Kémiai alapismeretek 9. hét

Alkáli földfémek Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei

Kémiai alapismeretek 9. hét

Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás

Bór csoport Felfedezésük előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

Horváth Attila Előállítás Felhasználás

Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék

2012. november 13.-16.

1/24

c 2012/2013 I. félév, Horváth Attila

ALKÁLI FÖLDFÉMEK

Alkáli földfémek Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok

I

Történet: I

I I

I

I I I I

I

2/24

Ca, Mg vegyületei régóta ismertek (gipsz, mészkő, szappankő). Davy 1808 elemi Ca, Mg és Ba előállítás elektrolízissel. Vanquelin 1798: smaragd és a berill (Be3 Al2 Si6 O18 ) tartalmaz olyan oxidot, amely Al2 O3 -ra emlékeztet, de KOH feleslegben nem oldódik. Mengyelejev ismerte fel, hogy nem 3 hanem kétvegyértékűek. 1828 Wöhler: fém Be előállítása. 1932 Stock és Goldsmith: Kereskedelmi léptékű előállítás. 1790 Crawford: stroncium felfedezése Hope: lángfestés alapján elkülöníti Ba (sárgászöld), Sr(élénkvörös), Ca-ot(narancsvörös). Curie házaspár 1898: Ra előállítása


Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás


Előállítás Felhasználás

Alkáli földfémek Történet

Gyakoriság, előfordulás

Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei

I I

I

3/24

Be: ritka elem, kőzetekben (berill, smaragd). Mg: gyakori elem (6.), dolomit (MgCa(CO3 )2 ), magnezit (MgCO3 ), epsomit (MgSO4 ·7H2 O), klorofill (Mg-porfin komplex). Ca: gyakori elem (5.), mészkő (CaCO3 ), gipsz (CaSO4 ·2H2 O), folypát (CaF2 ), apatit (Ca5 (PO4 )3 F).

I

Sr: közepesen gyakori (15.), cölesztin (SrSO4 ) és stroncianit (SrCO3 ).

I

Ba: közepesen gyakori (14.), barit (BaSO4 ).

I

Ra: nyomnyi mennyiségben az U kísérőeleme.





Fizikai tulajdonságok

Alkáli földfémek Történet Gyakoriság, előfordulás

4/24

ns2


I

Vegyértékelektron konfiguráció:

I

Páros rendszámú elemek → több stabil izotóp

I

Ratom (alk. földfém)
I

Erács (alk. földfém)>Erács (alk. fém)

előfordulás

I

ρ kicsi → könnyű, lágy fém

Kémiai tulajdonságok

I

op., fp. alacsony

Előállítás

I

Ei kicsi

I

EN kicsi

I

jó elektromos- és hővezetők

I

Be kilóg (félfém): op, fp. magasabb, rideg, nehezen megmunkálható

I

Ra radioaktív

226 Ra 88



Bór csoport Felfedezésük


Felhasználás

4 −→222 86 Rn +2 He: t1/2 =1600 év


Tul. Z Izotóp Ar Ei /kJmol−1

1.

2. Ratom /pm Rion /pm Op./◦ C Fp./◦ C ρ/gcm−3

5/24

Be 4 1 9,01 899,4 1757 111 30 1289 2472 1,85

Mg 12 3 24,31 737,7 1451 160 65 650 1090 1,74


Ca 20 6 40,08 589,9 1145 197 99 842 1494 1,55

Sr 38 4 87,62 549,5 1064 215 113 769 1382 2,63

Ba 56 7 137,3 502,9 965 217 135 729 1805 3,59

Ra 88 4 226 509,3 979 148 700 1700 5,5

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás



Lángfestés:


I

Be: nincs

I

Mg: nincs

I

Ca: narancsvörös

Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás

Bór csoport

I

Sr: élénkvörös

I

Ba: sárgászöld

I

Ra: vörös

Felfedezésük előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok


Oldódás: I

Egymásban jól oldódnak

I

cseppfolyós NH3 -ban mély, kékesfekete színnel oldódik (Ca, Sr, Ba) Ca + NH3 −→ Ca2+ + 2e(NH3 )

6/24


párologtatás

−→

Ca(NH3 )6


KÉMIAI TULAJDONSÁGOK


I

Nagy reakciókészség, a csoportban fentről lefelé nő.

I

oxidációs szám vegyületeikben: +2

I

Be reagál híg savakkal és lúgoldatokkal is. Ez utóbbi a többi alkáli földfémre nem igaz! Be + 2HCl −→ BeCl2 + H2 Be + 2NaOH + 2H2 O −→ Na2 [Be(OH)4 ] + H2


I

7/24

Legtöbb nemfémes elemmel reagálnak.



VEGYÜLETEK


1

I I I I I

2

Kémiai tulajdonságok

MeH2 összetételű vegyületek CaH2 , SrH2 , BaH2 ionos, fehér, kristályos vegyületek BeH2 láncszerű polimer. (3 centrumos kötés 2 e− -al) MgH2 kovalens. CaH2 – nagytisztaságú H2 előállítása: CaH2 + 2H2 O −→ Ca(OH)2 + 2H2

Halogenidek: I I

I I

MeX2 összetételűek Rendszám növekedésével a vízben való oldhatóság nő, higroszkóposak. Előállításuk: Me + Cl2 −→ MeCl2 BeCl2 kovalens polimer, halogén-híddal kapcsolódnak egymáshoz. I I

8/24


Hidridek:

Halogén: e− -pár donor Be: e− -pár akceptor


Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás



3

Oxidok, peroxidok, szuperoxidok, hidroxidok: I

Oxidok (MeO összetétel), fehér, magas op.-ú porszerű I I I

I

Hidroxidok (Me(OH)2 ), vízben való oldhatóság kisebb, mint az alkáli fémeké. I I

I

I

Bázicitás felülről lefelé nő. Be(OH)2 : amfoter (savként és bázisként is viselkedik) Be(OH)2 + 2NaOH −→ Na2 [Be(OH)4 ] Mg(OH)2 : gyenge bázis, Ca(OH)2 : közepesen erős bázis, Sr(OH)2 , Ba(OH)2 : erős bázis

Peroxidok: I I

I

9/24

valódi bázisanhidridek: MeO + H2 O−→Me(OH)2 CaO: égetett mész, Ca(OH)2 : oltott mész Előállítás kalcinálással: CaCO3 −→ CaO + CO2 MgCO3 −→ MgO + CO2

MeO2 összetétel Stabilitás felülről lefele nő. BeO2 nincs, MgO2 csak cseppfolyós NH3 -ban állítható elő, CaO2 közvetlen oxidációval nem állítható elő, SrO2 nagy nyomáson előállítható, BaO2 levegőben közvetlenül képződik. Reakció: CaO2 + H2 SO4 −→ CaSO4 + H2 O2 ,


Alkáli földfémek Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás



Alkáli földfémek I

Szuperoxidok: I I

I

Me(O2 )2 : Ca, Sr, Ba esetén sárga színű szuperoxidok. Reakció: Ca(O2 )2 + H2 SO4 −→ CaSO4 + H2 O2 + O2

Ozonidok:

Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás

I

4

Szulfidok, Nitridek: I I I I

5

Melegítés hatására N2 -nel és S-nel: 3Ca+N2 −→Ca3 N2 Ca3 N2 +6H2 O−→3Ca(OH)2 +NH3 Ca + S−→CaS

Karbidok: I I

10/24

Me(O3 )2 : Ba és Ca esetén.

Ca + 2C−→CaC2 CaC2 + 2H2 O−→ C2 H2 + Ca(OH)2




Alkáli földfémek Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

6

Karbonátok: I

I

CaCO3 +CO2 +H2 O Ca(HCO3 )2 cseppkőképződés↔barlangképződés Vízkeménység: I

I I

11/24

Változó keménység (forralással megszüntethető): Ca(HCO3 )2 , Mg(HCO3 )2 Állandó keménység: Ca, Mg-szulfátok, kloridok, nitrátok 1 nk◦ jelent 1 dm3 vízben 10 mg CaO-dal egyenértékű Ca és Mg sót. Kemény víz>15 nk◦ . Vízlágyítás.


Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás




Reakciók vegyületekkel


1

2

3

Vízzel hevesen reagálnak, H2 fejlődik: Ca + 2 H2 O−→Ca(OH)2 +H2



Savakkal reagálva H2 -fejlődik: Mg + 2HCl−→MgCl2 + H2

előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

Erős redukálószerek: CuO + Mg−→ MgO + Cu H2 O(g) + Mg−→ H2 + MgO CO2 + 2Mg−→C + 2MgO


Legfontosabb szerves kémiai alkalmazás: Grignard reagens (RMgX) RMgX

sav

RMgX + O2 −→ ROOMgX −→ 2ROMgX −→ 2ROH

12/24


Előállítás


I

MeCl2 Olvadék elektrolízissel

I

Sr, Ba estén oxidjaik redukálása Al-mal.


Bór csoport

Felhasználás

Felfedezésük előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

I

MgO: állateleség, magnezittégla

I

MgSO4 ·7H2 O: fertőtlenítőszer, gyógyszeripar

I

CaO, Ca(OH)2 : építőipar, vízkezelés, acélgyártás

I

CaCO3 : üveggyártás, cementgyártás, papíripar

I

CaSO4 ·2H2 O: építőipar, orvoslás

I

BaO2 : papíripar, kontrasztanyag

I

Ca2+ , Mg2+ élettani jelentőség


13/24



Bór csoport elemei


I

Davy 1808 szennyezett bór előállítása. Moissan 1892-ben állított elő 98%-os bórt B2 O3 Mg-os redukciójával.



I

I

Deville 1854 tiszta Al előállítása (NaAlCl4 olvadékelekrolízisével). Ma már kriolitban oldott Al2 O3 elektrolízisével állítják elő (Heroult-Hall eljárás)

I

Ga létezését Mengyelejev 1871-ben megjósolta, 1875-ben Boisbaudran spektroszkópiás módszerrel mutatta ki.

I

In: 1863 Reich és Richter (spektroszkópia)

I

Tl: 1861 Crookes és Lamy (spektroszkópia)

14/24


előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok


Előfordulás


I

I I

I

I

I

Földkéreg leggyakoribb féme (3. leggyakoribb elem). Ásványai: kaolinit (Al2 (OH)4 Si2 O5 ), kriolit, berill, korund (Al2 O3 ), bauxit (AlOx (OH)3−2x . N, Li-hoz hasonló gyakoriságú, inkább szulfidos ásványokban fordul elő. Nagyon hehéz kinyerni (csak kísérő elem Zn vagy Ge). Germanitnak (Cu3 (Fe,Ge)(S,As)4 ) 0,1–1%-a, a bauxitnak 0,003–0,01%-a Ga.

Indium, Tallium: I

15/24

Viszonylag ritka Kizárólag borátásványokban (bórax) és boroszilikátokban fordul elő

Gallium I

I


Alumínium I

I


Bór

ritkák, nincs gazdasági jelentőségük







I I I


ns2 np1

elektronszerkezet: páratlan rendszám−→ 1-2 izotóp B kilóg

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás

Bór csoport Felfedezésük előfordulás

Tul. Izotóp Ei /kJmol−1 I. II. III. Ratom /pm Rion /pm op./◦ C fp./◦ C ρ/gcm−3 EN 16/24

B 2 801 2427 3660 85 27 2092 4002 2,35 2,0

Al 1 578 1817 2745 143 53,5 660 2520 2,70 1,5


Ga 2 579 1979 2963 135 62 29,7 2205 5,90 1,6

In 2 558 1821 2704 167 80 156,6 2073 7,31 1,7

Tl 2 589 1971 2878 170 88,5 303,5 1473 11,85 1,8

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok


1

Bór: I I I

I I

I

Alkáli földfémek

Oxidációs száma vegyületeiben: +3 Közepes reakciókészség. Egyvegyértékkel alig képez vegyületet szemben a többi IIIa elemmel. többcentrumos kötés és e− -pár akceptor képesség. Nemfémek mindegyikével és fémekkel is képez vegyületeket. Fémekkel alkotott vegyületek (Boridok) I I

I

17/24

Több mint 200 ismert biner vegyület Me5 B–MeB66 . Jelentőségük: Gyakran magasabb op. mint a tiszta fémé, kemények, ellenállóak, −→ magas hőmérsékletű reaktoredények, alkatrészek Előállításuk: hő Cr + 2B −→ CrB2 hő Sc2 O3 −→ 2ScB2 + 3BO hő,H BCl3 + W −→2 WB + Cl2 + HCl hő Eu2 O3 + 3B4 C −→ 2EuB6 + 3CO





I

H-nel alkotott vegyületek (boránok). I

I

I I

I

I

I

I

18/24

Több mint 50 semleges borán (Bn Hm ) és ennél is több boránanion (Bn Hx− m ) ismert. Legegyszerűbb a monoborán (BH3 ), de csak adduktumként fordul elő. (BH3 ·NH3 ) Diborán (B2 H6 ) stabilis. (3 centrumos kötés 2 e− -nal) Kis bóratomszámúak gázok, a nagyobbak folyadékok v. szilárdak. Jó redukálószerek. B2 H6 + 6CH3 OH −→ 2B(OCH3 )3 + 6H2 Alkénekre addicionálható (szerves boránok előállítása): 3RCH = CH2 + 1/2B2 H6 −→ B(CH2 CH2 R)3 Tetrahidroborátok (Me(BH4 )x ) előállítása (sokoldalú redukálószerek): 2B2 H6 + 2Na −→ NaBH4 + NaB3 H8 éter 2LiH + B2 H6 −→ 2LiBH4 Papíripari felhasználás (fehérítés): NaBH4 +8NaOH+9SO2 −→ 4Na2 S2 O4 +NaBO2 +6H2 O





I

O-nel képzett vegyületek I

I

I I

I

I I

I

I

19/24

Természetben kivétel nélkül oxovegyület formájában található a bór. Legfontosabb vegyület B2 O3 , amely 700 ◦ C-on állítható elő elemiből. fehér por nincs éles op., nehezen kristályosítható −→ üveges szerkezet higroszkópos, vízben oldódik, valódi savanhidrid B2 O3 + 3H2 O −→ 2H3 BO3 Mg-mal elemi bórrá redukálható H3 BO3 , ortobórsav: fehér por, vízben alig oldódik, melegítés hatására vagy lúgban jobban. Hevítéskor vizet veszít: hő hő 2H3 BO3 −→ 2HBO2 −→ B2 O3 ortobórsav −→ metabórsav −→ savanhidrid ortobórsav savas kémhatású, mert OH− akceptor: + B(OH)3 + H2 O −→ B(OH)− 4 +H





I

Halogénekkel képzett vegyületek


I

I I I

I

I

N-nel alkotott vegyületek I

I

I

I

20/24

BX3 összetételű, molekukáris szerkezetű színtelen anyagok BF3 gáz, BCl3 és BBr3 folyadék, BI3 szilárd. Normál körülmények között csak a fluorral reagál a bór. Hidrolizálnak: BF3 + H2 O −→ H3 BO3 + 3HF Erős Lewis savak BF3 + NH3 −→ F3 BNH3 B-N és C-C kötés izoelektronos, ezért számos esetben helyettesíthető. BN szintézise bonyolult: bórax NH4 Cl-dal (labor) vagy karbamid és ortobórsav (ipar) történő összeolvasztásával történhet. BN szerkezete a grafithoz hasonló, csak nincsenek elcsúszva −→ színtelen, jó szigetelő. B3 N3 H6 (bórazin vagy borazol) szervetlen benzol


Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei Reakciók vegyületekkel Előállítás, felhasználás



2

Alumínium I I I

I

I I

Oxidációs szám vegyületekben: +3 Jóval reakcióképesebb mint a bór. Kimagasló O affinitás (redukálószerként használják→termit-reakció). Fe2 O3 + 2Al −→ 2Fe + Al2 O3 Felületét védő oxid réteg borítja (nem reagál vízzel, híg savakkal). Forró cc. HCl-ben, lúgban H2 fejlődés közben reagál. H-nel alkotott vegyülete: I

I

I

I

I

21/24

AlH3 : alán, színtelen, nem illékony, termikusan 200◦ C-ig stabil. Erős redukálószer, vízzel és más protontartalmú reagenssel hevesen reagál. LiH-del komplexet képez LiH + AlH3 −→ Li[AlH4 ] A komplex vízzel H2 -t ad: Li[AlH4 ] + 4H2 O −→ 4H2 + LiOH + Al(OH)3 szerves szintézisekben is jelentős redukálószer





I

Halogénekkel alkotott vegyületei: I I

I I I I

I I

Oxidok, hidroxidok I I

I I

3

Oxid: Al2 O3 összetételű, magas op., igen kemény amfoter jellegű: Al2 O3 + 6HCl −→ 2AlCl3 + 3H2 O Al2 O3 + 2NaOH −→ 2Na[Al(OH)4 ] Hidroxid: Al(OH)3 , fehér, vízben rosszul oldódik, viszont: Al(OH)3 + NaOH −→ Na[Al(OH4 )]

Gallium I I

22/24

AlX3 összetételű Közönséges körülmények között hevesen keletkezik elemeiből. Átmenetet képez az ion- és molekulavegyületek között. AlF3 inkább ionos AlCl3 inkább molekularácsos, op.-ján dimereket képez. Bromidja és jodidja molekuláris dimerekből áll. (Al2 Br6 és Al2 I6 ) AlX3 vízben savasan hidrolizálnak.

Al-hoz nagyon hasonló Ga és Ga2 O3 is amfoter (savakban, lúgokban oldódik)





1

I

I

2

Előállítás

Bór:

Alkáli földfémek

Redukálás Mg-mal B2 O3 + 3Mg −→ 2B + 3MgO van Arkel eljárás BI3 −→ B + 3/2I2

Al:


Bór csoport

a.) Bayer eljárás: I

Felfedezésük előfordulás

Timföldgyártás: feltárás, termikus bontás Al(OH)3 + NaOH −→ Na[Al(OH)4 ]

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

hevítés

Na[Al(OH)4 ) −→ Al(OH)3 + NaOH hő

I

2Al(OH)3 −→ Al2 O3 + 3H2 O Al2 O3 oldása kriolitban (op. csökk.), olvadékelektrolízis Katód: Al3+ + 3e− →Al Anód: 2O2− →O2 +4e− (grafit elektród)

b.) AlCOA eljárás (környezetbarát) I I

I 23/24

Al2 O3 +3C+3Cl2 −→2AlCl3 +3CO AlCl3 olvadékelektrolízise: Katódfolyamat: Ua. Anódfolyamat: 2Cl− →Cl2 +2e− Cl2 zárt rendszerben újrahasznosítják



Alkáli földfémek

Felhasználás

Történet Gyakoriság, előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Vegyületei

I

Bór:


I I I

I

Al: I I I

I

I



ötvöző anyag aluminotermiás reakciók Portlandcementgyártás (víz alatti alagútépítések)

Ga: I

24/24

Kozmetikumok (baktériumölő hatás) üveggyártás Orvostudomány (daganatterápia, neutronbefogásos reakcióval 10 B)

LED gyártás (GaAs1−x Px ) Hőmérőkben higany helyett magas hőmérsékleten


Kémiai alapismeretek 9. hét

Recommend Documents