Szerkezeti és szervetlen kémia Tantárgyprogram 1.félév (Dr. Hencsei Pál 15 óra) Kémiai alapfogalmak. Atomok, elemek, vegyületek. Atomtömeg, molekulatömeg, mól, moláris tömeg (mólsúly), Avogadro szám. Sztöchiometria. Oldatok, koncentrációk. Atommodell. Periódusos rendszer. Kémiai kötéstípusok. Ionos és kovalens kötés. Elektronegativitás. Rácstípusok, rácsösszetartó erők. Disszociáció, elektrolitok, pH. Az elemek fizikai tulajdonságai. Sávelmélet, vezetés. Az elemek kémiai tulajdonságai. Oldódások vízben, savakban, lúgokban. Fontosabb nemfémes elemek (hidrogén, klór, oxigén, kén, nitrogén, foszfor, szén, szilícium). Fontosabb fémek (alumínium, ón, ólom, króm, a vascsoport elemei, réz, cink). Savak és bázisok (sósav, kénsav, salétromsav, nátronlúg, ammónium-hidroxid). Oxidok, egyéb fontosabb vegyületek, komplexek.
1.-2. óra Alapfogalmak Kémia: folyamatok, átalakulások, jelenségek, amelyek az anyagok minőségének megváltozásával járnak. Dalton (1804): atomok az anyag kémiailag tovább nem bontható legkisebb részei. Atom: atommag (protonok, neutronok) és elektronok Elemek: egyszerű testek, azonos atomokból állnak Vegyületek: összetett testek, különböző atomokból épülnek fel, molekulák Halmazok: atomokból és molekulákból épülnek fel Halmazállapotok: szilárd, folyékony, légnemű, az állapothatározók (nyomás, hőmérséklet, térfogat) függvénye, halmazállapot változások Atomtömeg: viszonyszám, alapul a C-12 szénizotóp tömegének 1/12 részét választották Molekulatömeg: hasonló viszonyszám Mól: anyagmennyiség, 1 molekulatömegnyi anyag grammban kifejezett mennyisége, pl. 18 g víz (H2O), 40 g nátrium-hidroxid (NaOH), 98 g kénsav (H2SO4) Avogadro szám: 6·1023 , ennyi darab részecske (atom vagy molekula) van 1 mól anyagban Vegyjel, kémiai képlet Sztöchiometria Kémiai reakciók minőségi és mennyiségi változásainak leírása Pl. H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2 Számítások Gázok Avogadro törvény: azonos hőmérsékleten és nyomáson különböző gázok azonos térfogatában a molekulák száma egyenlő. Normál állapot: 1 atm (101,325 kPa) nyomáson, 273 K (0 oC) hőmérsékleten 22,41 liter térfogatban bármilyen gáz mennyisége 1 mól, ebben 6·1023 darab molekula van. Egyesített gáztörvény: p·V = n·R·T, ahol p a nyomás, V a térfogat. T a hőmérséklet, n a mólszám, R az egyetemes gázállandó. Oldatok, oldószer, oldott anyag, koncentráció Koncentráció számítás: (m/m) %, mól/l, g/l, móltört: n1/n1 + n2 Periódusos rendszer (Mendelejev, 1869): növekvő atomsúly, tulajdonságok periodikusan változnak, Ge, Ga – megjósolva Ma: rendszám, elektronszerkezet, nemesgáz konfiguráció s2p6, Werner
3.-4. óra Kémiai kötéstípusok 1.Ionos kötés (Kossel, 1916) Na = Na+ + e IE: ionizációs energia, alkáli-, alkáli földfémeké kicsi Cl + e = Cl- EA: elektronaffinitás, halogéneké kicsi Ionok között elektrosztatikus vonzó és taszítóerők, Coulomb féle erők, Egyensúlyi eredő távolság 2.Kovalens kötés (Lewis, 1916) H – H közös elektronok, elektronpár hozza létre a kötést Cl – Cl Kolligációs kovalens kötés a.) apoláris, szimmetrikus elektronfelhő b.) poláris, aszimmetrikus elektronfelhő, töltéseltolódás, dipólusmomentum H – Cl a klór körül nagyobb az elektronsűrűség c.) Elektronegativitás: energia dimenziójú skála, milyen mértékben képes a többi elemhez képest maga köré vonzani az elektront Mullikan: EN = (IE + EA)/2 Alkáli fémeké 1-nél kisebb Halogéneké nagy, fluor: 4 A periódusos rendszerben balról jobbra nő, felülről lefelé csökken Koordinációs kovalens kötés H3N – BF3 a nitrogén a közösbe adja az elektronpárját, a bór üres pályájára befogadja Datív, donor – akceptor kötés, komplexekben a központi atom és a ligandumok között /Cu (NH3)4/SO4, K/Ag(CN)2/ 3.Fémes kötés Fém atomok = fém kationok + elektronok, közös (delokalizált) elektronfelhő 4.van der Waals kötés Molekulák között kismértékű töltéseltolódás a.) orientációs effektus (van dipólusmomentum), pl. H2O b.) indukciós effektus (van dipólusmomentum és ez polarizál) c.) diszperziós effektus (nincs dipólusmomentum, csak az elektronfelhő rezgőmozgása), pl. nemesgázok 5.Hidrogénhidas (protonhidas) kötés Asszociált szerkezet, eltérő fizikai tulajdonságok (magasabb olvadáspont, Forráspont, oldhatóság, sűrűség, viszkozitás) H2O, NH3, H2F2, OH, NH, FH csoportokat tartalmazó molekulákban Kovalensnél gyengébb, van der Waalsnál erősebb kötés
Rácstípusok, rácsösszetartó erők szilárd halmazállapotban 1.Molekularács Rácspontokon molekulák, köztük gyenge van der Waals erők, rácsenergia kicsi Szerves vegyületek, jód, H2O, Cl2 Alacsony olvadáspont, forráspont, vízben rosszul oldódnak, apoláris szerves oldószerekben oldódnak 2.Atomrács Rácspontokon atomok, köztük erős kovalens kötés, rácsenergia igen nagy Gyémánt, Si, Ge, SiC, BN, ZnS, FeS2 Olvadáspont magas, kemények, vízben, szerves oldószerekben nem oldódnak 3.Fémes rács Rácspontokon fém kationok, köztük delokalizált elektronfelhő, rácsenergia nagy Fémek Olvadáspont, forráspont közepes, nem oldódnak Szoros térrács, lapon centrált 12/12, Al, Pb, Cu, Ag, Au térben centrált köbös 8/8, alkáli, α,β-Fe, V, Cr, Mo, W lapon centrált hexagonális 12/12, Zn, Mg, Ti, α-Co, α-Ni 4.Ionrács Rácspontokban kationok és anionok felváltva, köztük elektrosztatikus erők (Coulomb erők), rácsenergia közepes Sók Olvadáspont közepes, vízben oldódnak, szerves oldószerekben nem Töltésekkel nő a Coulomb erő, az oxidok a halogenidekhez képest keményebbek, és magasabb az olvadáspontjuk Oldás Sók vizes oldataiban ionok Disszociáció: bomlás, reverzibilis, egyensúlyra vezető folyamat Elektrolitikus disszociáció: poláris oldószerrel való kölcsönhatás, ionok, elektrolit oldat NaCl = Na+ + Cl(Termikus disszociáció: hőenergia hatására gyökök, atomok Br2 = 2 Br N2O4 = 2 NO2 )
Sósav oldat, gáz halmazállapotú HCl: kovalens kötés, vízben oldás eredményeként ionok, HCl = H+ + ClDisszociáció fok (α), sók teljesen disszociálnak, savak, lúgok disszociációja különböző Hidrolízis: vízzel való reakció, a sóképzés fordítottja NaCl vízben csak disszociál NaCl + H2O = NaOH + HCl mindkettő teljesen disszociál CH3COONa + H2O = CH3COOH + NaOH az ecetsav csak részben disszociál Na2CO3 + 2 H2O = 2 NaOH + H2CO3 a szénsav „ NH4Cl + H2O = NH4OH + HCl az ammónium-hidroxid „ pH Víz disszociációja H2O = H+ + OH- α kicsi A víz ionszorzata: Kv = /H+/·/OH-/ = 10-14 (25 oC-on) pH skála (Sörensen) pH = - log /H+/ 0-14, savas, semleges (pH = 7), lúgos NaCl oldat semleges CH3COONa, Na2CO3 oldat lúgos, a /OH-/ koncentráció nagyobb a /H+/-nál NH4Cl oldat savas kémhatású, a /H+/ koncentráció nagyobb a /OH-/-nál pH mérés indikátorpapírral (lakmusz vörös a savas tartományban, lúgosban kék) Indikátor oldatokkal, színösszehasonlítással Indikátorok általában gyenge savak Indikátor átcsapási intervallum Pufferek: adott pH-jú oldatok, külső hatásra bizonyos mértékig ellenállnak
5.-6. óra Kémiai reakciók Csoportosítás: • Egyesülés H2 + Cl2 = 2 HCl 2 NO + O2 = 2 NO2 • Bomlás 2 H2O2 = 2 H2O + O2 disszociáció: elektrolitos Na2SO4 + (H2O) = 2 Na+ + SO42termikus Br2 = 2 Br radioaktív bomlás • Cserebomlás közömbösítés, sóképzés HNO3 + KOH = KNO3 + H2O hidrolízis Na2CO3 + H2O = 2 NaOH + H2CO3 csapadékképződés CuSO4 + K2CO3 = CuCO3 + K2SO4 fémoldás Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 3 Cu + 8 HNO3 = 3 Cu/NO3/2 + 2 NO + 4 H2O 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na/Al(OH)4/ + 3 H2 2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2 ( K2SO4 + 2 NaNO3 = 2 KNO3 + Na2SO4) Idő szerint: • Pillanat reakciók • Lassú folyamatok • Egyensúlyra vezetők Reakciósebesség Egységnyi idő alatt átalakult anyag mennyisége (kiindulási, reagáló komponens) H2 + Cl2 = 2 HCl (klórdurranógáz) v = -Δ/H2/: Δt nem állandó, a reakció előrehaladásával csökken, teljes átalakuláskor nulla sebességi egyenlet: v = k·/H2/·/Cl2/ k: sebességi állandó, adott hőmérsékleten ha együttható is szerepel az egyenletben: N2 + 3 H2 = 2 NH3
v = k·/N2/·/H2/3 reakciórend: kitevők összege felezési idő: kezdeti koncentráció a felére csökken elsőrendű reakció esetén: t1/2 = 0,693/k A reakciósebesség függ: A reagáló anyagok koncentrációjától Hőmérséklettől (20 OC növekedés esetén a reakciósebesség kétszeresére nő) Katalizátortól (minőség és koncentráció) Katalizátor felületétől A reakcióhoz aktívált állapot szükséges, aktíválási energia Arrhenius egyenlet: k = A·e-ΔH/RT Katalizátor homogén és heterogén Ólomkamrás kénsavgyártás 2 SO2 + O2 = 2 SO3 NO katalizátor, ez is gázhalmazállapotú 2 NO + O2 = 2 NO2 NO2 + SO2 = NO + SO3 Kontakt kénsavgyártás Pt, vagy V2O5 szilárd katalizátor Kémiai egyensúlyok H2 + F2 = H2F2 pillanatreakció H2 + Cl2 = 2 HCl kék fénnyel megvilágítva H2 + Br2 = 2 HBr melegítés hatására H2 + I2 = 2 HI egyensúlyra vezet Reakciósebesség mindkét irányban v1 = k1·/H2/·/I2/, v2 = k2·/HI/2 Egyensúlyban v1 = v2 K = k1/k2 = /HI/2 / /H2/·/I2/ tömeghatás törvénye K: kémiai egyensúlyi állandó Ammónia szintézis N2 + 3 H2 = 2 NH3 Haber-Bosch eljárás: nyomás, hőmérséklet, katalizátor (Pt, K2CO3, Al2O3) Elméleti konverzió: 18%, valóságban 11% Le Chatelier-Brown elv, legkisebb kényszer elve Nyomás növelés kedvez (térfogat, mólszám csökkenés), 350 atm (MPa) Hőmérséklet csökkenés kedvez (exoterm, hőtermelő reakció), de a katalizátor működéséhez mégis 500 OC szükséges Egyensúly befolyásolása reagáló anyagok mennyiségének növelésével, vagy a keletkező termékek eltávolításával, pl. víz, sav megkötésével
CH3COOH + C2H5OH = CH3COOC2H5 + H2O Az egyensúly eltolása az etil-acetát képződés irányába: • Ecetsav vagy etil-alkohol fölöslegben • Etil-acetát kidesztillálása • Víz megkötése szárítószerrel A katalizátornak nincs hatása az egyensúlyra, csak gyorsítja a folyamatot FeCl3 + 3 H2O = Fe/OH/3 + 3 HCl Sósav hozzáadása feloldja a vaskloridot és visszaszorítja a hidrolízist Sav-bázis egyensúlyok Erős savak (HCl, HNO3, H2SO4) és erős bázisok (NaOH, KOH) vízben teljes mértékben disszociálnak, gyenge savak (CH3COOH, H2CO3) és gyenge bázisok (NH4OH) csak részben CH3COOH = CH3COO- + H+ H+ + H2O = H3O+ Ks = /CH3COO-/·/H3O+/ //CH3COOH/ 10-5 A víz ionszorzata, pH, pufferek Pufferoldatok pH-ja: /H+/ = Ks·/sav//só/ Gyenge sav és sója CH3COOH + CH3COONa Gyenge bázis és sója NH4OH + NH4Cl Különböző savanyú sók NaH2PO4 + Na2HPO4 Néhány anyag és biológiai minta pH-ja 1 mólos HCl gyomorsav citromlé ecet szódavíz sör feketekávé tej vér tengervíz 0,1 mólos NaHCO3 gyomorsavmegkötő magnéziatej szalmiákszesz 1 mólos NaOH
0 1,0-3,0 2,2-2,4 2,4-3,4 3,9 4,0-4,5 4,7-5,1 6,4 7,4 7,0-8,3 8,4 10,5 11,9 14
7.-8.óra Heterogén egyensúlyok 2 C + O2 = 2 CO K = /CO/2 / /C/2·/O2/ A szén szilárd, az oxigén és szén-monoxid gáz, a gázfázisban levő anyagok határozzák meg az egyensúlyt. K = /CO/2 / /O2/ parciális nyomással kifejezve CaCO3 = CaO + CO2 mészégetés Ha a CO2 nem tud eltávozni, egyensúly áll be: K =p/CO2/ Oldhatósági szorzat: rosszul oldódó sók telített oldatára (adott hőmérsékleten) AgCl = Ag+ + ClPbI2 = Pb2+ + 2 IA szilárd anyagok „koncentrációja” nem szerepel az egyensúlyban L = /Ag+/·/Cl-/ L = /Pb2+/·/I-/2 reagens fölöslegben alkalmazva: tökéletesebb leválasztás Sav-bázis elméletek, vegyületek csoportosítása Arrhenius elmélet: vizes oldatban a savak növelik a /H+/ koncentrációt, a bázisok a /OH-/ koncentrációt. HCl, HNO3, H2SO4 savak, NaOH, NH4OH bázisok Hátrányok: csak vizes közegre, H+ helyett valójában H3O+, amfoter vegyületeket nem értelmezi Brönsted elmélet: savak protont adnak le, bázisok protont vesznek fel A (sav) = B (bázis) + H+ Minden savnak megvan a megfelelő (konjugált) bázis párja Nemcsak semleges molekulák, hanem ionok is Nincs a vízhez kötve Sav és bázis reakciója újabb savat és bázist eredményez (korrespondáló savbázis elmélet) Amfoter jelleget is magyarázza A1 + B2 = A2 + B1 HCl + H2O = H3O+ + ClNH3 + H2O = NH4+ + OHH2SO4 = H+ + HSO4HSO4- = H+ + SO42-
a víz bázis a víz sav a HSO4- ion bázis a HSO4- ion sav
Lewis elmélet: savak elektronpárt vesznek fel, bázisok elektronpárt adnak le Protont nem tartalmazó anyagokra is NH3 + AlCl3 = H3N – AlCl3 A termék donor-akceptor adduktum Savak: hidrid típusú savak: H2F2, HCl, HBr, HI, HCN oxosavak: H2SO3, H2SO4, HNO2, HNO3 tiosavak: H2S2O3, H2CS3 savanhidrid: H2SO4 – H2O = SO3 semleges vegyület savmaradék: H2SO4 – 2 H+ = SO42- ion savgyök: H2SO4 – 2 ·OH = ··SO2 gyök víztartalom függvényében: orto-, piro-, metaP2O5 + H2O = 2 HPO3 meta-foszforsav P2O5 + 2 H2O = H4 P2O7 piro-foszforsav P2O5 + 3 H2O = 2 H3PO4 orto-foszforsav Változó oxidációfokú központi atom savai: HOCl hipoklórossav HClO2 klórossav HClO3 klórsav HClO4 perklórsav H3PO2 hipofoszforossav H3PO3 foszforossav H3PO4 foszforsav H2SO3 kénessav H2SO4 kénsav Sók csoportosítása • Szabályos sók: KCl, NaNO3, Al2(SO4)3, (NH4)2CO3 • Savanyú sók: NaHCO3, KHSO4 • Bázisos sók: Ca(OH)Cl, Bi(OH)2NO3 o Egyszerű sók: NaCl … o Összetett sók: - kettős sók: NaKSO4 (Na2SO4 + K2SO4) - vegyes sók: NaKSO4 (NaOH + KOH + H2SO4) - komplexek: K/Ag(CN)2/, /Cu(NH3)4/SO4
Bázisok • Oxobázisok: NaOH … • Tiobázisok: (NH4)SH Bázisanhidrid: 2NaOH – H2O = Na2O Tiobázisanhidrid: 2 (NH4)SH – H2S = (NH4)2S Komplex vegyületek Központi atom, elsősorban d-elemek (fémek) Ligandumok: anionok (Cl-, OH-, CN-), semleges molekulák (H2O, NH3) Koordinációs szám, elsősorban 4 és 6, de lehet 2 is Jellemzők: § Összetétel § Térszerkezet § Stabilitás § Oldhatóság § Szín § Mágneses tulajdonságok Termokémia Képződéshő: elemeiből való 1 mól anyag képződéséhez szükséges energia Elemek képződéshője nulla Reakcióhő: keletkezett anyagok képződéshőjéből a kiindulási anyagok képződéshőjének levonásával kapott érték C2H5OH + 3 O2 = 2 CO2 + 3 H2O…ΔH h1 h2 h3 h4 képződéshők, h2(O2) = 0 ΔH = 2 h3 + 3 h4 – h1 – 3 h2 (ez az alkohol égéshője) Hess tétele: a folyamat energia szükségletét csak a kezdeti és a végállapot határozza meg Exoterm (hőtermelő) és endoterm (hőemésztő) reakciók
9.-10. óra Elektrokémia Vezetők, szigetelők Vezetők: - elsőfajú (primer): fémek, elektronok vezetik az áramot - másodfajú (szekunder): elektrolitok, oldatok, olvadékok, ionok vezetik az áramot elektromos vezetés (vezetőképesség) = az ellenállás reciproka G = 1/R, Siemens = 1/ohm Cink lemez réz-szulfát oldatban: cink oldatba megy, fém réz kiválik, cementáció Zn = Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e = Cu Cink lemez cink-szulfát oldatban, a cink lemez az elektród, a cink-szulfát oldat az elektrolit Határfelületen potenciálkülönbség: elektródpotenciál Elektródreakció: fémoldódás, oxidáció fémkiválás, redukció Galvánelem, kémiai reakció áramot termel Két elektrolit elválasztva diafragmával, vagy két külön pohárban, közte áramkulcs vagy sóhíd (Na2SO4 oldat) Daniell elem Anódos fémoldódás: Zn = Zn2+ + 2e Katódos fémkiválás: Cu2+ + 2e = Cu Elektródpotenciál az anyagi minőség és az elektrolit ionkoncentrációjának függvénye Ha ci = 1, 1gion/l, normál elektródpotenciál Ha T = 298 K (25 OC), p = 101 kPa (1 atm), standard elektródpotenciál Nernst egyenlet: ε = εo + RT/zF·ln ci = εo + 0,059/z·lg ci elektródpotenciál skála nulla pontja a hidrogén εo = 0 V Elektromotoros erő: E = ε1 – ε2 A Daniell elemben a réz a katód, a + elektród, itt Cu2+ + 2e = Cu, fémkiválás a cink az anód, a – elektród, itt Zn = Zn2+ + 2e, fémoldódás Egységnyi ionkoncentrációjú elektrolitokban: E = ε1 – ε2, ε1 = εo (Cu) = + 0,35 ε2 =εo (Zn) = - 0,76 E = + 0,35 – (-0,76) = 1,11 V Elektródpotenciálsor: ________________________________________________________________ - Li Na Mg Al Zn Fe Sn H Cu Hg Ag Cl Au F + 3,06 0 2,85 (V)
Koncentrációs elem: azonos elektródok, azonos elektrolitok, csak az oldatok koncentrációja eltérő Töményebb oldatban fémkiválás: Ag+ + e = Ag Hígabb oldatban fémoldódás: Ag = Ag+ + e E = 0,059/z·lg c1/c2, c1 a töményebb Redoxpotenciál Galvánelemben indifferens elektród (Pt), egyik elektrolitban Fe2+ és Fe3+ ionok, másikban Sn2+ és Sn4+, áramkulcs ε = εo + RT/zF·ln /ox/ / /red/, itt εo a redox normálpotenciál a pozitívabb redoxpotenciálú rendszer oxidálja a másikat 2 Fe3+ + Sn2+ = 2 Fe2+ + Sn4+ εo (Fe2+/Fe3+) = + 0,76 εo (Sn2+/Sn4+) = + 0,15 V a redox tulajdonság partnerfüggő Leclanché elem (zseblámpa elem, szárazelem) anód: Zn = Zn2+ + 2e anódos oxidáció katód: MnO2-dal körülvett szén rúd katódos redukció MnO2 depolarizátor, megakadályozza a hidrogén fejlődést Elektrolit: NH4Cl oldat, kocsonyában felitatva Katódon: 2 NH4+ + 2 MnO2 + 2e = Mn2O3 + 2 NH3 + H2O Zn2+ + 2 NH3 = /Zn(NH3)2/2+ Összesített folyamat: Zn + 2 NH4Cl + 2 MnO2 = /Zn(NH3)2/Cl2 + Mn2O3 + H2O Akkumulátorok: reverzibilis galvánelemek, kisütés után töltéssel újra használhatók Ólomakkumulátor: Pb és PbO2 elektródok, 30%-os H2SO4 elektrolit Anódon: Pb + SO42- = PbSO4 + 2e Katódon: PbO2 + 4 H3O+ + SO42- + 2e = PbSO4 + 6 H2O Összesített folyamat: Pb + PbO2 + 2 H2SO4 = 2 PbSO4 + 2 H2O Balról jobbra kisütés, jobbról balra töltés Sűrűségmérés areométerrel a kénsav koncentráció meghatározására NiFe lúgos akkumulátor: Ni és Fe elektródok, 20%-os KOH oldat elektrolit Fe + 2 Ni(OH)3 = Fe(OH)2 + 2 Ni(OH)2 R = ρ·l/q ρ fajlagos ellenállás κ= 1/ρ κ fajlagos vezetés κ = l/Rq térfogategységnyi (1 cm3) elektrolit oldat fajlagos vezetése λ = κ/c λ moláris vezetés, 1 mól oldott anyagot tartalmazó oldat vezetése κ – c összefüggés (H2SO4) λ – φ összefüggés φ = 1/c higítás
Elektrolízis: elektromos áram hatására kémiai változás, pl. fémleválasztás Faraday törvénye: m = k·I·t a leválasztott fém mennyisége arányos a töltéssel (áramerősség·idő) 96500 Coulomb = 26,8 Amperóra = 1 F (Faraday) egyenértéknyi anyag leválasztásához szükséges töltésmennyiség (pl. Cu, Ni, Ag, Hg)
11.-12. óra Periódusos rendszer Dmitrij Ivanovics Mengyelejev (1834 – 1907) • Növekvő atomsúly szerint rakta sorba az elemeket • Bizonyos fizikai és kémiai tulajdonságok periodikus változást mutattak • Egy csoportba sorolta a hasonló tulajdonságú elemeket • Üres helyek az akkor még ismeretlen elemeknek, 63 ismert elem • 1869. febr. 17. • 1885-ig felfedezték a Ga-ot, Sc-ot, Ge-ot • Vele egyidőben Julius Lothar Meyer is kidolgozott egy hasonló rendszert 1869 végén Ma: • • • • • •
A rendszám határozza meg az elemek helyét A tulajdonságok az elektronszerkezet függvényei Háromféle periodicitás Werner-féle hosszú periódusos rendszer (1905) Korróziós Figyelő 45, 204-207 (2005) Elemek elnevezése: mitológiai személyekről tulajdonságokról égitestekről földrajzi helyekről híres emberekről (tudósokról)
Elemek o o o o o
Elektronszerkezet, rácsszerkezet Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előfordulás Előállítás
Elektronszerkezet, rácsszerkezet Rendszám, atomtömeg Vegyértékhéj, oxidációfok Elektronegativitás Elektródpotenciál (vizes oldatokban) Atomokból halmazok, különböző rácsok, rácsösszetartó erők Tulajdonságok függnek: - rácstípus - rácsösszetartó erők - atomméret - atomtömeg, rendszám - szennyezők Fizikai tulajdonságok Halmazállapot: legtöbb szilárd (op.: W 3370 OC), néhány gáz, néhány folyékony (fp.: Hg -39, Cs +28,5, Ga +30 OC) Op, fp: halogéneknél lefelé nő (molekularács, polarizálhatóság, van der Waals) széncsoportban lefelé csökken (atomrács, atomméret) Sűrűség: 5 g/cm3 alatt könnyű fémek, fölötte nehézfémek (Os 22,5 g/cm3) Mechanikai tulajdonságok (keménység, ridegség, nyújthatóság, megmunkálhatóság), szennyezők, ötvözők befolyásolják Mágneses tulajdonságok - paramágneses: párosítatlan elektronok okozzák - ferromágneses: vascsoport - diamágneses: lezárt héjak fényelnyelés (szín), fény áteresztő képesség (átlátszóság, gyémánt, csak a nagyenergiájú UV sugárzást engedi át), fényvisszaverés Elektromos és hővezetés: Wiedemann-Franz szabály λ/κ·T = konstans Vezetők, félvezetők, szigetelők Legjobb vezetők a rézcsoport elemei
Sávelmélet:
üres sáv tiltott sáv vezetési sáv (részlegesen betöltött) betöltött sáv (lehet átfedés is)
Tiltott sáv eV C 5,5 Si 1,12 Ge 0,75 α-Sn 0,10
szigetelő félvezető félvezető vezető
Mindegyik gyémántrács, atomméret nő Félvezetők: Hőmérsékleti vagy intrinsic félvezetők Szennyezéses félvezetők: n-típusú As-nal szennyezett Ge p-típusú In-mal szennyezett Ge (lyukvezetés) Ötvözetek Fémek elegyei vagy keverékei, fémes állapot, fémes kötés, megolvasztott fémelegyek lehűtésekor keletkeznek Fémes kötés megmarad, mechanikai és egyéb tulajdonságok (pl. korrózió állóság) jelentősen változnak Típusai: 1.Szilárd oldatok • Addíció (intersticiális oldat) 10-15 %-nál nagyobb méretbeli különbség • Szubsztitúció • Szuperpozíció (szuperrács) 2.Fémvegyületek (intermetallikus ötvözetek) adott összetételnél új fázis 3.Eutektikumok korlátozott elegyedés,
Kémiai tulajdonságok 1.Vízzel: Oxigén fejlődés F2 + H2O = H2F2 + ½ O2 Cl2 + H2O = HOCl + HCl HOCl = HCl + O + 0,815 V-nál pozitívabb elektródpotenciálú elemek Hidrogén fejlődés Na + H2O = NaOH + ½ H2 Ca + 2 H2O = Ca(OH)2 + H2 -0,414 V-nál negatívabb elektródpotenciálú elemek
Magas hőmérsékleten gyökös folyamatok 3 Fe + 4 H2O = Fe3O4 + 4 H2 (700 OC) C + H2O = CO + H2 (1000 OC) vízgáz P4 + 16 H2O = 4 H3PO4 + 10 H2 (1000 OC) 2.Savval: Hidrogén fejlődés
Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2 Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 Sn + 2 HCl = SnCl2 + H2 (lassan) Pb + HCl vagy H2SO4 oldhatatlan PbCl2 vagy PbSO4 Negatív elektródpotenciálú elemek
Cu + 2 H2SO4 = CuSO4 + SO2 + H2O Pozitív elektródpotenciálú elemek csak oxidáló savakban oldódnak Passzíválás: Cr, Al, Fe + cc. HNO3, cc. H2SO4 Oldhatatlan vegyület: Sn + cc. HNO3 = SnO2·xH2O Savkeverékek
Au + HNO3 + 4 HCl = H/AuCl4/ + NO + H2O (királyvíz) 3 Pt + 4 HNO3 + 18 HCl = 3 H2/PtCl6/ + 4 NO + 8 H2O 3 Si + 4 HNO3 + 9 H2F2 = 3 H2/SiF6/ + 4 NO + 8 H2O B + HNO3 + 2 H2F2 = H/BF4/ + NO + 2 H2O
Nemfémes elemek P4 + 20 HNO3 = 4 H3PO4 + 20 NO2 + 4 H2O 3 I2 + 10 HNO3 = 6 HIO3 + 10 NO + 2 H2O S + 2 HNO3 = H2SO4 + 2 NO 3.Lúggal: Diszproporció
Cl2 + 2 NaOH = NaCl + NaOCl + H2O 3 I2 + 6 KOH = 5 KI + KIO3 + 3 H2O 4 S + 6 NaOH = 2 Na2S + Na2S2O3 + 3 H2O P4 + 3 KOH + 3 H2O = PH3 + 3 KH2PO2
Só és H2
Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 2 B + 6 NaOH = 2 Na3BO3 + 3 H2
Komplex és H2
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na/Al(OH)4/ + 3 H2 Zn + 2 NaOH + 2 H2O = Na2/Zn(OH)4/ + H2
Előfordulás Elemi állapotban: levegőben (N2, O2, nemesgázok) C, S, Hg, Au Vegyületekben: ércek, ásványok, kőzetek (oxidok, szulfidok, karbonátok, szilikátok) Előállítás 1.Elemi állapotból: fizikai szétválasztás, tisztítás N2, O2, nemesgázok, C, S, Hg, Cu, nemesfémek ciánlúgozás (Au) 4 Au + 16 NaCN + 6 H2O + 3 O2 = 4 Na/Au(CN)4/ + 12 NaOH 2 Na/Au(CN)4/ + 3 Zn + 4 NaCN = 2 Au + 3 Na2/Zn(CN)4/ 2.Vegyületekből oxidációval: Cl- - e (anódos oxidációval) = ½ Cl2 2 I- + Cl2 = I2 + 2 ClH2S + ½ O2 (levegő) = S + H2O 3.Vegyületekből redukcióval: Katódos redukció NaCl olvadék elektrolízise Na timföld olvadék elektrolízise Al Karbotermikus redukció Fe2O3 + 3 C = 3 CO + 2 Fe Fe2O3 + 3 CO = 3 CO2 + 2 Fe Sn, Pb, Zn, Cd, As, Sb, Bi, Cu Aluminotermikus redukció Cr2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Cr Co, Si, Ba, V, Nb, Ta, Mo, Mn Szilikotermikus redukció
3 BaO + Si = BaSiO3 + 2 Ba dolomitból (MgCO3·CaCO3) Mg
Redukció hidrogénnel
WO3 + 3 H2 = 3 H2O + W
4.Vegyületekből termikus disszociációval TiI4, BBr3, VCl4, Ni(CO)4, HgO
13.óra Nemfémes elemek Hidrogén Prócium, deutérium, trícium: izotópok, eltérő fizikai és kémiai tulajdonságok Színtelen, szagtalan gáz, fp. -253 OC, kritikus hőmérséklet – 240 OC, nehezen cseppfolyósítható Jó diffúzióképesség (kicsi), gumicsövön és kvarccsövön is átdiffundál Pd, Pt oldja: intersticiális hidridek, összetétel függ a hőmérséklettől Vízben rosszul oldódik, 0,08 g/cm3, hővezetése a levegőnél nagyobb Kémiai tulajdonságok H – H erős kötés, - 436 kJ/mól H2 = 2 H (2500 OC-on α = 3%) Oxidációfok: +1 (H+), -1 (H-) Reakciói: H2 + F2 = H 2F2 (robbanásszerűen) H2 + Cl2 = 2 HCl (UV fény, klórdurranógáz) H2 + Br2 = 2 HBr (melegítéssel) H2 + I2 = 2 HI (egyensúly) H2 + ½ O2 = H2O (szikra, durranógáz) H2 + S = H2S (300 OC) 3 H2 + N2 = 2 NH3 (500 OC, 300 atm) H2 + 2 C = C2H2 (2500 OC) Fémekkel hidrideket képez (H-), LiH sószerű Ónium ionok: H3O+, NH4+, NH3-NH2+, C2H5OH2+ Redukál: CuO + H2 = Cu + H2O (3-400 OC) CdS + 2 H = Cd + H2S BaSO4 + 8 H = BaS + 4 H2O Előfordulás: levegőben 0,01% Előállítás laborban: Zn, Fe + HCl, H2SO4 Zn, Al + NaOH Na, K + H2O LiH, NaH + H2O Előállítás iparban: 1.Vízgáz szintézis: C + H2O = CO + H2 (1000 OC) CO + H2O = CO2 + H2 (450 OC, Fe2O3 + Al2O3) CO2 + H2O (25 atm)
CO nyomok eltávolítása: CO + NaOH = HCOONa vagy ammóniás CuCl oldattal 2.Földgázból: CH4 + H2O = CO + 3 H2 (900 OC, Al2O3/Ni katalizátor) CO + H2O = CO2 + H2 véggázban 79% H2, 20% CO2, 1% szénhidrogén 3.Víz elektrolízise 4.NaCl oldat elektrolízise: katódon NaOH + H2 Anódon Cl2 Felhasználás: Vegyipari alapanyag: NH3, szintetikus benzin, katalitikus hidrogénezés Hegesztés Piros színű palackban, 150 atm Halogének Kétatomos molekulák, molekularács, van der Waals erők F2: zöldessárga, gáz Cl2: sárgászöld, gáz Br2: vörösbarna, folyadék I2: ibolya, szilárd Fizikai oldódás vízben (Cl2), KI-oldatban (I2, Lugol oldat KI3), szerves oldószerekben (Cl2, Br2, I2) Oxidációfok: -1 (halogenidek), +1, +3, +5, +7 (halogenátok) Kémiai oldódás vízben (F2: H2F2, Cl2: HOCl + HCl), lúgban (Cl2: NaOCl + NaCl, I2: KI + KIO3) Oxidáló tulajdonságúak Előállítás: KHF2 elektrolízise (Pt vagy Cu, Ni, Mg edény, grafit anód) NaCl oldat vagy olvadék elektrolízise 2 NaCl + 2 H2SO4 + MnO2 = Cl2 + MnSO4 + Na2SO4 + 2 H2O 2 KBr + Cl2 = Br2 + 2 KCl 2 KI + Cl2 = I2 + 2 KCl 4 NaIO3 + 10 NaHSO3 + 3 Na2CO3 = 10 Na2SO4 + 5 H2O + 3 CO2 + 2 I2 ( a chilei salétrom anyalúgjából) Felhasználás: Műanyagipar (teflon, F2, Cl2), vegyipar (Cl2), fényképészet, gyógyszerek, festékipar (Br2), fertőtlenítés (Cl2, I2) Cseppfolyós Cl2 vaspalackban
Oxigén Kétatomos molekula, paramágneses, molekularács Színtelen, szagtalan gáz, fp. -183 OC, nehezen cseppfolyósítható (krit. hőm. -118 O C), vízben a nitrogénnél jobban oldódik Oxidálószer, a halogéneken kívül minden elemmel közvetlenül reagál Oxidációfok -2, peroxidokban -1 Előállítás: Levegő cseppfolyósítása, majd frakcionált desztillációval Elektrolízissel Laborban: HgO termikus disszociációjával 2 KClO3 = KCl + KClO4 + O2 KClO4 = KCl + 2 O2 Keletkezik az asszimiláció során 6 n CO2 + 5 n H2O + (klorofill) = (C6H10O5)n + 6 n O2 Felhasználás: Kohászat, hegesztés, vegyipar Kék színű palackban, 150 atm Ózon háromatomos molekula, O3, erősen oxidál, könnyen bomlik 3 O2 = 2 O3 (fény hatására) Sztratoszférában (15-50 km) vékony réteg, elnyeli a káros UV-B (290-320 nm) sugárzást. Ózonlyuk: extrém hideg (-78 OC) napfény ózonbontó anyagok (CFC-k, Cl-gyök) Előállítás elektromos kisüléssel Felhasználás: Oxidálószer (ozonidok, peroxidok) Víztisztítás(csíraölő, fertőtlenítő) Élelmiszeripari fertőtlenítő (nincs káros melléktermék) Szagtalanító Ízesítőszer (borok öregítésére) Kén Sárga, szilárd, számos allotróp módosulat, rombos, monoklin, nyolcas gyűrű, lineáris lánc, egymásba átalakíthatók Oxidációfok -2, +2, +4, +6
Fizikailag oldódik CS2-ben Kémiailag oldódik: HNO3, NaOH, (NH4)2S Közvetlenül reagál minden elemmel, a halogénekkel is S + O2 = SO2 Fe + S = FeS (300 OC) Kéntelepek keletkezése: 2 H2S + SO2 = 2 H2O + 3 S Előállítás: Szicíliában kiolvasztják a kőzetekből (25% S-tart.) USÁ-ban 150-240 m mélyen futóhomok alatt, kinyerés Frasch eljárással Szén, kőolaj, földgáz kéntartalmának kinyerése oxidációval Felhasználás: Vegyipar (H2SO4), növényvédőszerek, gyógyszerek, festékek, vulkanizálás Nitrogén Színtelen, szagtalan, nehezen cseppfolyósítható gáz (fp. -196 OC) Stabilis kétatomos molekula, erős hármas kötés, disszociációs energia -945 kJ/mól. Csak magas hőmérsékleten reagál, kivéve: Li, Mg, Al (Li3N, Mg3N2, AlN) N2 = 2 N (3000 OC, α = 1%) N2 + O2 = 2 NO (ívfény) N2 + 2 C = (CN)2 (ívfény) N2 + Si = Si3N4 (2000 OC) N2 + B = BN (1200 OC) N2 + 3 H2 = 2 NH3 Előállítás: Levegő cseppfolyósítás, frakcionált desztilláció) Generátorgázból: C + levegő = CO + N2 CO + H2O = CO2 + H2 NH4NO2 hevítése: NH4NO2 = N2 + 2 H2O Felhasználás: Vegyipari alapanyag (NH3, HNO3), műtrágyaipar, inert védőgáz Foszfor Több módosulat Sárga P4, mérgező, oldódik zsírokban, szerves oldószerekben CS2-ben, reakcióképes, víz alatt tárolják Vörös, lineáris makromolekula, stabilis Fekete, síkhálós szerkezetű, fémes
Könnyen reagál minden elemmel, termékek: PCl3, PCl5, P4O6, P4O10, fémekkel foszfidok, pl. Ca3P2 Oldódás HNO3-ban, KOH-ban Előállítás: Foszforitból: Ca3(PO4)2 + SiO2 = CaSiO3 + P4O10 P4O10 + 10 C = 10 CO + P4 (1300 OC) Felhasználás: Gyufa, műtrágyák, H3PO4 Szén Többféle módosulat, eltérő tulajdonságokkal Gyémánt: oktaéderes, atomrács, op. 3850 OC, nagy rácsenergia, kemény (Mohs skála 10), ΔE = 5,5 eV, szigetelő, átlátszó Grafit: hexagonális rétegrács, köztük van der Waals erők, puha, Mohs: 1, fekete (a látható fényt is abszorbeálja), hasítható, vezető Amorf szén: mikrokristályos, rácshibás grafit, felülete oxidos Grafit – gyémánt, magas hőmérsékleten, többezer atm. nyomáson Fullerén: 60 atomos molekula Buckminster Fuller mérnök és filozófus, 1967-es montreali Expo amerikai pavilonja, optimális görbületű kupola, 12 ötszögből és 20 hatszögből 1985. szept. 1-8. Texasi Rice Egyetem kutatói, He áramban lézeres úton elgőzölt grafit kondenzálásával nyert kormot benzollal extrahálták, beszárították Buckyball Nagy stabilitás, szupravezető származékok, hőálló kenőcsök, vízálló anyagok, gázszűrők, jó elektromos vezető csövek Kémiai tulajdonságok Csak magas hőmérsékleten reagál nemfémes elemekkel (O2, S, N2, H2) Fémekkel karbidok Redukálószer: Na2SO4 + 4 C = Na2S + 4 CO H2O + C = CO + H2 oxidok + C = fém + CO Felhasználás: kohászat, vegyipar, energiaipar, koksz, faszén, aktív szén, korom
Szilícium Gyémántrács, szürke, rideg, Mohs: 7, op. 1414 OC, ΔE = 1,12 eV, félvezető magasabb hőmérsékleten reagál: SiCl4, SiO2, SiS2, SiN, SiC, fémekkel szilicidek Oldódás: HNO3 + H2F2, NaOH Előállítás: SiO2 + C + Fe = Si(Fe) ferroszilícium 2 SiO2 + 2 CaC2 = 2 Si + 2 Ca + 4 CO SiO2 + 2 Mg (vagy Al) = Si + 2 MgO (Al2O3 SiHCl3 + H2 = Si + 3 HCl (félvezető tisztaságú) Felhasználás: ötvözőelem, kohászat (szilikotermikus eljárások: Mg, Ba), félvezető, szilikonok Bór Atomrács, 12 atomos ikoziéder, Mohs: 9, op.2300 OC, acélszürke, rideg, kemény Hasonlóság a Si-hoz, elektronhiányos szerkezet, diagonál szabály reagál: halogének, O2, N2, S, C, fémekkel boridok oldódás: HNO3 + H2F2, NaOH Redukáló: B + H2O = B2O3 + H2 B + NH3 = BN + H2 B + H2S = B2S3 + H 2 B + SiO2 = B2O3 + Si Előállítás: B2O3 + 3 Mg (vagy 6 Na) = 2 B + 3 MgO (3 Na2O) 2 BCl3 + 3 H2 = 2 B + 6 HCl 2 BI3 = 2 B + 3 I2 Felhasználás: ötvözőelem, üveggyártás (B2O3), boránok
14.óra Fémek A Földön 83 fémes elem fordul elő Használati tárgyak, szerkezeti anyagok nagy része fémből készül Nagy hasonlóság: szoros illeszkedésű rácsszerkezet, fémes kötés, sávrendszer Alkáli fémek Fehérek, friss vágási felületük fémfényű, puhák, alacsony op., fp., vezetők, térben centrált köbös rács Petróleum alatt tárolják Elektronegativitás a legkisebb: 1-nél kisebb, elektródpotenciál a legnegatívabb. Oxidációfok +1 Higannyal amalgám, cseppfolyós NH3-ban fizikai oldódás Lángfestés: Li vörös, Na sárga (590 nm), K ibolya, Rb sötétvörös, Cs kék Kémiai tulajdonságok Legreakcióképesebbek, ionvegyületeket alkotnak Reduláló tulajdonságúak Hidrogénnel sószerű hidridek Vízzel, alkohollal, ammóniával H2-t fejlesztenek Oxigénnel: Li2O, Na2O2, KO2 Li – Mg hasonlóság (diagonál szabály): Li3N, normál oxid, CO32-, PO43oldhatatlan, szerves vegyületek Előállítás: olvadék elektrolízissel (LiCl, NaCl, KCl), grafit elektródok, anódon Cl2 fejlődés Felhasználás: fotocellák, redukálószerek, vegyületeik Alkáli földfémek Fehérek, fémfényűek, sűrűségük kicsi, nyújthatók, a triád tagjai (Ca, Sr, Ba) csak petróleum alatt, lángfestők Kémiai tulajdonságok: Reakcióképesek, redukálószerek Be vízgőzzel, Mg forró vízzel, a triád hidegen is: rosszul oldódó hidroxid + H2 Vegyületek: SO42- oldhatóság Be – Ba csökken OH- oldhatóság Be – Ba nő CO32- termikus stabilitás Be – Ba nő F-, CO32-, PO43-, oxalát oldhatatlan Be – Al hasonlóság: cc. HNO3 passzívál, NaOH-dal H2, halogenidek Be2C + 4 H2O = 2 Be(OH)2 + CH4 Grignard vegyületek: CH3I + Mg + (C2H5)2O
Előállítás: olvadék elektrolízissel (berillből BeCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2) MgCO3 (magnezit) – MgO + C (2200 OC) = Mg + CO MgCO3·CaCO3 (dolomit) – redukálás Si(Fe) –mal Felhasználás: ötvözők (Be, Mg), szerves szintézisek (Mg), elektroncsövek (Ba), gyógyászat (90Sr) Alumínium Szürke, könnyű (2,7 g/cm3), jó vezető, nyújtható, op. 660 OC, felületén vékony oxidréteg, vastagítható eloxálással (anódos oxidáció kénsavban vagy oxálsavban), pácolással (Na2CO3 + K2Cr2O7) Kémiai tulajdonságok: Oxidációfok: +3 Oldódás savban, lúgban, cc. HNO3 passzíválja Reakció nemfémes elemekkel: AlCl3, Al2S3, Al4C3, Al2O3 Előfordulás: Bauxit: AlO(OH) diaszpor, bőhmit, Al(OH)3 hidrargilit, Al2O3, Fe2O3, SiO2, TiO2, V2O5, Ga, H2O Előállítás: bauxitból, levegőn szárítás, golyósmalomban őrlés, 500 OC-on szárítás, NaOH-dal feltárás, higítás, szűrés (vörösiszap), Al(OH)3 oltóhidrát, szűrés, mosás, forgó kemencében izzítás 1200 OC-on = timföld (Al2O3) Kriolittal (Na3AlF6) 900-1000 OC-on olvadék elektrolízis, grafit elektródok, alul Al, anódon O2 + 2 C = 2 CO, 5-7 V, 50-80 kA Felhasználás: fólia, vezetők, repülőgépek, vegyipar, kohászat, ötvözetek, épületek Ón Három allotróp módosulat: α gyémántrács 13,2 OC – β térben centrált tetragonális 161 OC – γ rombos – op. 232 OC ónpestis puha, közepes vezető, nehézfém, nem mérgező, felületén oxidréteg oxidációfok +2, +4 savban, lúgban oldódik, cc. HNO3 passzíválja előállítás: SnO2 + 2 C = Sn + 2 CO, tisztítás csurgatással és buzgatással felhasználás: ónbevonat (konzervdoboz), ötvözetek (bronz Cu/Sn, lágyforrasz Sn/Pb, betűfém Sn/Sb), szerves ónvegyületek (gombaölők, térhálósító katalizátorok)
Ólom Puha, közepes vezető, nehézfém (11,3 g/cm3), alacsony op. (327 OC), felületén oxidréteg, mérgező Oxidációfok +2, (+4) Oxidjai: PbO, PbO2, Pb3O4 Oldódik HNO3-ban, PbCl2, PbSO4 Vízben Pb3(OH)2(CO3)2 oldhatatlan Desztillált vízben Pb(OH)2 kissé oldódik Agresszív CO2-ot tartalmazó vízben Pb(HCO3)2 oldódik Előállítás: reakciós eljárás: PbS + 2 O2 = PbSO4 2 PbS + 3 O2 = 2 PbO + 2 SO2 PbS + PbSO4 = 2 Pb + 2 SO2 PbS + 2 PbO = 3 Pb + SO2 Redukciós eljárás: 2 PbS + 3 O2 = 2 PbO + 2 SO2 PbO + C = Pb + CO Felhasználás: vízvezetékek, akkumulátorok, vegyipar, ólombélelések, ötvözetek, régebben festékipar, Pb(C2H5)4 d-elemek mindegyik fém, nagy hasonlóság kemények, vezetők, magas op., fp., szennyezők befolyásolják a mechanikai tulajdonságokat ötvözetképzők paramágnesesek változó oxidációfok, színes vegyületek ásványi savakban kevés oldódik, nemesfémek csak királyvízben komplexképzők Titán Kemény, magas op., 4,5 g/gm3, hőtágulása kicsi, ellenálló, felületén oxidréteg Csak magas hőmérsékleten reagál, pl. TiCl4, TiO2 cc. HNO3-ban passzíválódik előállítás Kroll eljárással: 2 TiO2 + 3 C + 4 Cl2 (900 OC) = 2 TiCl4 + 2 CO + CO2 TiCl4 + 2 Mg (800 OC) = Ti + 2 MgCl2 Felhasználás: vegyipar, gázturbinák, rakéták, TiO2 festékipar
Vanádiumcsoport: V, Nb, Ta Kemények, magas op., közepes vezetők, oxidréteg, nem reakcióképesek, magas hőmérsékleten reagálnak, oxidációfok: + 2… + 5 (színes ionok) Előállítás oxidokból Na-mal, vagy Al-mal kloridokból termikus disszociációval Felhasználás: ötvözők, Ta csavarok zománchibák javítására (kémiai ellenállása nagy), V2O5 Krómcsoport: Cr, Mo, W Legkeményebbek, ridegek, legmagasabb op., közepes vezetők, felületükön oxidréteg, oxidációfok: + 2… + 6, magas hőmérsékleten reagálnak, forró savakban oldódnak, cc. HNO3 a krómot passzíválja Cr3+ (kékeszöld), CrO42- (sárga), Cr2O72- (narancssárga) Cr(VI) környezetszennyező komplexképzők Előállítás: Cr: FeO·Cr2O3 (krómvaskő) – Cr2O3 + 2 Al = 2 Cr + Al2O3 Mo: MoS2 (molibdenit) – MoO3 + 2 Al = Mo + Al2O3 W: FeWO4 (ferberit) – WO3 + 3 H2 = W + 3 H2O Felhasználás: Cr: ötvözetek (Cr/Ni 18/8), bevonatok Mo, W: elektroncsövek, izzószálak Mangán Kissé rideg, közepes vezető, op. 1260 OC, eddigieknél reakcióképesebb Oxidációfok: + 2… + 7 MnSO4 rózsaszín, MnCO3 drapp, MnO2 fekete, KMnO4 lila, K2MnO4 zöld Előállítás: MnO2 – 3 Mn3O4 + 8 Al = 9 Mn + 4 Al2O3 Felhasználás: ötvöző, az acélt szívóssá teszi, szilárdságát növeli, ellenálláshuzal Vas Módosulatok: α- térben centrált köbös, ferromágneses – 768 OC (Curie pont) β- térben centrált köbös, paramágneses – 906 OC γ- lapon centrált köbös – 1400 OC δtérkoncentrált – op. 1535 OC megmunkálható, mechanikai tulajdonságokat a széntartalom befolyásolja, közepes vezető, 7,9 g/cm3, εo = - 0,44 V, oxidációfok:+ 2,+ 3 felületén nem védő oxidréteg, rozsda
kémiai tulajdonságok: Fe + O2 1000 OC = Fe3O4 Fe + Cl2 (H2O jelenlétében) = FeCl2 Savakban oldódik, cc. HNO3 passzíválja Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu FeO, Fe2O3, Fe3O4 Komplexek: Fe4/Fe(CN)6/3, CN-, F-, Fe(CO)5 karbonil, /Fe(C5H5)2/2+ ferrocén Vasércek: Fe2O3 hematit, Fe3O4 magnetit, FeO(OH) limonit, FeCO3 sziderit (FeS2 pirit, markazit) Nyersvasgyártás: vasércek pörkölése levegővel – Fe2O3 + CaCO3 vagy SiO2 és forró levegő – Fe (C, P, S, Si) + CO + CO2 + CaSiO3, kb. 1600 OC Acélgyártás (Martin-Siemens 1700 OC): nyersvas + 20-25% ócskavas + CaO + ötvözők – acél (C max. 1,5%) + P4O10 + SiO2 + CO2 +SO2 Felhasználás: szerkezeti anyag, szénacél, öntöttvas, acél, ötvözött acélok, vegyületei Kobalt Megmunkálható, a vasnál keményebb, mágneses (a vas 2/3-a), közepes vezető, felületén védő oxidréteg Magasabb hőmérsékleten reagál, cc. HNO3 passzíválja Vegyületei vízben rózsaszínűek, vízmentesen kékek Komplexei: NH3, CN-, CO Előállítás: CoAsS (kobaltit) – Co3O4 + Al = Co + Al2O3 Felhasználás: ötvözetek, mágnesacélok, kemény fémek Nikkel Kobalthoz hasonló Ellenáll lúgolvadékoknak is Előállítás: garnierit (Ni-Mg-szilikát) – Ni3S2 (nikkel-kénesű) – NiO – Ni(CO)4 – Ni Felhasználás: ötvözetek (Fe, Cu, Mo, Zn), korrózióállóságot növeli, katalizátorok, galvanizálás, tégelyek Platinacsoport: Ru, Rd, Pd (könnyű-), Os, Ir, Pt (nehéz-) Legellenállóbbak, vezetők, királyvízben oldódnak, változó oxidációfokúak Felhasználás: katalizátorok, tégelyek, termoelem, elektrotechnika, gyógyászat
Rézcsoport: Cu, Ag, Au Legjobb vezetők, jól nyújthatók, lapon centrált köbös rács, op. kb. 1000 OC, Cu vörös, Ag szürke, Au sárga Felületükön védőréteg: Cu: patina CuCO3·Cu(OH)2, CuO Ag: Ag2S fekete, Ag2O Au: Au2O3 Oxidációfokok: Cu +2, (+1), Ag +1, Au +3 (+1) Oldódások: Cu: H2SO4, HNO3, NH4OH +O2, KCN Ag: HNO3 Au: HNO3 + HCl Komplexek: NH3, CN-, Cl/Cu(NH3)4/SO4, /Cu(H2O)4/SO4, K/Cu(CN)2/, K2/CuCl4/ /Ag(NH3)2/Cl, K/Ag(CN)2/ H/AuCl4/, Na/Au(CN)4/ Előállítás: Cu: CuFeS2 (kalkopirit), Cu2S (kalkozin), Cu2O (kuprit), pörkölés – CuO Reakciós eljárás: Cu2S + 2 O2 = 2 CuO + SO2 Cu2S + 2 CuO = 4 Cu + SO2 Redukciós eljárás: CuO + Fe2O3 + C + SiO2 = Cu + CO + FeSiO3 Raffinálás elektrolízissel Ag, Au: ciánlúgozás, cinkes redukálás 4 Ag + 8 NaCN + 2 H2O + O2 = 4 Na/Ag(CN)2/ + 4 NaOH 2 Na/Ag(CN)2/ + Zn = 2 Ag + Na2/Zn(CN)4/ Na/Au(CN)4/ Régebben aranymosás, amalgámozás Felhasználás: Cu: elektromos ipar, szerkezeti anyag, ötvözetek (sárgaréz: Cu/Zn, bronz: Cu/Sn), Ag: mikroelektronika, tükrök (nagy fényvisszaverő képesség), fényképészet (AgBr), ékszer Au: mikroelektronika, díszítés (aranyfüst), ékszer, pénz Cinkcsoport: Zn, Cd, Hg Közepes vezetők, nehézfémek, op. alacsony: Zn, Cd 3-400 OC, Hg folyékony Be – Mg hasonlóság Oxidációfok +2, Hg esetén +1 is: -Hg-Hg- kötés Oldódás: Zn, Cd: HCl, H2SO4, HNO3, NaOH (H2 fejlődés) Hg: HNO3, forró cc. H2SO4 ZnO – CdO – HgO stabilitás csökken, szín mélyül (fehér- sárga-vörös), amfoter-amfoter-bázikus
ZnS – CdS – HgS Stabilitás nő, oldódás csökken, szín mélyül Komplexek: Zn, Cd: NH3, CN-, OHHg: K2/HgI4/ színváltó festékek Előállítás: ZnS (wurtzit, szfalerit), ZnCO3 (cinkpát) – pörkölés – ZnO + C (1200 OC) = Zn gőzöket kondenzáltatják, tisztítás desztillációval Cd a Zn kisérője, CdS (greenockit) HgS (cinóber) + O2 = Hg + SO2 Felhasználás: Zn: sárgaréz, horganybevonat (galvanizálás, tűzihorganyzás), szárazelem, festékipar Cd: mérgező, visszaszorul (bevonatok, NiCd elemek), Wood fém (alacsony op.) Hg: műszerek (hőmérők, barométerek), elektródok ( Hg2Cl2 kalomel), relék
15.óra Vegyületek Savak HCl Színtelen, szúrós szagú gáz, fp. -85 OC, vízben jól oldódik, OC-on 825 g = 507 l/ 1 liter vízben, vizes oldata a sósav. Könnyen cseppfolyósítható, krit. hőm. 51 O C, vízmentes HCl acélpalackokban A sósav a negatív εο-ú fémeket oldja H2 fejlődés közben Na2CO3 + 2 HCl = CO2 + 2 NaCl + H2O 4 HCl + MnO2 = MnCl2 + Cl2 + 2 H2O Előállítás laborban: NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl NaHSO4 + NaCl = Na2SO4 + HCl (800 OC-on) iparban: NaCl oldat elektrolízisekor – H2 + Cl2 = 2 HCl (kvarccső, H-felesleg, meggyújtva) cc. HCl: 38 % (1,19 g/cm3) Felhasználás: vegyipar, vizsgálati anyagok feloldása, fémek maratása, pácolás, galvanizálás, vízkő eltávolítás, színezékek előállítása H2F2 Színtelen, szúrós szagú gáz, fp. 19,9 OC, krit. hőm. 188 OC, vízben korlátlanul oldódik, vizes oldata a folysav Protonhidas asszociátumok: (HF)n H2F2 + H2O = H3O+ + HF2- (van KHF2) Oldja az üveget és a kvarcot is: SiO2 + 2 H2F2 = SiF4 + 2 H2O SiF4 + H2F2 = H2/SiF6/ B2O3 + 4 H2F2 = 2 H/BF4/ + 3 H2O H2F2 –ban nem oldódik: nemesfémek, Pb, Cu és Ni felületén CuF2, NiF2 összefüggő oldhatatlan réteg 40 %-os vizes oldat műanyag edényben (ólom- és vastartályokban) Előállítás laborban: KHF2 hevítésével – KF + HF iparban: CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + H2F2 Felhasználás: üvegmaratás, szilikátok feltárása, maratás, zománctalanítás, galvanizálás, katalizátor, fluorozott szénhidrogének, teflon, fluoridok előállítása H2SO4 Olajszerű, higroszkópos folyadék, op. 10,5 OC, vízzel minden arányban elegyedik, H2SO4 + H2O: térfogatcsökkenés, 1,84 g/cm3 Szerves anyagokat is elroncsolja: C6H12O6 (cukor) + H2SO4 – 6 C + 6 H2O
Erős vízelvonó Higításkor erős hőfejlődés Elektromos vezetés a koncentráció függvénye, max. kb. 30 % Erős, kétbázisú, oxidáló sav Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 Cu + 2 H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2 H2O Sói a szulfátok: gálicok: CuSO4·5H2O, timsók: KAl(SO4)2·12H2O, oldhatatlanok: Ca, Sr, Ba, Pb, Hg2, Ag Óleum: + SO3 (H2S2O7), 10-60 % cc. H2SO4: 98 %, a vasat passzíválja, öntöttvas edényekben tárolják Előállítás: S + O2 = SO2, 4 FeS2 + 11 O2 = 2 Fe2O3 + 8 SO2 Ólomkamrás eljárás: SO2 + NO2 + H2O = H2SO4 + NO NO + ½ O2 = NO2 (homogén katalízis) ólomkamra falán oldhatatlan PbSO4 réteg, de cc. H2SO4 oldja Kontakt eljárás: 2 SO2 + O2 = 2 SO3 (400-500 OC, V2O5, heterogén katalízis) SO3 + H2SO4 = H2S2O7 H2S2O7 + H2O = 2 H2SO4 Felhasználás: vegyipar, pácolás, galvanizálás, feltárások, szárítás, szuperfoszfát előállítás HNO3 Folyadék, fp. 84 OC, vízben jól oldódik, cc. HNO3: 69 %, töményebb bomlik, füstölgő salétromsav 1,4 g/cm3, erős sav, erős oxidálószer 30 %-os oxidál a legjobban A legtöbb fémet oldja, nem oldódik: Ti, Sn, Au, Pt, passzíválódik: Fe, Cr, Ni, Cr, Al Választóvíz: Au/Ag Sói a nitrátok, vízoldhatók Előállítás régen: NaNO3 (chilei salétrom) + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3 Birkeland-Eyde eljárás: N2 + O2 = 2 NO (magas hőm., ahol van olcsó elektromos energia) Oswald eljárás: 4 NH3 + 5 O2 (600 OC, Pt) = 4 NO + 6 H2O 2 NO + O2 = 2 NO2 NO + NO2 = N2O3 N2O3 + H2O = 2 HNO2 HNO2 + NO2 = HNO3 + NO 3 HNO2 = HNO3 + H2O + 2 NO 2 NO2 + H2O = HNO3 + HNO2
Felhasználás: vegyipar, műtrágyagyártás (NH4NO3), nitrálás, robbanószerek, oxidálószer, fémek maratása, nemfémeket is oxidálja (I2, S, P4) H3PO4 Fehér, higroszkópos kristályos anyag, op. 42 OC, cc. H3PO4: 83-90 %, szirupszerű, 1,7-1,75 g/cm3, orto- (H3PO4), piro- (H4P2O7), meta- (HPO3)n foszforsav, sói különböző pH-júak, pufferek Előállítás: 1. Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 = 3 CaSO4 + H3PO4 2. 2 Ca3(PO4)2 + 6 SiO2 + 10 C = 6 CaSiO3 + 10 CO + P4 P4 + 5 O2 = P4O10, ebből 50 %-os H3PO4 –val – H3PO4 3. 3 P4 + 20 HNO3 + 8 H2O = 12 H3PO4 + 20 NO Felhasználás: szuperfoszfát gyártás, foszfátozás, víztisztítás, zománcok, pácolás, fémek elektrolitikus polírozása, mosószerek (Na3PO4 trisó) H2SO3 Kénessav, csak oldatban ismeretes. Bomlékony, gyenge sav, redukálószer, sói a szulfitok SO2 + H2O = H2SO3 H2CO3 Szénsav, csak oldatban ismeretes. Bomlékony, gyenge sav, sói a karbonátok CO2 + H2O = H2CO3 H2SiO3 Kovasav, gyenge sav, sói a szilikátok H3BO3 Bórsav, bomlékony, gyenge sav, sói a borátok HOCl Hipoklórossav, csak vizes oldatban ismeretes. Gyenge sav, erős oxidálószer, Ca(OCl)Cl klórmész Felhasználás: fehérítés, fertőtlenítés Bázisok NaOH Szilárd, fehér, op. 318 OC, vízben jól oldódik, 20 OC-on 109 g/100 g vízben, vizes oldata a nátronlúg: 40-50 % os, 1,43 g/cm3 Oldja az Al, Zn, Sn fémeket Mérgező, maró hatású Előállítás: NaCl oldat elektrolízisével (higanykatódos, membráncellás eljárások)
Felhasználás: vegyipar, szappangyártás, feltárószer, kazántápvíz lágyítása, vízüveg (Na2SiO3), Na-sók KOH Szilárd, fehér, op. 360 OC, vízben jól oldódik, 20 OC-on 112 g/100 g vízben, vizes oldata a kálilúg: 50 %-os, 1,51 g/cm3 Nedvszívó, CO2 megkötő: 2 KOH + CO2 = K2CO3 + H2O Előállítás: KCl oldat elektrolízisével Felhasználás: szárítószer, szappangyártás, akkumulátorokban, kőolajok kéntelenítése, K-sók NH3 Színtelen, szúrós szagú gáz, fp. -33 OC, krit. hőm. 132 OC, vízben jól oldódik, 0 O C-on 1 litervíz 1100 l NH3-t old. Cseppfolyós NH3 jó oldószer, acélpalackokban forgalmazzák 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O 8 NH3 + 3 Cl2 = N2 + 6 NH4Cl Előállítás: 2 NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2NH3 + 2 H2O Haber-Bosch szintézis: N2 + 3 H2 = 2 NH3 Felhasználás: vegyipar, karbamid, HNO3, műtrágyák, szalmiákszesz, nitridálás, hűtőközeg, aminoplasztok, ammóniumsók NH4OH NH3 vizes oldata az ammónium-hidroxid, szalmiákszesz (26-27 %) NH3 + H2O = NH4OH = NH4+ + OHGyenge bázis Sók Oxidok Nemfémes elemek oxidjai Savanhidridek SO2: levegőszennyezés, savas eső, atmoszférikus korrózió NOx: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5, NO3, főleg NO2 CO: erős vérméreg, tökéletlen égéskor keletkezik, redukálószer CO2: könnyen cseppfolyósítható, vízben jól oldódik, szárazjég (szilárd szénsavhó, alkohollal –78 OC-os hűtőkeverék) Felhasználás: szóda, karbamid, tűzoltó készülékek, gyógyszeripar, védőgáz, hajtógáz, szódavíz, üdítők P4O10: erősen higroszkópos fehér por, szárítószer
Fémoxidok Általában bázisanhidridek, vízben nem oldódnak 1.Kohászati alapanyagok fémek előállítására: Fe, Al, Zn, Cr 2.Felületi bevonatok, rétegek: Al, Fe, Cr 3.Festékipari pigmentek: Fe2O3, TiO2, ZnO, Cr2O3, Pb3O4 4.Egyebek: CaO (égetett mész), CrO3 (krómsav), V2O5 (katalizátor), ZrO2 (zománcokhoz), MnO2, PbO2, KMnO4, K2CrO4, K2Cr2O7 (oxidálószerek) Egyéb sók Kloridok: FeCl3 (páclé), NH4Cl (folyósítószer tűzihorganyzáskor), CaCl2 (beton adalékszer), Hg2Cl2 (kalomel elektród), AgCl (Ag/AgCl elektród), NaCl, KCl Szulfátok: FeSO4 (páclé), CuSO4 (Cu/CuSO4 elektród) Nitrátok: NaNO3, KNO3 (inhibitorok) Karbonátok: Na2CO3 (zsírtalanító), CaCO3 (savközömbösítő), Cu2(OH)2CO3 (patina), Pb3(OH)2(CO3)2 (ólomfehér) Foszfátok: Na3PO4(vízlágyító), Zn-, Mn-, Fe-foszfátok (foszfátozás) oldhatók kloridok többség szulfátok többség nitrátok minden karbonátok Na, K, NH4 foszfátok Na, K
oldhatatlanok Ag, Pb, Hg2, Ca, Sr, Ba, Pb, Ag, többség többség
Komplexek Al, Zn lúgos oldása Na/Al(OH)4/, Na2/Zn(OH)4/ Cu korróziója NH3-s /Cu(NH3)4/SO4 közegben Fémek előállítása Au, Ag: Na/Au(CN)4/, Na2/Zn(CN)4/ Al: Na3/AlF6/, Na/Al(OH)4/ Ni: Ni(CO)4 Galvanizálás Savas fürdők: /BF4/-, H/AuCl4/ Lúgos fürdők: K3/Cu(CN)4/, Na2/Zn(CN)4/ Analitika Fe4/Fe(CN)6/3, Ni-dimetilglioxim Katalizátorok H2/PtCl6/, karbonilok
