D-prvky – charakteristika a nejdůležitější sloučeniny

 

Otázka: D-prvky – charakteristika a nejdůležitější sloučeniny

Předmět: Chemie

Přidal(a): eliskanikon

 

Charakteristika D-prvků

• nazývají se také přechodné prvky, leží mezi s-prvky a p-prvky
• 4., 5., 6., 7. perioda periodické tabulky, 4-7 valenčních elektronů
• všechny d-prvky – kovy
  • menší atomové poloměry než s-prvků (téže periody)
  • do kovové vazby poskytují více valenčních e. (většinou z neúplně obsazených d-orbitalů)
  • vysoká hustota, teplota varu a tání, tvrdé, křehké, dobře tepelně a elektricky vodivé
  • vzájemně tvoří slitiny
  • pouze Zn, Cd, Hg – plně obsazené d-orbitaly (málo se podílejí na kovové vazbě)
    -> měkké a mají nízké body tání
• ve sloučeninách – různá oxidační čísla
• valenční elektrony – přibližně stejná energie, k tvorbě vazeb využívají s- a d-elektrony
• ionty a sl. – barevné (pohlcením viditelného světla -> přechod d-elektronů mezi hladinami)
  • ionty s prázdnými nebo plnými d-orbitaly – bezbarvé
• často tvoří koordinační sloučeniny – komplexy
• reakce ušlechtilých s koncentrovanou kyselinou: M (kov) + HNO₃ -> MNO₃ + NO₂ + H₂O
• reakce ušlechtilých se zředěnou kyselinou: M (kov) + HNO₃ -> MNO₃ + NO + H₂O

 

Rozdělení

• ušlechtilé d-prvky: Cu, Ag, Au, Pt, Hg
• neušlechtilé d-prvky: všechny ostatní

 

Slitiny = homogenní směs (pevný roztok) kovů

• bronz = Cu+Sn
• mosaz = Cu+Zn
• alpaka = Cu+Ni
• dural = Al+Cu+Mg/Mn
• liteřina = Pb+Sn+Sb
• pájka = Pb+Sn
• Woodův kov = Sn+Pb+Bi+Cd
• nerez = Fe+Cr+Mn
• ocel = Fe+C+kov
• feromangan = Fe+Mn
• ferochrom = Fe+Cr
• amalgám = Hg+kov

pasivace = pokrytí kovu ochrannou vrstvou zabraňující korozi a narušení povrchu kovu

 

TRIADÁ ŽELEZA

• charakteristika
  • 4. perioda, 8.-10. skupina
  • patří mezi neušlechtilé kovy
  • nazýváme je také prvky skupiny železa

• železo (Fe)
• kobalt (Co)
  • výskyt: kobaltin CoAsS, stopový biogenní prvek – vitamín B₁₂
  • vlastnosti
    • bílý kov
    • dobře vede elektrický proud
    • paramagnetický (= je vtahován do magnetického pole)
    • běžná ox. č. – II, III
    • vazby – nejčastěji kovalentní
    • rozpustné ve zředěných kyselinách – kyselina sírová, kyselina dusičná
  • výroba: pražením sulfidických rud/redukcí oxidu kobaltnato-kobaltitého uhlíkem
    • Co₃O₄ + 2C -> 3Co + 2CO₂
  • využití
    • při výrobě některých druhů ocelí – katalyzátor
    • radioaktivní ⁶⁰Co – zdroj gama záření na ozařování nádorových buněk (kobaltové dělo)
    • v defektoskopii – odhalování vnitřních skrytých vad materiálů (nedokonalé sváry, trhliny)
  • sloučeniny
    • CoS – černá sraženina, nerozpustná ve vodě
    • CoO – olovově zelený
    • Co(OH)₂ – modrá sraženina
    • (Co^+II – zelený, Co^+III – růžový)
• nikl (Ni)
  • výskyt: sulfidické rudy, meteority (slitiny niklu s železem)
  • vlastnosti
    • bílý kov
    • dobře vede elektrický proud
    • paramagnetický (= je vtahován do magnetického pole)
    • běžná ox. č. – II, III
    • vazby – nejčastěji kovalentní
    • rozpustné ve zředěných kyselinách – kyselina sírová, kyselina dusičná
  • využití: součást mnoha slitin, používá se proti korozi, jako katalyzátor
  • výroba: pražením sulfidických rud: 2Ni₃S₂ + 7O₂ → 6NiO + 4SO₂ NiO + C → Ni + CO
  • sloučeniny
    • NiS – černá sraženina, nerozpustná ve vodě
    • NiO – zelený, barví sklo
    • Ni(OH)₂ – zelená sraženina

 

PRVKY SKUPINY MĚDI

• vlastnosti
  • 11. skupina (I. B)
  • patří sem ušlechtilé kovy
  • ve valenčním s-orbitalu – 1 elektron
  • na vazbách se ale podílí i elektrony z d-orbitalů (-> vyšší ox. č. než s-prvky)
• měď (Cu)
  • výskyt: v zemské kůře jako ryzí, chalkopyrit CuFeS₂, kuprit Cu₂O, chalkozin Cu₂S
  • vlastnosti
    • tažný, kujný, vysoce tepelně a elektricky vodivý kov (zbarvená do červená)
    • ox. č. – I, II, III
    • poměrně stálá, reaktivita klesá se stoupajícím protonovým číslem
    • rozpustná v roztocích látek se silnými oxidačními účinky
    • na vzduchu se pokrývá zelenou vrstvou měděnky (hydrogenuhličitan mědi) – proti korozi
  • výroba: pražením např. chalkopyritu, čištění elektrolyticky
    • 2Cu₂S + 3O₂ -> 2Cu₂O + 2SO₂
    • Cu₂S + 2Cu₂O -> 6Cu + SO₂
  • využití: v elektrotechnice, výroba katalyzátorů a slitin
    • bronz – Cu+Sn
    • mosaz – Cu+Zn
    • alpaka – Cu+Ni
  • sloučeniny
    • Cu₂S – vzniká přímou reakcí prvků
    • CuS – černý, ve vodě nerozpustný
    • Cu₂O – červený prášek, nerozpustný ve vodě, barví sklo na červeno
    • CuO – černý, nerozpustný ve vodě, barví sklo na zeleno
    • Cu₂[Fe(CN)₆] = Hatchetova hněď
    • CuSO₄5H₂O = modrá skalice, používá se jako fungicid (k hubení plísní)
      • ke galvanického pokovování
      • v bezvodém stavu – bílá, hygroskopická
  • důkaz mědi (vznikne červenohnědá látka – Hatchetova hněď)
    • K₄ [Fe(CN)₆ ]+2CuSO₄ -> Cu₂ Fe(CN)₆ +2K₂ SO₄

• • Fehlingovo činidlo – důkaz cukrů
    • skládá se ze dvou částí
      • Fehlingovo činidlo I. – CuSO₄
      • Fehlingovo činidlo II. – KOOC-COH-COH-COONa + NaOH
    • v případě přítomnosti redukujícího cukru či aldehydu
      • 2Cu^+II + RCHO -> 2Cu⁺ + RCOOH + 2H⁺
      • oxidace aldehydické či ketonické skupiny
      • redukce Cu²⁺ -> Cu⁺ (změna zbarvení – z modré na oranžovou)
    • glukosa – redukující cukr, obsahuje aldehydovou skupinu
      • dochází k oxidaci aldehydové skupiny na karboxylovou skupinu
    • sacharosa – disacharid, neredukující cukr
      • aldehydická skupina – zapojena do glykosidické vazby
      • s Fehlingovým činidlem nereaguje (modré zbarvení)
• stříbro (Ag)
  • výskyt: v zemské kůře jako ryzí, argentit Ag₂S, sylvanit AgTe₂, lápis AgNO₃
  • vlastnosti
    • tažný, kujný, vysoce tepelně a elektricky vodivý kov
    • zbarvené do bíla
    • č. – I, II, III
    • poměrně stálé, reaktivita klesá se stoupajícím protonovým číslem
    • rozpustné v roztocích látek se silnými oxidačními účinky
    • Dianin strom: 2AgNO₃ + Hg -> Hg(NO₃)₂ + 2Ag (stříbro ušlechtilejší)
  • výroba: získává se z rud (společně s olovem) odlučováním – vháněním kyslíku do taveniny
    • 2Ag₂S + 3O₂ -> 2Ag₂O+2SO₂
    • Ag₂S + 2Ag₂O -> 6Ag+SO₂
  • kyanidace stříbra
    • AgCN + NaCN -> Na[Ag(CN)₂]
    • Na [Ag(CN)₂] + Zn -> 2Ag + Na₂[Zn(CN)₄]
  • rafinace (= očištěn kovu od nečistot) – elektrolýza (roztok AgNO₃)
    • A: surové Ag -> anodové kaly (= nečistoty hromadící se kolem anody – Pt, Au)
    • K: plech čistého Ag -> vylučuje se čisté Ag
  • využití
    • výroba fotografických materiálů, zrcadel, v elektrotechnice
      • krystalky AgBr = fotograficky citlivá vrstva filmu v želatině
        -> v místě ozáření fotografické vrstvy dojde k přechodu fotonu na vyšší energii
        -> krystalky s nadbytkem elektronů – vytvoří tzv. skrytý obraz (latentní)
        -> vyvolání filmu = reakce filmu s vývojkou (hydrochinon – redukční činidlo)
        -> urychlení reakce přednostně v místě s latentním obrazem (Ag⁺ + e^–->Ag)
        -> AgBr – původně nažloutlá barva -> zčerná (kde se přeměnila na Ag)
        -> nadbytečný AgBr se odstranil při ustalování, vzniká negativ (AgCl+2Na₂S₂O₃)
        -> Na₃(Ag(S₂O₃)₂) + NaCl) (ustalovač – Na₂S₂O₃)
        -> osvětlená místa – zčernala; neosvětlená místa – bezbarvá
        -> vzniká pozitiv (prosvícením negativu)
        -> zachycení světla na fotografický papír
    • koloidní stříbro – baktericidní účinky, v lékařství a při výrobě textilií
      • oblečení – sportovní, funkční, pracovní (antibakteriální a antistatický efekt)
  • sloučeniny
    • Ag₂S = argentit, akantit, černý, vzniká jako produkt černáním Ag účinkem H₂S
      • stříbrné šperky černají v sirných pramenech
    • Ag₂O – hnědý, ve vodě nerozpustný, rozpustný v NH₃, zásaditý
    • AgNO₃ = lápis, bezbarvá, ve vodě rozpustná látka
      • výroba dalších sloučenin stříbra a v kožním lékařství (léčba bradavic – kaustika)
      • 3Ag + 4HNO₃ -> 3AgNO₃ + NO + 2H₂O
    • Ag₃N = třáskavé stříbro, výbušné
  • Tollensovo činidlo – důkaz přítomnosti aldehydů
    • směs AgNO₃ a vodného roztoku NH₃ (NH₄OH)
    • příprava činidla
      • Ag₂O + 2NaNO₃ + 4NH₄OH -> [Ag(NH₃)₂]NO₃ + 2NaOH + 3H₂O
      • 3NH₄OH + AgNO₃→ [Ag(NH₃)₂]OH + 2H₂O + NH₄NO₃
    • 2[Ag(NH₃)₂]⁺+ RCHO + H₂O → 2Ag(s) + 4NH₃ + RCOOH + 2H⁺
      • stříbro se redukuje: Ag⁺-> Ag⁰ (vznikne tzv. stříbrné zrcátko)
      • aldehyd se oxiduje na karboxylovou kyselinu: CHO -> COOH

• zlato (Au)
  • výskyt: v zemské kůře jako ryzí (tvoří plíšky, drátky, zrnka, valounky -> zisk rýžováním)
  • vlastnosti
    • tažný, kujný, vysoce tepelně a elektricky vodivý kov
    • zbarvené do žluta
    • ox. č. – I, II, III, V
    • poměrně stálé, reaktivita klesá se stoupajícím protonovým číslem
    • rozpustné pouze v lučavce královské
  • výroba:
    • amalgamace – rozpuštění Au v Hg -> zisk amalgámu -> zisk zlata destilací
    • kyanidace – redukce neušlechtilým kovem z kyanozlatnatých komplexů
      • 4Au + 8NaCN + 2H₂O + O₂ -> 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH
      • 2Na[Au(CN)₂] + Zn -> Na₂[Zn(CN)₄] + 2Au
    • využití: klenotnictví (100% zlato = 24 karátů) – nejčastější 14karátové zlato (58,5% zlata)
      • pozlacování neušlechtilých kovů, zubní lékařství, jako měnové zlato

 

PRVKY SKUPINY ZINKU

• charakteristika
  • 12. skupina (II. B)
  • Zn, Cd – neušlechtilé kovy; Hg – ušlechtilý kov
  • jejich sloučeniny nejsou barevné, jelikož jejich kationty mají zaplněné d-orbitaly
• zinek (Zn)
  • výskyt: sfalerit ZnS (tzv. zinkové blejno), křemičitany
  • vlastnosti
    • stříbrolesklý kov s nízkou teplotou tání
    • za normální teploty – křehký
    • při teplotě 100-150°C – tažný a kujný
    • pokrývá se vrstvičkou oxidů
  • výroba: elektrolýzou nebo pražením sfaleritu – získá se ZnO, který se poté redukuje uhlíkem
    • 2ZnS + 3O₂ -> 2ZnO + 2SO₂
    • 2ZnO + C -> 2Zn + CO₂
  • využití: výroba slitin (mosaz), k pokovování, redukční činidlo
  • sloučeniny
    • ZnS – bílá amorfní látka, používá se k výrobě barev
    • ZnCl₂ – bílý zrnitý prášek, dobře rozpustný ve vodě (vývoj tepla)
      • jeho vodný ʘ reaguje kysele
    • ZnO = zinková běloba, bílá krystalická látka, vzniká hořením zinku, barvivo (pigment)
      • absorbuje UV záření, není toxický, venkovní nátěrové barvy (na světle stálejší)
    • Zn(OH)₂ – amfoterní bílá sraženina
      • vzniká působením alkalických hydroxidů na vodné roztoky zinečnatých solí
    • ZnSO₄7H₂O = bílá skalice, krystalická látka
      • používá se v galvanotechnice a k přípravě dalších sloučenin zinku
• kadmium (Cd)
  • výskyt: provází zinek v rudách
  • vlastnosti
    • stříbrolesklý kov s nízkou teplotou tání
    • měkčí a tažnější než zinek
    • na vzduchu se pokrývá vrstvičkou oxidů
    • nesmírně jedovatý
      • váže se na enzymy (schopnost vázat se na síru – AMK) = katalytické jedy
  • výroba: elektrolyticky při elektrolýze zinku – zisk z rud zinku/olova destilací
  • využití
    • k pokovování (proti korozi aut, letadel, strojů)
    • k absorpci neutronů v jaderné technice
    • při výrobě akumulátorů (spolu s Ni)
  • sloučeniny – prudce jedovaté
    • CdS = kadmiová žluť, žlutý prášek rozpustný ve vodě, malířská barva
    • Cd(OH)₂ – reaguje pouze s kyselinami, málo rozpustný
• rtuť (Hg)
  • výskyt: rumělka (cinabarit) HgS
  • vlastnosti
    • stříbrolesklý kov s nízkou teplotou tání
    • za normální teploty – kapalná
    • její páry – prudce jedovaté (jedovatost způsobena kvůli vázání na síru – součást proteinů)
    • odolná vůči vzdušnému kyslíku
  • výroba: z rumělky pražením nebo reakcí se železem
    • HgS+O₂ ->Hg+SO₂
    • HgS + Fe → Hg + FeS
  • využití
    • chemický průmysl – výroba chloru alkalickou metodou
    • příprava amalgámů (= slitiny Hg s jinými kovy) a léčiv
    • rtuťové zářivky, rtuťové katody
  • sloučeniny – prudce jedovaté
    • HgS = rumělka, nejdůležitější ruda rtuti
    • Hg₂Cl₂ = kalomel (chlorid rtuťný), výroba elektrod, v lékařství (projímadlo)
    • HgCl₂ – prudce jedovatá sloučenina: HgCl₂ + Hg -> Hg₂Cl₂
  • Nesslerovo činidlo – důkaz přítomnosti amonných iontů
    • roztok K₂[HgI₄] v KOH
    • podle c amonných iontů se objeví žluté zbarvení roztoku nebo až hnědá sraženina
    • velmi toxické a nebezpečné pro životní prostředí
    • K₂ [HgI₄ ]+NH₃→K₂ [HgI4 (NH₃)]
  • polarografie – elektrochemická metoda
    • sloužící k určování výskytu a koncentrace látek v roztoku
    • Jaroslav Heyrovský (1922), Nobelova cena 1959
    • rtuťová katoda – rtuťová kapka (tvorba elektrické dvojvrstvy)
    • princip
      • závislost ele. proudu na napětí na dvou elektrodách ponořené roztoku (elektrolyt)
      • na křivkách se objevují polarografické vlny
      • poloha vln charakterizuje jednotlivé látky
      • koncentrace příslušné látky – z velikosti nárůstu proudu
  • spektrometrie
    • metoda založená na interakci elektromagnetického záření se vzorkem
    • měří spektrum, které látka vyzařuje
    • D-prvky mají barevné sloučeniny
  • polarimetrie
    • optická metoda analytické chemie
    • měření optické otáčivosti – stočení roviny polarizovaného světla opticky aktivní látkou
• titan (T)
  • výskyt: ilmenit FeTiO₃, rutil TiO₂
    • 7. nejrozšířenější prvek v zemské kůře
  • vlastnosti
    • 4. skupina (IV. B), 4. perioda
    • patří mezi neušlechtilé kovy
    • lehký a tvrdý kov ocelového vzhledu
    • mimořádně chemicky stálý – netečný k působení vody a atmosférických plynů
      • odolává působení většiny kyselin a zásad, odolává korozi
  • výroba – Scrallův způsob
    • výroba finančně náročná, nelze využít běžné hutní metody
    • pyrolýzou ilmenitu nebo rutilu s uhlíkem a chlorem se získává chlorid titaničitý
      • jeho páry se redukují hořčíkem
      • TiO₂ + 2Cl₂ + 2C → TiCl₄ + 2CO
      • TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂
  • využití
    • letecký průmysl (extrémně namáhané součásti letadel)
    • kosmické technologie (konstrukční materiál družic, vesmírný sond)
    • medicínské implantáty (titan – biokompatibilní, nízká hmotnost, vysoká pevnost)
    • šperky (pearcing)
  • sloučeniny
    • titaničitan železnatý FeTiO₃ = ilmenit
    • oxid titaničitý TiO₂ = rutil = titanová běloba – bílý pigment (E171 – barvení želé, džemů)
    • chlorid titaničitý TiCl₄ – náplň dýmovnic
      • při styku se vzdušnou vlhkostí hydrolyzuje za vzniku bílého dýmu TiO₂ a HCl
• vanad (V)
  • tvrdý, ocelově šedý, chemicky odolný kov
  • využití: zušlechťování oceli
  • sloučeniny: oxid vanadičný V₂O₅ – katalyzátor při průmyslové výrobě H₂SO₄

triáda lehkých platinových kovů – Ru, Rh, Pd
triáda těžkých platinových kovů – Os, Ir, Pt

 

• biogenní prvky (stopové)
  • Fe – základní složka hemu v hemoglobinu, cytochromy v elektron. transp. řetězci, myoglobin
  • Co – podstatná složka vitaminu B12 (porfyrinový cyklus)
  • Cu – součást cytochromu v elektronovém transportním řetězci, hemocyanin (barvivo plžů, mlžů)
  • Mn – kofaktor enzymů (hydrolas a transferas), aktivátor enzymů, metabolismus cukrů
  • Zn – kofaktor mnoha enzymů, řídí činnost enzymů
  • Cr – trojmocný chrom ovlivňuje účinky inzulinu
  • Mo – složka enzymů

 

• těžké kovy
  • kov či polokov, který představuje hrozbu pro životní prostředí (Cd, Hg, Pb)
  • před rokem 1936 – význam „heavy metal“ zbraně nebo střela značných rozměrů
  • v roce 1936 Oxford English Dictionary jako první klasifikuje těžké kovy >7 g.cm^-1
  • v roce 2001 učebnice toxikologie – neexistuje chemický základ pro definici těžkých kovů
  • vyšší hustota než železo
  • těžké kovy: As, Be, Cd, Co, Cr, Cu Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb Sb, Sc, Se, Ti, Tl, V, Zn
  • některé těžké kovy (Cu, Zn) – pro lidské tělo nezbytné a prospěšné
    • ve větším množství poškozují zdraví
    • schopné vázat látky – strukturní bílkoviny, enzymy či nukleové kyseliny
    • ovlivňují jejich funkci
• metalurgie = získávání kovů z rud a jejich úprava (rafinace = úprava surového kovu)
  • kromě ušlechtilých se všechny kovy vyrábí z rud
  • redukce
    • redukčními činidly, které se oxidují
    • C a CO pro výrobu Fe, Mn, Sn, Pb, Zn
    • H₂ a hydridy pro výrobu Mo, W, Ti
  • metalotermie
    • = redukce za vysoké teploty, přičemž redukčním činidlem je jiný kov
    • např. použiji hliník, abych získal čistý chrom, přičemž hliník vytvoří sloučeninu
    • podle Beketovovy řady napětí kovů
    • aluminotermie – použití Al, velmi časté, používá se pro výrobu Cr
    • magneziotermie – použití Mg
    • kalciotermie – použití Ca
    • silikotermie – použití Si
• termický rozklad
  • například pro výrobu rtuti se udělá silně exotermický rozklad
  • dobře se termicky rozkládají HgO, ZnO (na kov a kyslík)
• elektrolýza
  • z taveniny daného kovu vyrobíme – Li, Na, Ca, Mg, Al
  • z taveniny halogenidu daného kovu – Al, Cu, I. A, II.A, Zn
  • rafinace (= očištěn kovu od nečistot) – pomocí elektrolýzy – vyloučení čistého kovu na K