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

 

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 HNO₃ se 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).