Přechodné prvky, jejich vlastnosti a sloučeniny -
-
jsou to d-prvky, nazývají se také přechodné prvky v PSP jsou umístěny mezi s a p prvky nacházejí se ve 4. – 7. periodě atomy přechodných prvků mají valenční elektrony v orbitalech ns1-2 a (n-1)d1-10 všechny d-prvky jsou podle svých fyzikálních, chemických i technických vlastností kovy často tvoří koordinační sloučeniny
PRVKY SKUPINY ŽELEZA Prvek Značka Fe Železo Co Kobalt Ni Nikl -
Protonové číslo 26 27 28
El. konfigurace [Ar] 3d6 4s2 [Ar] 3d7 4s2 [Ar] 3d8 4s2
jsou to železo (Fe), kobalt (Co) a nikl (Ni) mají podobné vlastnosti patří mezi neušlechtilé kovy označují se také jako triáda železa
Železo - má z nich největší význam - je to jeden z nejrozšířenějších prvků na zemi - v současnosti nejvýznamnější kov Vlastnosti - vyskytuje se pouze ve sloučeninách – nejdůležitější jsou železné rudy o magnetit (Fe3O4 nebo FeO · Fe2O3); siderit (FeCO3); pyrit (FeS2); hematit (Fe2O3) o jako biogenní prvek je vázané v organismech (především v hemoglobinu a myoglobinu) o hydrogenuhličitan železnatý Fe(HCO3)2 se vyskytuje v minerálních vodách - čisté železo – stříbřitě lesklý a poměrně měkký kov, ale bez technického významu - technické železo – výroba ve vysokých pecích, nesmírný význam - neušlechtilý kov >> ze zředěnými kyselinami reagují za vzniku solí a vodíku Fe + H2SO4 FeSO4 + H2 >> s koncentrovanou H2SO4 nereaguje - feromagnetické vlastnosti1,2 - za zvýšené teploty železo reaguje s celou řadou nekovů; např. kyslíkem, sírou a chlorem Výroba železa a oceli - čisté železo má nevhodné vlastnosti pro technické využití - vyrábí se slitiny s různými prvky, které určují vlastnosti vzniklé sloučeniny3 (pevnost, teplotu tání, tuhost, kujnost, odolnost proti korozi atd.) - železo se vyrábí ve vysoké peci4 z kyslíkatých rud, kde probíhá: 1 2 3
to znamená, že zesiluje magnetické pole tuto vlastnost ztrácí při teplotě 768°C závisí na poměru jednotlivých složek a technice slévání a zpracování
o nepřímá redukce 3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 FeO + CO Fe (s) + CO2 redukce na tuhé pórovité surové železo o přímá redukce – uhlíkem ve formě koksu (palivo) FeO + C Fe + CO
-
-
ze shora se do vysoké pece neustále přidává železná ruda, koks a struskotvorné látky (vápenec, dolomit) zespoda se do vysoké pece vhání horký vzduch obohacený o kyslík koks při teplotě okolo 2000°C reaguje s kyslíkem – vznikne CO, který je využit při nepřímé redukci CO v tzv. redukčním pásmu redukuje rudu, která potom sestupuje níže do pece při teplotě okolo 400°C se část CO rozloží na C + CO2 uhlík vzniklý rozkladem CO se slučuje ze železem – vzniká slitina – litina – která má nižší teplotu tání a jako surové železo stéká do spodní části pece, odkud je vypouštěno na surovém železe plave struska, která obsahuje odpadní látky (dále se využívá k výrobě stavebnin) a zároveň chrání roztavené železo před oxidací
surové železo – litina – je tvrdé, křehké a není kujné (obsah C = 3-5%) odstraňováním uhlíku ze slitiny vzniká ocel - zkujňování (až na C < 1,7%): kalením – tzv. kalená ocel, rychlé ochlazení; tvrdá a křehká popouštěním – pomalé ochlazování; tvrdá a pevná další úpravy jsou např. slučování s dalšími prvky5 – vznikají slitiny – ušlechtilé oceli – které mají lepší vlastnosti (nerezová ocel, žáruvzdorná ocel…)
Koroze – „rezavění železa“ - z ekonomického hlediska jde o velmi významný problém - jedná se o elektrochemický děj, kterého se kromě železa účastní i voda a kyslík6 - vodivost soustavy je zajištěna elektrolytem – nejčastěji to bývá síran železnatý FeSO47 4 Fe + 3 O2 + x H2O 2 Fe2O3 + x H2O - železo je třeba chránit např. pokovováním nebo speciálními nátěry Sloučeniny železa - oxidační čísla převážně II nebo III (stálejší) Sulfidy FeS [sulfid železnatý]– černá sraženina, látka nerozpustná ve vodě FeS2 [pyrit (disulfid železa)] - slouží k výrobě SO2 (oxidu siřičitého) Oxidy FeO [oxid železnatý] – černá práškovitá látka 4 5 6 7
vysoká pec je vysoká asi 25 – 30 metrů, průměr je asi 10 metrů; pracuje nepřetržitě několik let legování – legované oceli suchý vzduch nebo voda ve které není rozpuštěn kyslík na železo téměř nepůsobí vzniká za účasti atmosférického oxidu siřičitého (SO2)
Fe2O3 [hematit (oxid železitý)] – složí jako pigment, červený Fe3O4 [magnetit (podvojný oxid železnato-železitý)] Hydroxidy Fe(OH)2 [hydroxid železitý] – bílá sraženina, na vzduchu hnědne a přechází na Fe(OH)3 Soli FeSO4 · 7 H2O – zelená skalice (NH4)2Fe(SO4)2 · 6 H2O – Mohrova sůl Fe(HCO3)2 – obsah minerálních vod Koordinační sloučeniny K4[Fe(CN)6] – žlutá krevní sůl K3[Fe(CN)6] – červená krevní sůl Kobalt, nikl - neušlechtilé kovy - vyskytují se pouze vázané ve sloučeninách kobalt: kobaltin (CoAsS) nikl: meteority, sulfidické rudy - bílé kovy, dobře vedou elektrický proud - jsou paramagnetické8 - sloučeniny: oxidy: CoO, NiO Co(OH)2 – modrý; Co(OH)2 – zelený PRVKY SKUPINY MĚDI Prvek Značka Cu Měď Ag Stříbro Au Zlato -
Protonové číslo 29 47 79
El. konfigurace [Ar] 3d10 4s1 [Kr] 4d10 5s1 [Xe] 4f14 5d10 6s1
jsou to měď (Cu); stříbro (Ag) a zlato (Au) leží v 11. skupině (jinak I.B skupina) patří mezi ušlechtilé kovy
Vlastnosti - vykytují se v zemské kůře jako ryzí kovy - vyskytují se také ve sloučeninách: chalkopyrit (CuFeS2), kuprit (Cu2O), malachit (CuCO3 · Cu(OH)2) - tažné, kujné, tepelně a elektricky vodivé - jsou poměrně stálé, reaktivita se stoupajícím protonovým číslem klesá - rozpustné v roztocích se silnými oxidačními účinky, zlato jen v lučavce královské9 - ušlechtilé kovy >> při reakci s kyselinou nevytěsňují vodík 2 Cu + 8 HNO3 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O 8 9
to znamená, že jsou vtahovány do magnetického pole směs HNO3 a HCl v poměru 1:3
Měď - do červena zabarvený kov - měď se na vzduchu pokrývá zelenou vrstvičkou – měděnkou (hydrogenuhličitany mědi) Výroba vyrábí se pražením chalkopyritu, poté se elektrolyticky čistí Využití - využívá se v elektrotechnice (dobrý vodič); výroba slitin (mosaz – 70% Cu + 30% Zn; bronz – 90% Cu + 10% Sn) Sloučeniny Oxidy CuO [oxid měďnatý] – černý prášek, barví sklo na zeleno Cu2O [oxid měďný] – červený prášek,barví sklona červeno Sulfidy CuS [sulfid měďnatý] – černý, ve vodě nerozpustný Cu2S [sulfid měďný] – vznik přímou syntézou prvků Soli CuSO4 · 5 H2O [modrá skalice (pentahydrát síranu měďnatého)] – pokovování, hubení plísní Stříbro - do běla zabarvený kov - získává se z rud – argentit = sulfid stříbrný (Ag2S) Využití - fotografické materiály, zrcadla, lékařství (koloidní stříbro – má antibakteriální účinky) Fotografický proces - při fotografování probíhá soubor chemických dějů – záznam obrazu na materiál citlivý na světlo 1. vytvoření vrstvy citlivé na světlo – na vhodný materiál se nanese halogenid (AgBr; u obzvláště citlivých filmů se používá AgI) tak, aby byly krystalky co nejmenší10 2. vytvoření tzv. latentního obrazu – vrstva halogenidu je citlivá na světlo; dopadající fotony uvolňují z halogenidových aniontů elektrony (X se slučují do X2 >> dále se zachycují na želatinovou vrstvu), které jsou zachyceny kationtem stříbrným X- X + eAg+ + e- Ag Tímto se vytváří latentní obraz, který je neviditelný 3. vznik negativu – latentní obraz se dále vyvolá působením slabého redukčního činidla (vývojka), které redukuje pouze zrna obsahující zárodek stříbra; jako vývojka se nejčastěji používá
10
ve fotografické praxi se označují jako „filmové zrno“
hydrochinon11; reakce je závislá na čase a musí se zastavit dříve než začnou reagovat i zrna bez zárodků stříbra 4. ustálení negativu – vyvolaný obraz je nutné stabilizovat – ustálit negativ; jedná se o odstranění veškerého nezreagovaného negativu 5. vyvolání pozitivu – na místech, kde zreagovalo stříbro, jsou tmavá >> při prosvícení se promítne obraz na papír s vrstvou citlivou na světlo - dále obdobný proces jako u negativu Sloučeniny Oxidy Ag2O [oxid stříbrný] – hnědý, zásaditý Sulfidy Ag2S [argentit (sulfid stříbrný)] – vzniká jako produkt černání stříbra (reakce se sulfanem) Halogenidy AgBr [bromid stříbrný] – světle žlutá látka, citlivá na světlo, použití pří fotografickém procesu Soli AgNO3 [dusičnan stříbrný] – lapis, 5% - 10% roztok se používá v lékařství na leptání (např. aft) sloučeniny ve vodě rozpustné: AgF, AgClO4, AgNO3 sloučeniny ve vodě nerozpustné: všechny halogenidy kromě AgF Zlato - do žluta zbarvený kov - ryzí zlato se nachází v zemské kůře, nejčastěji jako žíly, valouny nebo šupiny je velmi stálé, reaguje jen s lučavkou královskou9 Využití - klenotnictví12, ražba mincí, zubní lékařství, pozlacování neušlechtilých kovů PRVKY SKUPINY ZINKU Prvek Značka Zn Zinek Cd Kadmium Hg Rtuť -
Protonové číslo 30 48 80
El. konfigurace [Ar] 3d10 4s2 [Kr] 4d10 5s2 [Xe] 4f14 5d10 6s2
jsou to zinek (Zn), kadmium (Cd) a rtuť (Hg) leží ve 12. skupině (jinak II.B skupina) stříbrolesklé kovy s nízkou teplotou tání, jsou měkké13 zinek a kadmium patří mezi neušlechtilé kovy, rtuť je ušlechtilý kov
Zinek 11
12 13
1,4 – benzendiol (hydrochinon) čisté zlato je 24 karátové, pro klenotnictví se používá nejčastěji 14 karátové zlato (složka zlata 58,3%) mají zcela zaplněné valenční orbitaly, proto se téměř nepodílejí na kovové vazbě
-
nachází se jako sfalerit (ZnS) a v křemičitanech křehký, tažný a kujný je až při 100 – 150°C; na vzduchu se pokrývá vrstvičkou oxidů vyrábí se pražením sfaleritu nebo elektrolýzou využívá se k pokovování, jako redukční činidlo, k výrobě slitin (mosaz – 70% Cu + 30% Zn) je obsažen v tělech organismů (kosti, vlasy, mozek) jako stopový biogenní prvek; je součástí enzymů amfoterní charakter: Zn + 2 OH- + 2 H2O [Zn(OH)4]2- + H2
Sloučeniny ZnS [sulfid zinečnatý] – bílá amorfní látka, používá e k výrobě barev ZnO [oxid zinečnatý] – zinková běloba – barvivo Zn(OH)2 [hydroxid zinečnatý] – amfoterní látka, bílá sraženina ZnSO4 · 7 H2O [bílá skalice] – používá se v galvanotechnice a pro výrobu dalších sloučenin zinku ZnCO3 [uhličitan zinečnatý] -zinková mast Kadmium - nachází se v rudách – provází zinek - je měkčí a tažnější než zinek, na vzduchu se také pokrývá vrstvičkou oxidů - sloučeniny kadmia jsou prudce jedovaté - vyrábí se elektrolýzou - využívá se k pokovování (jako ochrana proti korozi), v jaderné technice (k absorpci neutronů), výroba akumulátorů (NiCd) Sloučeniny CdS [kadmiová žluť] – žlutý prášek rozpustný ve vodě, používá se jako malířská barva Rtuť -
nachází se buď jako ryzí nebo v rudách (HgS – rumělka) rtuť je za normálních podmínek kapalná (teplota tání je -38,9°C) výpary rtuti jsou prudce jedovaté, je odolná vůči vzdušnému kyslíku vyrábí se z rumělky pražením nebo reakcemi se železem využívá se na výrobu teploměrů, zářivek, rtuťových katod, k přípravě amalgámů14 a léčiv
Sloučeniny HgS [rumělka – cinabarit] – nejvýznamnější ruda rtuti Hg2Cl2 [kalomel] – v lékařství se používá jako projímadlo
14
slitiny rtuti s jinými kovy (Pb, K, Na, Au, Ag, Sn, Zn, Cd), některé jsou kapalnénebo mají těstovinnou konzistenci; využití v zubním lékařství, k pozlacování, postříbřování…
CHROM Prvek Chrom -
Značka Cr
Protonové číslo 24
El. konfigurace [Ar] 3d5 4s1
chrom leží v 6. skupině (jinak 6.B skupina) patří mezi neušlechtilé kovy výskyt ve sloučeninách (chromit – FeCr2O4)
Vlastnosti - stříbrolesklý tvrdý kov - reaguje s kyslíkem (na Cr2O3); s halogeny (na halogenidy chromité); se sírou (na Cr2S3) - patří mezi stopové biogenní prvky - odolný proti korozi (na vzduchu se pokrývá kompaktní vrstvičkou oxidů) Výroba - aluminotermicky z Cr2O3 nebo elektrolýzou roztoků Využití - ke galvanickému pokovování, jako ferochrom (slitina Fe a Cr) se přidává do oceli Sloučeniny Oxidy Cr2O3 [oxid chromitý] – zelený prášek,nerozpustný ve vodě, používá se k pochromování (ochrana proti korozi) CrO3 [oxid chromový] – jedovatý, hygroskopický, oxidační účinky Chromany - žluté zabarvení - oxidační účinky - rekcí s kyselinami vznikají dichromany s ještě silnějšími oxidačními účinky
