SZERVETLEN KÉMIA
SZERVETLEN KÉMIA Alkálifémek Általános jellemzés: • Külső elektronhéjuk szerkezete: ns1. • A külső elektronhéjukon csak 1 db s elektron található, így ennek leadásával érik el a stabil, zárt elektronszerkezetet (nemesgázszerkezet), egyszeres pozitív töltésű kationt hozva létre. • Alacsony elektronegativitás: általában +1 -es töltéssel fordulnak elő vegyületekben. • Külső elektron könnyen gerjeszthető: spektroszkópia a látható tartományban. • Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak, térközepes kockarácsot alkotnak. • Sűrűségük, keménységük kicsi. Puhák, könnyen alakíthatóak, késsel vághatók • Rendkívül reaktívak, erős redukálószerek (könnyen leadott elektron, pl. a víz hidrogénjét is redukálják), levegőn oxidálódnak. • Oxigénnel, vízzel azonnal reagálnak, védőfolyadék (pl. petróleum) alatt tartják. • Fémes szerkezetűek, jó elektromos és hővezetők. • Folyékony ammóniában jól oldódnak, azonos kék színnel.
SZERVETLEN KÉMIA Alkálifémek Általános jellemzés: • •
Páratlan rendszámúak, így kevés természetes izotópjuk van. Jellegzetes tulajdonságuk a lángfestés (pirotechnika) Lítium: bíborvörös Nátrium: sárga Kálium: fakó ibolya Rubídium: fakó vörös Cézium: halványkék
Felhasználás: • •
Erős redukálószerként Pirotechnikában, tűzijátékoknál
SZERVETLEN KÉMIA Lítium • sűrűség:0,534g/cm3 (szobahőmérsékleten legkönnyebb szilárd anyag) • Li/Li2+ rendszer elektródpotenciálja magas Előfordulás: • földkéregben kb. 18 ppm • elemi formában nem fordul elő • vegyületeiben: LiAl(SiO3)2 (spodumen) Előállítás: • Spodumen → forró kénsavas oldás → Li2SO4 → nátrium-karbonátos kezelés → Li2CO3 → sósavas oldás → LiCl → olvadékelektrolízis
SZERVETLEN KÉMIA Lítium Felhasználás: • Lítium-sztearát: kenőzsírok, • Lítium karbonát: üvegek edzése, mániás-depressziós pszichózis kezelése, • Alumíniugyártáshoz olvadék olvadáspontjának csökkentésére, • Alumínium ötvözőjeként szerkezeti anyagokhoz, • LiOH: kis tömegű szén-dioxid abszorber ( űrhajózás, tengeralattjárók) • LiAlH4, Li/NH3, LiR : szerves kémiai reagensek • elemek, akkumulátorok
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium Előfordulás: • Földkéregben kb. 2,7 %. • Elemi formában nem fordul elő. • természetben fő előfordulási formája: NaCl (kősó), Na2CO3, NaNO3 (salétrom) Előállítás: NaCl olvadék elektrolízisével
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium Felhasználás fémként • redukálószerként (Ti, Zr előállítása redukcióval) • nátriumlámpákban • szerves reagensek redukciója és szárítása Közvilágitási nátrium-lámpa Felhasználás vegyületeiben (a szervetlen vegyipar legnagyobb tömegben használt alapanyagai) • NaCl: táplálkozás, útsózás, hűtőfolyadék, alapanyag (detergensgyártás, • szódagyártás, klór, NaOH, Na, ...) • Na2CO3 (szóda): üveggyártás, tűzoltókészülékek, lúgosítás (NaOH helyett) • NaOH: bárhol ahol savak semlegesítésére vagy lúgos közegre van szükség • Na2SO4: papírgyártás • Na2O2: légzőkészülékekben (Na2O2 +CO2 = Na2CO3 + 1/2O2)
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium vegyülete: NaCl Nátrium-klorid (NaCl) Színtelen kristály Előfordulás: • tengervízben (2,7%), • kősótelepeken, Parajdi sóbánya • állati szervezetben (emberi vérben 0,85%) Előállítás: • sóbányákból Felhasználás: fémnátrium, nátriumvegyületek, klór, klórvegyületek előállítására Olvadékelektrolízis: 2NaCl = 2Na + Cl2 (T<700 oC) Oldatelektrolízis: 2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 + H2
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium NaCl olvadék elektrolízise NaCl
Na
Na
Cl2 Olvadt NaCl és CaCl2 Vaslemez
+ Vas-katód
Grafit anód 2Cl-(l) →Cl2(g) + 2e-
+
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium vegyülete: NaOH Nátrium-hidroxid (NaOH) • Fehér kristály (vizes oldata színtelen), nagyon erős bázis. • Kristályos állapotban rendkívül higroszkópos, levegőből H2O-t, CO2-t megköti. • Előállítás: NaCl-oldat elektrolízisével. • Felhasználás: textil- és papíriparban, szappan és mosószergyártás.
SZERVETLEN KÉMIA Nátrium vegyületei Nátrium-hipoklorit (NaOCl, Hypo) • Fertőtlenítő- tisztító-, illetve mosószer • Előállítás: NaCl-oldat elektrolízisével: 2NaOH + Cl2 = NaOCl + NaCl + H2O Nátrium-karbonát (Na2CO3.10H2O) • Színtelen kristály → 100oC-on hevítve fehér por (kristályvíz elvesztés) • Előfordulás: talajban (sziksó); ha túl sok, terméketlenné teszi a talajt • Felhasználás: szappan-, mosószer-, üveggyártás, vízlágyítás • Oldata lúgos kémhatású (hidrolízis) Nátrium-hidrogén-karbonát (NaHCO3, szódabikarbóna) • Fehér kristály • Felhasználás: gyógyászatban fölös gyomorsav lekötésére • Oldata enyhén lúgos kémhatású (hidrolízis): HCO3- + H2O = OH- + H2CO3 Nátrium-foszfát (Na3PO4, trisó) • Fehér kristály • Vizes oldata lúgos (hidrolízis): PO43- + 3H2O = 3 OH- + H3PO4 • Felhasználás: mosószerek, vízlágyítás Nátrium-tioszulfát (Na2S2O3.5H2O, fixírsó) • Színtelen kristály • Felhasználás: analitikában jodometriában: 2Na2S2O3 + I2 = Na2S4O6 + 2NaI kép rögzítésére fényképészetben: AgBr + Na2S2O3 = Na3[Ag(S2O3)2] + NaBr
SZERVETLEN KÉMIA Kálium Nátriumhoz hasonló, de nála reakcióképesebb (kisebb EN miatt) Előfordulás: • földkéregben kb. 1,84 %, • elemi formában nem fordul elő, • vegyületeiben: KCl: szilvin, Holt-tenger, Nagy sós tó KCl ·MgCl2 · 6H2O: karnallit. Előállítás: • KCl, KOH vagy K2CO3 olvadék elektrolízisével.
SZERVETLEN KÉMIA Kálium Felhasználás fémként: • hőátadó közeg, • oldószerek szárítása, • műtrágyagyártás, • pirotechnika, • robbanóanyag-gyártás Felhasználás vegyületeiben: • K2CO3: üveggyártás • KNO3: oxidálószer, pirotechnika • KMnO4: oxidálószer • KClO3: gyufák, pirotechnika
SZERVETLEN KÉMIA Kálium vegyületei Kálium-klorid (KCl) • Jelentőség: növényi szervezetben. • Felhasználás: műtrágyagyártás, K és KOH előállítás, méreginjekció. Kálium-hidroxid (KOH) • Fehér kristály (vizes oldata színtelen), NaOH-nál is erős bázis. • Kristályos állapotban rendkívül higroszkópos, levegőből H2O-t, CO2-t megköti. • Oldja az üveget. • Előállítás: KCl-oldat elektrolízisével. • Felhasználás: textil- és papíriparban, szappan és mosószergyártás, élelmiszeriparban gyümölcs héjának eltávolítása. Kálium-nitrát (KNO3) • Felhasználás: műtrágya, feketelőpor, füstbomba, élelmiszer tartósítószer (E252)
SZERVETLEN KÉMIA Alkáliföldémek Általános jellemzés: II/A. oszlop (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) • Külső elektronhéj szerkezete: ns2 • Vegyérték: 2; oxidációs szám: +2 • Elektronegativitás: 0,9-1,5 (Mg-tól lefelé ionvegyületeket képeznek, +2 töltésű ionjaiknak nemesgáz elektronszerkezete van, ionizációs energia kicsi) • Berillium nagyobb elektronegativitása (1,5) miatt inkább kovalens vegyületet képez, bizonyos esetekben a Mg is • Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak • Oxigénnel, vízzel reagálnak (kevésbé intenzíven mint az alkálifémek), aktivitásuk a rendszámmal nő (ahogy EN csökken) • Sűrűségük, keménységük kicsi (nagyobb mint az alkálifémeké) • Redukálószerek (gyengébbek mint az alkálifémek)
SZERVETLEN KÉMIA Alkáliföldémek Előfordulás: • gyakoriság: Be: 2ppm, Mg, Ca: 4%, Sr, Ba : 400ppm • elemi állapotban nem fordulnak elő
SZERVETLEN KÉMIA Berillium Előfordulás: • Al2Be3Si6O18 (berill, akvamarin (Cr) , smaragd (Fe)) Előállítás: • berillből, Na2SiF6 -os pörköléssel BeF2, majd redukció Mg -mal vagy • olvadékelektrolízis Tulajdonságok: • erősen mérgező (enzimekben az Mg helyére köt) • a fém kemény, rideg, magas op. (könnyűfémek közül a legmagasabb, 1278◦C) • felületét összefüggő oxidréteg védi Felhasználás: • ötvözőként rézhez és nikkelhez (keménységet növeli) • röntgensugárzás-átereszt ő ablak • neutronmodulátor • rakétafúvókák, hangsugárzók (magas)
SZERVETLEN KÉMIA Magnézium Előfordulás: Természetben csak vegyületeiben fordul elő: • tengervíz (0,13%) • CaMg(CO3)2: dolomit • MgCO3 (magnezit), • szulfát, szilikátok, ... Előállítás: • tengervízből: kicsapatás a jobban oldódó kalcium-hidroxiddal, Ca(OH)2(f) +MgCl2(f) = Mg(OH)2(s) + CaCl2(f) majd szűrés, újraoldás sósavban (MgCl2(l)) és elektrolízis. • dolomitból: CaMg(CO3)2 kalcinálása (hevítése) CaO ·MgO -vá, majd redukció ferroszilíciummal CaMg(CO3)2(s) = CaO ·MgO(s) + CO2(g) (Fe, Si)(s) +MgO(s) = Fe(s) + SiO2(s) +Mg(g) CaO + SiO2 = CaSiO3 A reakció termodinamikailag nem kedvezményezett, de a magnéziumgőzök (magas hőmérséklet) eltávolításával a termék irányába tolható
SZERVETLEN KÉMIA Magnézium Tulajdonságok: • felületét összefüggő oxidréteg védi • levegőn meggyújtva rendkívül fényes lánggal ég MgO és Mg3N2 képződése közben • sűrűség: 1,7g/cm3, olvadáspont: 650◦C Felhasználás fémként: • ötvözőként alumíniumhoz (könnyű, szilárdság) 300000 tonna/év • (könnyűszerkezetek, repülőgépek, motorblokkok, italosdobozok ...) • pirotechnika • más fémek el őállítása redukcióval (titán, urán ...) • áldozati anód korrózióvédelemben Vegyületeinek felhasználása: • MgO: hőálló burkolatok, fűtőtestek (elektromos szigetelő de jó hővezető) • Mg(OH)2 : gyenge bázis, vizes szuszpenziója antacidként használatos • Grignard-vegyületek (RMgX): előállítás: RX(f) +Mg(s) = RMgX (éteres oldatban)
SZERVETLEN KÉMIA Magnézium vegyületei Magnézium-hidroxid (Mg(OH)2) • Gyenge lúg, vízben rosszul oldódik (Mg-O kötés erősen kovalens jellegű) • Előállítás: természetben ásvány formájában előfordul • Felhasználás: gyomorsav megkötő, konzerv gyümölcsök, zöldségek színének tartósítása (E528) Magnézium-klorid (MgCl2) • Gyenge sav (savasan hidrolizál): Mg2+ + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H+ (2H3O+) • Előfordulás: természetben ásvány formájában • Felhasználás: Mg illetve Mg vegyületek előállítására, cementgyártás, USA-ban utak jégtelenítésére Magnézium-szulfát (MgSO4) keserűsó, Epson-só • Előállítás: természetben heptahidrát formájában (MgSO4.7H2O) előfordul • Felhasználás: nagy magnézium-igényű növények (burgonya, bors, rózsa) trágyázása, gyógyászatban bélmozgás elősegítő, hashajtó
SZERVETLEN KÉMIA Kálcium Jellemzői: • Ezüstfehér színű, könnyű fém. • Lángfestés: téglavörös Előfordulás: • mészkő, márvány (CaCO3, kalcit, aragonit) • gipsz (CaSO4 · 2H2O), anhidrit (CaSO4) • fluorit (CaF2), apatit (Ca5(PO4)3F) Előállítás: • CaCl2 illetve CaCl2 + CaF2 olvadék elektrolízisével Felhasználás fémként: • ötvözőként alumíniumhoz (csapágyfémben 0,7 %) • más fémek előállítása redukcióval (Cr, Zr, ...) • szennyezők (oxigén, kén, foszfor, nitrogén) megkötése metallurgiában ill. gázokból
SZERVETLEN KÉMIA Kálcium vegyületei Kalcium-karbonát (CaCO3) • Természetben leggyakrabban előforduló Ca-vegyület • Felhasználás: építőipar, csiszolópor, tisztítószer • CO2-t tartalmazó vízben hidrokarbonát képződése formájában oldódik, az analóg módon képződő Mg(HCO3)2-vel együtt a víz változó keménységét okozva. CaCO3 + H2O + CO2 ⇌ Ca(HCO3)2 A változó keménység: forralással megszüntethető (visszaalakulás, CO2 gáz eltávozik) •
• •
Állandó keménységet okozó sók: CaCl2, Ca(NO3)2, CaSO4, MgCl2, Mg(NO3)2, MgSO4 Megszüntetés (vízlágyítás): Ca2+ és Mg2+ ionokat csapadék formájában leválasztani, majd szűréssel eltávolítani: Ca2+ + Na2CO3 = CaCO3 + 2Na+ 3Ca2+ + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6Na+ Ioncserélővel: lágyvíz: lecserélni a Ca2+ és Mg2+-ionokat Na+-ionokra ionmentes víz: a víz összes idegen ionját lecserélni H3O+ illetve OH- ionokra.
SZERVETLEN KÉMIA Kálcium vegyületei CaCO3: mész (CaCO3 → CaO + CO2, cement és habarcs előállítása, vasgyártás (salakképző), üveggyártás, fogkrémek CaO (égetett mész) és Ca(OH)2 (oltott mész): építőipar, magnézium előállítása, vízkezelés (Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 + 2H2O), ipari vizek pH-beállítása, gázmosás (SO2,H2S), kalcium-karbid gyártása, papíripar, tejipar, cukorgyártás Kalcium-szulfát (CaSO4.2H2O) = gipsz Természetben gipsz illetve evaporit ásványok formájában Felhasználás: építőipar (cement), iskolai kréta, gyógyászat (gipszelés), tűzálló fal 100-150 oC-ra hevítve a kristályvíz 75%-a távozik: CaSO4.2H2O → CaSO4.½H2O + 1½H2O (tűzálló falban lassan melegszik, mert előbb a kristályvíz távozására fordítódik a hő) teljesen kiégetett gipsz már nem tud vizet felvenni Kalcium-hidroxid Ca(OH)2 • Előállítása: égetett mészből vízzel (mészoltás): CaO + H2O → Ca(OH)2 (oltott mész) (CaCO3 → CO2 + CaO (égetett mész)) • Felhasználás: építőiparban habarcs készítésre: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (megkötés a csapadékként kiváló CaCO3 miatt)
SZERVETLEN KÉMIA Stroncium, Bárium és Rádium Stroncium (Sr) előfordulása: • SrSO4 (cölesztin), SrCO3 (stroncianit) Bárium (Ba) és fontosabb vegyületei: • Természetben BaSO4 (barit) ill. BaCO3 formájában • Lángfestés: sárgászöld • Előállítás: BaCl2 olvadék elektrolízisével • Felhasználás: kontrasztanyagként BaSO4 formájában (jól elnyeli a Röntgen sugarakat) , tűzijátékban és fúróiszap. BaCO3 fluoreszcens fényforrások katódanyaga Rádium (Ra) és fontosabb vegyületei: • Ritka elem, urán és tóriumásványok mellett, mint azok radioaktív bomlásának terméke • 28 izotópja van, mind radioaktív • A szervezetbe került rádium a csontokba beépül • Felhasználás: régebben sugárterápiára, ma már vannak olcsóbb sugárforrások neutronforrás: Be + -sugárzás(Ra-ból) → neutronok
SZERVETLEN KÉMIA Földfémek Általános jellemzésük: III/A. oszlop • Külső elektronhéj szerkezet: ns2np1 • Vegyérték általában: 3 ill. 1 (Ga, In, Tl); oxidációs szám: +3, +1 (Ga, In, Tl). • B félfém, a többi (Al, Ge, In, Tl) fém. • Elektronegativitás: 1,5-2,0 (B és Al gyakran képez kovalens kötéseket, a többiek viszont elsősorban ionosat). • Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak .
SZERVETLEN KÉMIA Bór Előfordulás: • 9ppm a földkéregben, borátokban és szilikátokban (rengeteg különböző szerkezet) néhány fontosabb ásványa: bórax (Na2[B4O5(OH)4] · 8H2O vagy Na2B4O7 · 10H2O), colemanit.
SZERVETLEN KÉMIA Bór Tulajdonságok: • elektronszerkezet: 1s22s22p1, magas ionizációs energia, 2 stabil izotóp (10B,11B) • Atomrácsos kristályszerkezet, gyémánt után legkeményebb • számos allotrópot képez, kovalens kötésekkel ilyen ikozaéderek rendeződnek el különböző (romboéderes, tetragonális, stb) szerkezetekben • magas op (2076 ◦C), kemény • Elektromos szigetelő, de jól vezeti a hőt Előállítás: • redukció magnéziummal • elektrolízis sóolvadékból Felhasználás elemként: • bórszálak készítése kompozit anyagokhoz (repülőgépipar) • acélötvöző szerként növeli annak keménységét, kopásállóságát, korrózióval szembeni ellenállását
SZERVETLEN KÉMIA Bór Vegyületei (gyakorlatilag a teljes periódusos rendszerrel vegyületeket képez, rendkívül változatos kötésszerkezettel) közül néhány példa: • fémboridok: nagyon magas op (> 3000 ◦C) : rakétafúvókák, reaktorok burkolata, • bór-karbid: a 10B jó neutronelnyelő képessége miatt atomerőművekben pajzs és szabályozórúd, bórterápia • bór-nitrid: izoelektronos a szénnel, grafit és gyémántszerű módosulatot és fulleréneket is képez, gyémántanalógja rendkívül kemény, a grafitanalóg kenőanyag • borazin: szervetlen benzol • diborán: hidrobórozás, lewis-sav: lewis-bázisokkal komplexet képez • bórax: üveggyártás (hőálló boroszilikát üvegek, pl. laboratóriumi edények) • perborátok: fertőtlenítő és fehérítőszerek
SZERVETLEN KÉMIA Alumínium Tulajdonságok: • Külső elektronhéj szerkezet: 1s22s22p63s23p1 • Fém, kis sűrűség (2,7 q/cm3), alacsony op (660 ◦C): kontraszt a bórral, hasonlít a • következőkre (Ga, In) • könnyen alakítható • Levegővel gyorsan reagál, de a felületén összefüggő Al2O3 réteg képződik, mely óvja a további oxidációtól. Eloxálás: e réteg mesterséges vastagítása anódos oxidációval híg savban (foszforsav, kénsav, krómsav, stb.) • Amfoter: oldják híg savak és lúgok, de tömény savak nem 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2 2Al + 2NaOH + 6H2O = 3H2 + 2NaAl(OH)4 Nátrium *tetrahidroxo-aluminát] Előfordulás: • 8% a földkéregben, leggyakoribb fém, 3. leggyakoribb elem • földpátok (pl. KAlSi3O8), csillámok, bauxit (AlO(OH): böhmit, diaszpor ill. Al(OH)3: hidrargilit, gibbsit)
SZERVETLEN KÉMIA Alumínium Előállítás: bauxit (tartalmaz szilícium-, vas- és titán-oxidokat) tisztítása lúgos feltárással: oldás forró NaOH -ban: Al2O3 + 2OH− + 3H2O = 2[Al(OH)4]− a többi oxid nem oldódik fel: vörösiszap • Al(OH)3 (timföldhidrát) kikristályosítása hűtéssel és higítással • Al2O3 (timföld) előállítása kalcinálással (1300oC) • bauxitból előállított tiszta alumínium-oxid elektrolízise:
SZERVETLEN KÉMIA Alumínium Felhasználás fémként: • szerkezeti anyagok (főként ötvözetei), fóliák, csomagolások (korrózióvédelmük: eloxálás) • tükrök, festékek (pigment) • elektromos vezetők, hűtőbordák, hőcserélők • pirotechnika • vízkezelés (flokkulálás) • aluminotermia (pl. Cr, Nb előállítása, sínhegesztés) Legfontosabb ötvözetei: • Alakítható (sajtolható) ötvözetek: nagy szilárdság a cél. Fő ötvözők: Cu, Mn, Mg Duralumínium (4,5% Cu + 0,5% Mg + 0,6% Mn). → nagy szakítószilárdság. Al-Cu-Ni ötvözetek: magasabb hőmérsékleten nagy szakítószilárdság. Al-Mg-Si ötvözetek (1% Si, 1% Mg, 0.7%Mn): nagy szilárdságúak, korrózióállóak Al-Mn ötvözetek: kitűnő korrózióállóság, képlékenység, hegeszthetőség. • Önthető ötvözetek: Al öntészeti tulajdonságai nem jók. Al-Si ötvözetek: jól önthetők, gyenge szakítószilárdságúak. Al-Si-Cu ötvözetek: önthetőség mellett nagy szilárdságúak. Al-Cu-Mg ötvözetek: önthetők, nagy szilárdságúak, kis Ni-t, hozzáadva magas hőmérsékleten igénybevett alkatrészek (dugattyú).
SZERVETLEN KÉMIA Alumínium Alumínium felhasználása vegyületeiben: • LiAlH4: szerves szintézisekben (hidrogénezés, redukálószer) • AlCl3: Lewis sav -típusú katalizátor (Friedel-Crafts reakciók, alkilezés, acilezés) • Al2O3: csiszolóanyag (fogkrémben is), hőszigetelések, szálak (azbeszt kiváltása) • Portlandcement: mészkő + agyag (aluminoszilikát) → darálás, hevítés (CO2 keletkezése) → klinker → +gipsz, újra darálás Gallium, Indium: • Ga: előállítás bauxitból, alacsony op (30◦C) felhasználás: GaAs félvezetők, • In: előállítás cinkgyártás melléktermékeként, felhasználás: ITO, indium-ón-oxid, átlátszó vezető, folyadékkristályos képernyők (LCD) gyártása
