek ellenszere – p. 59
Foszfor
˝ Válogatás fontosabb vegyületeibol: foszforsav (H3 P O4 , ortofoszforsav)
hárombázisú gyenge sav, autoionizáció: 2H3 P O4 = H4 P O4+ + H2 P O4− : jó ˝ vezetoképesség (elektrolit) ˝ eloállítása: tiszta foszforsav: ˝ P4 égetése, majd reakció vízgozzel: P4 O10 + 6H2 O = 4H3 P O4 ˝ "mezogazdasági" tisztaság: Ca5 (P O4 )3 F + 5H2 SO4 + 10H2 O = 3H3 P O4 + 5CaSO4 · 2H2 O + HF felhasználás: tiszta foszforsav: metallurgia, élelmiszeripar (kóla), detergensek, gyógyszeripar; nem tiszta: mutrágyagyártás ˝
– p. 60
Foszfor
˝ Válogatás fontosabb vegyületeibol: foszfátok (P O43− ) N a3 P O4 · 11H2 O · N aOCl: mosogatógépekben N a2 HP O4 : pufferoldatok N aH2 P O4 : acélok pácolása KH2 P O4 · (N H4 )2 HP O4 , (N H4 )2 HP O4 : mutrágya ˝ ˝ Ca(H2 P O4 )2 · H2 O + 2N aHCO3 : sütopor 2Ca5 (P O4 )3 F + 7H2 SO4 + H2 O = 7CaSO4 + 3Ca(H2 P O4 )2 · H2 O + HF : "szuperfoszfát", mutrágya ˝ polifoszfátok: vízlágyítók
– p. 61
Foszfor
– p. 62
Arzén, antimon, bizmut
As, Sb: félfémek, szulfidjaik fordulnak elo˝ (pl. As4 S4 , As2 S3 , F eAsS, Bi: fém. ˝ (foleg ˝ ˝ As, Sb: ötvözok Pb -hez), félvezetoipar, arzénvegyületek gyomirtók, rovarirtók Arzén vízkészletekben: Banglades (eltávolítás:vassal együtt oxidatív kicsapás, v. adszorpció) Bi: ólom helyettesítésére
– p. 63
Oxigén
˝ elofordulás: légkör 21 % -a, földkéreg 42% -a (szilikátok, karbonátok, foszfátok), földkéreg leggyakoribb eleme. elektronszerkezet: 1s2 2s2 2p4 , 2 allotróp (O2 , O3 ), O2 triplet alapállapotú, paramágneses, fp: -183◦ C
˝ eloállítása: levego˝ cseppfolyósítása majd frakcionált desztilláció – p. 64
Oxigén
˝ felhasználás elemként (O2 ): acélgyártás, nagyhomérséklet u˝ kohók, kemencék ˝ futése, ˝ hegesztés, T iO2 eloállítása, rakétahajtóanyag, szennyvízkezelés, orvosi alkalmazások ˝ rossz szagú gáz. O3 : mérgezo, keletkezése a sztratoszférában: hν(<240nm)
O2 −→ 2O· O2 + O· −→ O3 bomlása: hν(200−310nm)
O3 −→ O2 + O· katalizálva: hν CF Cl3 −→ CF Cl2 · +Cl· Cl · +O3 −→ ClO · +O2 ClO · +O3 −→ Cl · +2O2 "véletlen" keletkezés: nagyfeszültséget alkalmazó elektromos eszközökben (fénymásolók, lézernyomtatók, elektromotorok)
– p. 65
Oxigén
˝ Ózon ipari eloállítása (alkalmazás helyén, szállítani nem lehet, bomlik): koronakisülés UV -besugárzás DBD (dielectric barrier discharge) Ózon felhasználása: levego˝ ill. víz sterilizálása (hamar lebomlik, nincs vegyszermaradvány) fehérítés ˝ kötések szakítása) szerves szintézisek (kettos víz mangánmentesítése (2M n2+ + 2O3 + 4H2 O = 2M nO(OH)2 (s) + 2O2 + 4H + ) cianidos szennyvizek/iszapok ártalmatlanítása (CN − + O3 = CN O − + O2 )
– p. 66
Víz (H2 O)
Földelszín 71% -át borítja, kb. 1.46 Pt (x1021 t), 97% -a sós (tengerek, óceánok), 2.4% -a jég (gleccserek, sarki jégsapkák), 0.6% -a folyók, tavak szerkezet
– p. 67
Víz
tulajdonságok átlátszó (vízi élet), szagtalan, íztelen ˝ Erosen poláris kötések, következmény: hidrogénkötések, magas fp (vö: H2 S), nagy dielektromos állandó, magys felületi feszültség folyadékfázisban is strukturált (hidrogénkötés-hálózat), szilárd fázisban legstabilabb formájában "üreges" rács öndisszociáció, sav-bázis reakciók, H3 O+ és OH − ionok nagy mobilitása tiszta állapotban jó szigetelo˝ jó oldószer redox tulajdonságok, korrózió (pH=0 -nál ǫO2 /H2 O = 1.229, ǫH + /H2 = 0, pH=14 -nél ǫO2 /H2 O = 0.401, ǫH + /H2 = −0.828 ˝ humán célokra használható víz "eloállítása" (ipari folyamatok gyakran sokkal tisztább vizet igényelnek mint az ivóvíz, pl. nagynyomású kazánok tápvize 99.999998% tisztaságú): sótalanítás (desztilláció, ioncsere, reverz ozmózis) ˝ víztisztítás (koaguláció/flokkulálás-szurés-lágyítás-fert ˝ otlenítés)
– p. 68
Víz
˝ elofordulási formák más molekulákkal asszociátumokban (kristályvizek, akvakompexek, szilárd hidrátok): koordináció kationos komplexekben ([N i(OH2 )6 ](N O3 )2 , H3 O+ ) koordináció hidrogénkötéssel oxoanionokhoz (CuSO4 · 5H2 O egyik vize) rácsvizek (kationok és anionok méretkülönbségének kiegyenlítésére) zeolitvizek klatrát hidrátok (metánhidrát)
– p. 69
Hidrogén-peroxid (H2 O2 )
szerkezete:
jó oxidálószer (pl.: H2 O2 + 2F e2+ + 2H + = 2F e3+ + 2H2 O bomlékony (2H2 O2 = 2H2 O + O2 ), számos fémsó katalizálja (muanyag ˝ tárolóedény) ˝ eloállítása:
felhasználás: ˝ ˝ fehérítés (papíripar), vízkezelés, fertotlenítés (légtér és borfelület is) rakéta és torpedóhajtóanyag ˝ perborátok eloállítása (mosószerek) cianidok ártalmatlanítása (CN − + H2 O2 = OCN − + H2 O) – p. 70
oxidok
csoportosítás (vizes oldatban hidroxidok alapján): bázisos: elektropozitív elemek oxidjai: 2N aO + H2 O = 2N aOH amfoter: köztes elektronegativitású elemek oxidjai: Al(OH)3 + 3H + = Al3+ + 3H2 O Al(OH)3 + OH − = [Al(OH)4 ]− savas: elektronegatív elemek oxidjai: SO3 + H2 O = H2 SO4 semleges: nem reagál vízzel, lúgokkal, savakkal: CO
– p. 71
Kén
˝ elofordulás: földkéregben 340 ppm (elemi forma, szulfidok, diszulfidok, kénhidrogén, szerves kénvegyületek, szulfátok (gipsz)) számos allotróp, legstabilabb (ortorombos, α:
) bp:115.2 ◦ C, fp: 444.6 ◦ C könnyen képez láncokat ˝ eloállítása: bányászat (Frasch-eljárás) piritek (pörköléskor SO2 , közvetlenül használható kénsavgyártásnál) földgáz (H2 S, etanolaminban elnyeletés, majd Claus-eljárás) hidrodeszulfrizálás : C2 H5 SH + H2 = C2 H6 + H2 S Claus-eljárás: 2H2 S + 3O2 = 2SO2 + 2H2 O 2H2 S + SO2 = 3S + 2H2 O – p. 72
Kén
– p. 73
Kén
felhasználás elemként vulkanizálás széndiszulfid gyártás, muanyagipar ˝ rovar és gombairtószerek szintézise ˝ gyógyszerek eloállítása
– p. 74
