Prvky p1 (triely)

 

Otázka: Prvky p1 (triely)

Předmět: Chemie

Přidal(a): Eliška 🙂

 

 

Charakteristika prvků p¹

• prvky p¹ = triely = prvky 13. (III.A) skupiny periodické soustavy prvků
• bor, hliník, gallium, indium thallium
• mají 3 valenční elektrony – el. konfigurace valenční vrstvy je ns² np¹
• může u nich probíhat excitace:
  • 1) ns² np¹ – jednovazné (ox. č. I)
  • 2) ns¹ np² – trojvazné (ox. č. III)

• ve sloučeninách mají nejčastěji oxidační číslo III, bor může mít i –III, thalium často I (thallité soli jsou silná oxidační činidla)
• s rostoucím protonovým číslem roste:
  • kovový charakter: bor je nekov, hliník, gallium, indium a thallium jsou typické kovy
  • zásaditost oxidů – boritý je kyselý, hlinitý amfoterní, ostatní zásadité (TlOH je silný hydroxid)
• v přírodě se vyskytují pouze ve formě svých sloučenin
• všechny jsou pevné látky

 

Bor

výskyt:

• poměrně vzácný
• v přírodě jen ve formě svých kyslíkatých sloučenin (boritany, borosilikáty), významná ložiska jsou v Kalifornii a Turecku

 

vlastnosti a reakce:

• existuje v několika alotropických modifikacích, lišících se svým tvarem:
  • základní jednotkou je ikosaedr B₁₂
  • dále klecovité, arachnoboritany (pavoukovité),…
• pevná, tvrdá, černá látka s kovovým leskem
• chová se jako polovodič
• chemickými vlastnostmi se podobá křemíku (hovoříme o tzv. diagonální posloupnosti – křemík leží v tabulce diagonálně pod borem)
• málo reaktivní
• ve sloučeninách je nejčastěji trojvazný nebo čtyřvazný
• oxidační čísla I (výjimečně), III, -III
• má vysokou ionizační energii (kationty B³⁺ se prakticky nevyskytují)
• má vysokou elektronegativitu a málo valenčních elektronů → typické jsou vícecenterní vazby (elektrony vazby jsou delokalizované mezi více atomů)

 

výroba:

• elektrolýzou roztavených boritanů
• redukcí oxidu boru silně elektropozitivním kovem:
  • B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + 3 MgO

 

použití:

• v jaderných reaktorech (řídicí tyče)
• v hutnictví neželezných kovů (jako dezoxidační prostředek)
• výroba tepelně odolného skla – chemické a kuchyňské nádobí (firmy Pyrex, Simax)
• prací prostředky, herbicidy, pyrotechnika (barví plamen zeleně), detergenty, kosmetika
• broušení, přísada do ocelí

 

sloučeniny:

• boridy:
  • sloučeniny boru s kovem
  • vodivé, tvrdé, žáruvzdorné látky
  • používají se k výrobě brusných a žáruvzdorných materiálů
• borany:
  • sloučeniny boru s vodíkem
  • bor má oxidační číslo -III
  • velmi reaktivní, samozápalné látky
  • dráždí oči a dýchací cesty
  • mají zvláštní druh vazeb, ve kterých jsou elektrony tvořící vazbu delokalizované mezi více atomy boru, a vzniká tzv. elektronově deficitní vazba:
  • např. diboran B₂H₆:
    • reaktivní, samozápalný, hoří za vzniku B₂O₃ a H₂O:
      • B₂H₆ + 3 O₂ → B₂O₃ + 3 H₂O
    • bezbarvý plyn
    • dráždí dýchací cesty, oči a pokožku
• oxid boritý B₂O₃:
  • bezbarvá, sklovitá látka
  • je kyselinotvorný
  • vzniká hořením boru
  • s vodou tvoří kyselinu boritou:
    • B₂O₃ + H₂O → 2 HBO₂
    • B₂O₃ + 3 H₂O → 2 H₃BO₃
    • 2 B₂O₃ + H₂O → H₂B₄O₇ (kyselina tetraboritá)

• kyselina trihydrogenboritá H₃BO₃:
  • tvoří bílé šupinkovité krystaly
  • rovinné molekuly jsou poutány do vrstev vodíkovými vazbami
  • málo rozpustná ve vodě
  • její vodný roztok je velmi slabá jednosytná kyselina s antiseptickými účinky, tzv. borová voda (2-3% roztok) používaná v lékařství (ošetření očí)
• boritany:
  • struktura je podobná jako u křemičitanů
  • ve vodě jsou rozpustné jen boritany alkalických kovů
  • borax Na₂[B₄O₅(OH)₄] . 8 H₂O = Na₂B₄O₇.10H₂O
    • oktahydrát tetrahydroxotetraboritanu disodného
    • používá se při výrobě smaltovaných nádob, speciálních optických skel, k úpravě glazur keramiky
• fluorid boritý BF₃:
  • akceptor elektronového páru (obsahuje vakantní orbital)
  • využívá se jako Lewisova kyselina:
    • BF₃ + F^– → BF₄^–

 

Hliník

výskyt:

• 3. nejrozšířenější prvek v zemské kůře (asi 8 hm. %)
• v přírodě pouze ve formě sloučenin – hlinitokřemičitany (živce, slídy, součást jílů, hlín), bauxit (hydráty oxidu hlinitého, AlO(OH)), kryolit Na₃[AlF₆], korund Al₂O₃

 

vlastnosti a reakce:

• stříbrobílý, lehký, kujný, tažný kov, tepelně i elektricky vodivý
• vůči vzduchu a vodě je stálý, neboť se pokrývá vrstvou oxidu hlinitého a hydroxidu, nepodléhá korozi
• je amfoterní, rozpouští se:
  • v roztocích kyselin (pouze koncentrovanou kyselinou dusičnou se pasivuje) za vzniku solí hlinitých a vodíku:
    • 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂
    • 2 Al + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3 H₂

• • v roztocích hydroxidů za vzniku hydroxohlinitanů a vodíku:
    • 2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂

• má redukční vlastnosti, které se využívají při získávání některých kovů (aluminotermie)
• na vzduchu hoří intenzivním svítivým plamenem za vzniku oxidu:
  • 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

• může být až šestivazný (např. v hexafluorohlinitanovém iontu AlF₆^3-)
• má malou elektronegativitu, proto jsou kovalentní vazby, které tvoří, silně polární
• nabývá oxidačních čísel –III až III
• zvýšený výskyt Al v krvi může být příčinou Alzheimerovy choroby, ale v podmínkách běžné tepelné úpravy a konzumace je stálý a nerozpustný (může se uvolňovat v kyselém prostředí)

 

výroba:

• elektrolýzou taveniny oxidu hlinitého a kryolitu (působí jako tavidlo) při teplotě 950 °C – na katodě se vylučuje elementární hliník, na grafitové anodě vzniká kyslík, který ihned reaguje s materiálem elektrody na CO
• hlavní surovinou pro výrobu hliníku je bauxit
• průmyslová výroba byla dříve velmi obtížná, neboť elementární hliník nelze jednoduše vyredukovat z jeho rudy
• patrně největší hliníkárnou ve střední Evropě je závod v Žiaru nad Hronom (zpracovává bauxit z Maďarska)

 

použití:

• jeho redukční vlastnosti se využívají při získávaní některých kovů (např. Mn, Mo, Cr, V, Fe) z jejich oxidů za vysokých teplot, tato metoda se nazývá aluminotermie:
  • 3 MnO₂ + 4 Al → 2 Al₂O₃ + 3 Mn
  • Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe
  • Cr₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Cr
• výroba slitin (např. dural – Al + Cu + Mn + Mg), alobalu, nádob, jako mincovní kov, vodič el. proudu
• práškový jako složka výbušnin
• keramika – surovina kaolín (hlinitokřemičitan)

 

sloučeniny:

• oxid hlinitý Al₂O₃:
  • v přírodě se vyskytuje jako tvrdý, těžko tavitelný minerál korund (tvrdost 9)
  • je možné ho připravit spalováním hliníku (exotermní reakce, světelný efekt – prskavky):
    • 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

• • je nerozpustný ve vodě, amfoterní (reaguje s kyselinami za vzniku hlinitých solí a s hydroxidy za vzniku hydroxohlinitanů)
  • vyskytuje se ve 2 modifikacích:
    • α – těžko tavitelný, nerozpustný v kyselinách a roztocích hydroxidů, v přírodě minerál korund
    • γ – rozpustný v kyselinách a roztocích hydroxidů, na modifikaci α přechází žíháním
  • slouží k výrobě brusných a žáruvzdorných materiálů, některé jeho odrůdy se používají v klenotnictví:
    • rubín – červený, oxid hlinitý + oxid chromu
    • safír – modrý, oxid hlinitý + oxid titanu + oxid železa
• hydroxid hlinitý Al(OH)₃:
  • hydrát oxidu hlinitého
  • amfoterní (s kyselinami reaguje za vzniku hlinitých solí, s hydroxidy za vzniku hydroxohlinitanů):
    • 2 Al(OH)₃ + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O
    • Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

• chlorid hlinitý AlCl₃ – Lewisova kyselina, významný katalyzátor v organické chemii
• octan hlinitý Al(CH₃COO)₃ – účinná látka v mastech proti otokům
• síran hlinitý Al₂(SO₄)₃ :
  • za laboratorní teploty krystalizuje jako oktadekahydrát
  • užití – papírenský a textilní průmysl, čeření vody

 

Gallium, indium, thallium

• v přírodě jsou vzácné
• stříbrobílé, měkké kovy s kovovým leskem
• využití je omezené – gallium se používá jako náplň do vysokoteplotních teploměrů a v elektronických součástkách, indium k výrobě polovodičů a sloučeniny thallia jako deratizační prostředek

 

Kovy

dělení:

• ušlechtilé – vyskytují se ve sloučeninách i ryzí (Au, Ag, Pt)
• neušlechtilé – vyskytují se pouze ve sloučeninách

 

výroba kovů

• 1. těžba rudy
• 2. separace rudy – odstranění příměsí (plavení, usazování,…)
• 3. vlastní výroba kovu – tepelným rozkladem, redukcí, elektrolýzou
  • tepelný rozklad:
    • lze provést jen u tepelně labilních rud
    • používá se především u oxidů
    • např. 2 HgO → 2 Hg + O₂
    • užívá se i k přečištění kovů
  • redukce:
    • používá se pro kovy, které se snadno redukují (např. Cu, Ag)
    • dělení podle redukčního činidla:
      • uhlíkem (koksem):
        • koks se získá karbonizací černého uhlí a slouží jako redukční činidlo i palivo
        • např. výroba železa ve vysoké peci
        • často doprovázena využitím CO jako redukčního činidla: 2 C + O₂ —> 2 CO —⁰²–> 2 CO₂
      •  vodíkem:
        • produkt je velice čistý, ale proces výroby je velice nebezpečný a obtížný
        • např. WO₃ + 3 H₂ → 3 H₂O + W
      •  metalotermie:
        • redukčními činidly jsou elektropozitivní kovy
        • např. aluminotermie: Cr₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Cr
        • nelze takto vyrobit elektropozitivní kovy

• • elektrolýza:
    • používá se k výrobě elektropozitivních prvků, tavenin oxidů a halogenidů
    • dá se využít i k přečištění kovů
    • např. výroba sodíku (dříve)

 

Termochemické zákony

• 1. termochemický zákon (Lovoisier-Laplaceův, 1870):
  • reakční teplo reakce přímé a zpětné se liší pouze znaménkem
• 2. termochemický zákon (Hessův):
  • změna entalpie závisí pouze na počátečním a koncovém stavu, nezávisí na mechanismu reakce