D-prvky, VIII.B Skupina (hlavně triáda Fe) – maturitní otázka

ošetřovatelství

Otázka: D-prvky, VIII.B Skupina (hlavně triáda Fe)

Předmět: Chemie

Přidal(a): andrea

přechodné prvky (přechod mezi S a P prvky)
valenční elektrony mají v orbitalech ns, (n-1) d; n = 4,5,6,7
ve sloučeninách mají různá oxidační čísla
mají společné vlastnosti ve vodorovných i svislých řadách
všechny jsou kovy, mají kovovou vazbu, na které se podílí hl. elektrony z neúplně obsazených d-orbitalů
- kovová vazba způsobuje velkou hustotu, vysoké teploty tání, varu, pevnost, kujnost, tažnost, elektrickou a tepelnou vodivost
- veškeré prvky mají vysokou hustotu, teplotu tání a varu, jsou tepelně i elektricky vodivé
- výjimka: Zn, Cd, Hg … mají zcela obsazenou valenční vrstvu
- v kovové vazbě jsou uzlové body, které tvoří kationty kovů a ty se odpuzují
- čím blíž uzlové body jsou, tím je kov tvrdší, ale křehčí (vydrží tlak, ale ne náraz)
- valenční elektrony se pohybují v podobě elektronového plynu, jsou delokalizované (rozprostřené) všude, všechny valenční elektrony jsou společné všem členům kovové mřížky
- tepelná a elektrická vodivost způsobena pohyblivostí elektronů (čím jsou uzlové body blíž, tím elektrony hůře prochází, vodivost je menší)
- kujnost a tvárnost je způsobena delokalizací elektronů, jednotlivé vrstvy krystalové mřížky se po sobě volně posouvají
d-prvky mají oproti S a P prvkům menší atomový poloměr, protože elektrony v d-orbitalu jsou více vtahovány k jádru, největší vtahování je pro prvky stojící uprostřed (nejvíce Fe, Os), proto tyto prvky mají vysokou hustotu a teplotu tání
hodně D prvků + sloučeniny působí jako katalyzátory
tvoří centrální atomy v koordinačních sloučeninách
ve sloučeninách mají různá oxidační čísla – s rostoucím oxidačním číslem se zeslabují kyselinotvorné vlastnosti
2+ … zásaditý
3+, 4+ … amfoterní
5+ … slabě kyselý
7+ … kyselý

Barevnost

prvky dávají barevné sloučeniny (tj. pro daný oxidační stupeň kovu jsou příslušné sloučeniny typické barvy)
způsobena počtem valenčních elektronů a jejich schopnosti absorbovat sluneční záření, zbytek se odráží – vlnění, které my vnímáme jako barvy
ionty a sloučeniny D prvků jsou barevné – dochází snadno k přechodům elektronů mezi blízkými hladinami
Mn⁺⁷ … fialová
Mn⁺⁶ … zelená
Fe⁺³… rezavá
Cu⁺²… modrá

Výskyt

Ryzí – volné v přírodě – Au, Ag, Cu, Fe
Vázané – ve sloučeninách
kovy III.B až VII.B skupiny a Fe se vyskytují hl. v oxidech a solích kyslíkatých kyselin
kovy VIII.B, I.B a II.B skupiny se vyskytují hl. jako sulfidy

Výroba

zisk kovů z rud = hutnictví je odvětví průmyslu, které se tím zabývá, při výrobě jde vždy o redukci
kovy se nacházejí v rudách (kromě Au, Ag, Pt)

dělení:

a) bohaté (30 – 40% prvku)
b) chudé (do 1% prvku)

Redukce C, CO (přímá a nepřímá)

Fe₂O₃ + 3C – 2Fe + 3CO … přímá
Fe₂O₃+ 3CO – 2Fe + 3CO₂ … nepřímá (typická pro Fe a Zn, Pb)

Redukce jinými činidly

aluminotermie – hliník, zisk těžko tavitelných kovů, za vysoké teploty, Al dobře váže kyslík
W₂O₃+ 2Al –^tep.– Al₂O₃ + 2W

Redukce vodíkem

kvalitní, ale velmi nákladné
ZnO + H_{2 –}H₂O + Zn – vodík vybuchne – soustava musí perfektně těsnit

Tepelný rozklad

Hgo -t- Hg + O₂

Redukce kovu z roztoku s elektrolýzou

CuSO₄ + Fe – Cu + FeSO₄ … vrstvička mědi

Speciální metody

sulfidické rudy

Pražení pyritu (sfaleritu)

4FeS₂ + 11O₂ – 2Fe₂O₃ + 8SO₂
Fe₂O₃ + 3C – 3CO + 2Fe
2ZnS + 3O₂ – 2ZnO + 2SO₂
2ZnO + C – 2Zn + CO₂

Využití

největší využití má železo (viz železo), měď v elektrotechnice
Au, Ag, platinové kovy v klenotnictví a mincovnictví
Pt, Fe, Pd jako katalyzátory
Ti, Zr, V do slitin – dodávají odolnost mechanickou, tepelnou i vůči korozi

Triády přechodných kovů

prvky stojící za sebou mají stejné chemické vlastnosti
Fe, Co, Ni = triáda železa
Ru, Rh, Pd = lehké platinové kovy
Os, Ir, Pt = těžké platinové kovy

Triáda železa

Železo – Fe

4. nejrozšířenější prvek zemské kůry
lesklý, kujný, ne moc tvrdý, stříbřitá barva
je feromagnetické = může spontánně vykazovat magnetizaci
ox. č. II a III, III nejstabilnější
snadno se oxiduje = koroduje = rezaví
- Fe + O₂ + H₂O – Fe₂O₃ * nH₂O
čisté Fe se snadno rozpouští ve zředěné kyselině HCl a H₂SO₄
v koncentrované se pokrývá vrstvou oxidů
- Fe + H₂SO₄ – FeSO₄ + H₂

Výskyt

vázaný v železných rudách
Fe₂O₃ … krevel = hematit
Fe₃O₄ … magnetit = magnetovec
Fe₂O₃ x _nH₂O … hnědel (limonit)
FeS₂ … pyrit
FeCO₃ … siderit = ocelek
CuFeS₂ … chalkopyrit

Sloučeniny

oxidy železnaté
- FeO – meziprodukt při výrobě železa, černý prášek
oxidy železité
- Fe₂O₃– tvoří klasickou rez
- FeO + O₂ – Fe₂O₃
- Fe + O₂ + nH₂O – Fe₂O₃ + nH₂O … rez
komplexní sloučeniny
- K₄[Fe(CN)₆] … hexakyanidoželeznatan tetradraselný = ferokyanid, žlutá krevní sůl – k důkazu železitých kationtů
- K₃[Fe(CN)₆] … hexakyaniodželezitan tridraselný = ferrikyanid, červená krevní sůl – k důkazu železnatých kationtů
- [Fe(CO)₅]… jedovatá kapalina
- Fe ^+III… hemoglobin
FeSO₄ * 7H₂O … skalice zelená … k moření organických materiálů
Fe(HCO₃)₂ … hydrogenuhličitan železnatý … může se nacházet v pitné vodě, ve vodě se oxiduje na Fe(OH)₃, což je rezavá voda)
FeCl₃– použití při syntéze organických barviv, jak mořidlo a k leptání tištěných spojů

Výroba surového železa

surové železo se vyrábí ve vysokých pecích redukcí jeho kyslíkatých rud koksem
vysoká pec má válcovitý tvar, vysoká asi 30 m, otvor v horní části = krychta
krychtou se do ní dává vsázka a je odtud odváděn krychtový plyn (směs CO, CO₂, N₂, H₂ a CH₄)
vsázka = složena z železné rudy, koksu a ztruskotvorné látky (např. CaCO₃, SiO₂) se v horní části pece při teplotě 100-500 °C vysouší a pomalu klesá do nitra, kde teplota postupně roste
v zóně, kde je 400 až 1000 °C dochází k termickému rozkladu vápence a vzniká CaO a CO₂
- CaCO₃ – CaO + CO₂
do dolní části pece se vhání předehřátý vzduch – spaluje se koks C + O₂ – CO₂
a CO₂ + C – 2CO
pak dochází k redukci železných rud
- přímá redukce (dolní část, C)
  - Fe₂O₃ + 3C – 2Fe + 3CO
  - Fe₃O₄ + 4C – 3Fe + 4CO
  - FeO + C – Fe + CO
- nepřímá redukce (horní část, CO)
  - 3Fe₂O₃ + CO – 2Fe₃O₄ + CO₂
  - Fe₃O₄ + CO – 3FeO + CO₂
  - FeO + CO – Fe + CO₂
po redukci železných rud vzniká surové železo, které se shromažďuje ve spodní části pece = nístěj (2000 °C) – tato teplota díky vhánění toho předehřátého vzduchu do míst nad nístějí
železo je chráněno před zpětnou oxidací vrstvou strusky – struska = CaSiO₃, používá se k výrobě cementu ve stavebnictví
- po několika hodinách se struska i roztavené surové železo z pece vypouštějí = odpich
surové železo je ve slévárnách použito k výrobě litiny (litím do forem např. radiátory, pánve, pekáče, …), je tvrdé, ale křehké (velký obsah C), proto se ze zbytku vyrábí ocel
surové železo obsahuje 3-5% C, až 3% Si, až 5% Mn, až 2% P

Výroba oceli

ocel obsahuje méně než 1,7 % C – odstranění křehkosti

V konventorech suroviny: surové železo + vápenec, při přidání vzdušného O₂ vznikají oxidy + ocel

- C + O₂– O₂
- Si + O₂– SiO₂
- Mn + O₂ – MnO₂
- P + O₂– P₂O₅

V Martinských pecích – též potřebujeme kyslík, ale dáváme železný šrot (přidáním oxidu železa ve formě železného šrotu nebo železné rudy)

V elektrických pecích – zisk kvalitní oceli, metoda je drahá a náročná takto připravená ocel se ještě dále zkvalitňuje podle toho, na co se používá a podle toho druhy oceli:

Kalená – prudce zahřátá a prudce zchlazená, tvrdá ale křehká
Popouštěná – pomalu zahřívaná a chlazená, není křehká, ale ani moc tvrdá
Legovaná – k železu různé legury = přísady – ovlivňují vlastnosti té oceli
- chromová (Fe + Cr (2 %)) – na řezací nástroje
- niklová (Fe + Ni (5 %)) – v automobilech
- wolframová (Fe + W (5 %)) – řezací nástroje
- chromniklová (Fe + Cr (20 %) + Ni (18%)) … = nerez, nádobí
- kobaltová (Fe + Co)
- křemíková (Fe + Si) – konstrukce na domy, mosty

Kobalt – Co

namodralý kov, patří mezi neušlechtilé kovy, je málo reaktivní
oxidační stupně: +II (anorganické sloučeniny)
+III (komplexní sloučeniny)
biogenní prvek – tvoří vitamin B₁₂

Sloučeniny

a) oxid kobaltnatý CoO – výroba skla a keramiky – barví na modro
b) oxid kobaltnato-kobaltitý Co₃O₄ – barvící složka
c) soli – ve formě hydrátu
- CoCl₂ x 6H₂O
- Co(NO₃)₂ x 6H₂O … kobaltnatá soluce
- hydratovaná sůl – růžová, zahřátím získáme bezvodou sůl – modrá

Nikl – Ni

bílý kov, je tažný, kujný
7. nejrozšířenější prvek zemské kůry
nereaktivní poměrně
reaguje se zředěnými kyselinami, v HNO₃se pasivuje – pokrývá se vrstvou oxidů, reakce se zastaví
odolný vůči H₂O i vzduchu, hodně předmětů se poniklovává, aby nerezavěly

Výskyt

málokdy volný
většinou vázaný – soli, oxidy

Využití

poniklování, výroba slitin a akumulátorů, ztužování tuků (kapalný olej se brzy kazí) – prodloužení trvanlivosti, smažíme ve vyšších teplotách, ale dochází k ucpávání cév
Monellův kov – slitina Ni a Cu, extrémně odolný vůči korozi
Nichrom – Ni a Cr, v v elektrotechnice

Sloučeniny

NiO – barvení skla a keramiky

Rh – rhodium a Ir – iridium

chemicky odolnější než platina, tvoří tvrdé slitiny
rhodium – katalyzátory v automobilech (pomáhá oxidovat plyny na méně škodlivé) a klenotnictví

Pd – palladium a Pt – platina

kujné a tažné, výroba slitin a elektrosoučástek, výroba katalyzátorů v automobilech
platina – chemické pomůcky do laboratoří a šperky

IV.B Skupina – Ti, Zr, Hf

Ti (titan) – nereaktivní, lehký kov, stříbrolesklý, tvrdý a hodně odolný
- výroba umělých kloubů, bílý pigment, přidává se do žvýkaček
- ox.č. IV
- TiO₂ – titanová běloba – bílý pigment
- TiCl₄– součást Ziegler-Nattových katalyzátorů – polymerace ethenu, propenu, styrenu
Zr (zirkonium) a Hf (hafnium) – tvoří příměsi materiálů, konstrukce jaderných reaktorů, odolnost vůči kyselinám

V.B Skupina – V, Nb, Ta (Tantal)

V (vanad) – k zušlechťování oceli – k výrobě nožů pro obráběcí stroje (tzv. rychlořezná ocel)
- ocelově šedý tvrdý kov, vysoká teplota tání
- V₂O₅ – katalyzátor řady oxidačních reakcí
  - např. u výroby H₂SO₄

F – prvky

vnitřně přechodné kovy, lanthanoidy a aktinoidy
doplňují elektrony do orbitalů (n-2)f
lanthanoidy a aktinoidy mají velmi podobné chemické vlastnosti, nejčastěji ox.č. III – nejstabilnější

Lanthanoidy

kovy, měkké, stříbrolesklé, 15 prvků včetně La (lanthan)
chemickými vlastnostmi podobné
sloučeniny chováním připomínají vlastnosti Al

Aktinoidy

včetně aktinia (Ac – aktinium) jich je 15
po uran (U) jsou to přírodní látky – tzn. thorium (Th) a protaktinium (Pa)
od uranu dál umělé prvky = Transurany

Výskyt

většina z nich vyrobena uměle, thorium (Th) a uran (U) je v přírodě v zemské kůře
uran se vyskytuje jako smolinec = uraninit UO₂

Lanthanoidová (Aktinoidová) kontrakce

je to jev – s rostoucím protonovým číslem u lanthanoidů a aktinoidů se zmenšuje atomový poloměr

Využití

lanthanoidy – metalurgie – přidávání do slitin – zlepšení vlastností
- barevné displeje, na barvení skla
- jaderná energetika – slitiny pro moderátorové tyče
aktinoidy – jaderný průmysl (jaderné palivo, zbraně).

Další podobné materiály na webu: