Transcript prednes10 – kopie

CHEMIE
http://homen.vsb.cz/~val15
http://rccv.vsb.cz/iTutor
Kovy v PSP
Růst kovového charakteru
88 prvků
Růst kovového charakteru
Rozdělení kovů
 Lehké: Al, Mg, Ti
 Těžké: Cu, Zn, Pb, Ni, Sn, Cr, W
 Nízkotavitelné (do 500C): Sn, Pb, Zn
 Vysokotavitelné: Cr, Mn, W
 Železné: surové železo, ocel, litina
 Neželezné: ostatní
Výskyt v přírodě
 Jako elementární jen kovy ušlechtilé, jejich velká ložiska však
už byla většinou vytěžena
 Častěji ve sloučeninách
 Nerosty pro výrobu kovů: kovové rudy
 Zpravidla se jedná o sloučeniny oxidické (oxidy, hydratované
nebo podvojné oxidy) nebo sulfidické (často polymetalické)
 další sloučeniny: uhličitany, sírany, halogenidy, fosforečnany, aj.
Kovy - fyzikální vlastnosti
 Neprůhledné
 Lesklé
 Tvrdost a pevnost
 Kujnost, tažnost (Pt, Au, Ag)
 Tepelná a elektrická vodivost ( T klesá)
 Nejtěsnější uspořádání (hexagonální, kubické)
 Teploty tání, varu
 Tvorba slitin
Nejtěsnější uspořádání koulí
v rovině
Nejtěsnější uspořádání vrstev
hexagonální
kubické plošně
centrované
Dva typy dutin
tetraedrické mezery
oktaedrické mezery
Kubická prostorově centrovaná
struktura
Přehled krystalových struktur
kovů
kubická plošně
centrovaná
Ca, Sr, Fe (),
Co, Ni,Rh, Pd,
Ir, Pt, Cu, Ag,
Au, Al, Pb
hexagonální
Be, Mg, Y, La,
Ti, Zr, Hf, Re,
Ru, Os, Zn, Cd,
většina lanthan.
kubická prostorově
centrovaná
Li, Na, K, Rb, Cs,
Ba, V, Nb, Ta, Cr,
Mo, W, Fe ()
Kovy – chemické vlastnosti
  3/4 prvků v PSP
 Kovová vazba (delokalizovaná)
 Malé až střední hodnoty elektronegativit
 Tvoří kationty Mez+ (vždy kladné ox. č.)
 Dle el. potenciálu: neušlechtilé (E< 0),
ušlechtilé (E> 0)
 Reaktivita ( s  E)
Neušlechtilé kovy
 Velmi reaktivní
 V přírodě jen ve sloučeninách
 Rozpouštějí se v HCl, zředěné H2SO4
(za studena) za vývoje H2
 Rozpouštějí se také v HNO3, konc. H2SO4 (za horka) za
vývoje plynů (NO, SO2), ale nikdy se neuvolňuje vodík
 Elektrolytická výroba: jen z tavenin
 Stabilnější je oxidovaná forma (snadno se oxidují a jsou
redukčními činidly
 Vytěsňují (redukují) ušlechtilé kovy z roztoku na kov:
Fe(s) + 2 Ag+ = 2 Ag(s) + Fe2+
 Velká afinita ke kyslíku: na vzduchu korodují
 Některé se pasivují (pokrývají se kompaktní vrstvičkou
oxidu): Zn, Al, Mg, Ca, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta
Koroze kovů
Chemická (kov + nevodivé prostředí)
Elektrochemická (kov + vodivé prostředí)
Chemická koroze
Fe2O3
Fe3O4
FeO
ocel
vznik okují na oceli
Elektrochemická koroze
voda
měď
ocel
koroze
vznik korozního makročlánku
Ochrana proti korozi
Katodická ochrana
Pokovování
Nátěry
Smaltování
Ušlechtilé kovy
 Nerozpouštějí se v HCl, zřeď.H2SO4
 Některé (Cu, Ag, Hg) se rozpouštějí v HNO3, konc. H2SO4 za
horka za vývoje plynů (NO, SO2), ale nikdy se neuvolňuje vodík
 Ostatní se rozpouštějí jen v lučavce královské (směs HNO3+HCl)
nebo za přítomnosti silného oxidačního činidla (Cl2)
 Elektrolyticky se mohou vyrábět i z roztoků
 Jsou stabilnější v elementárním stavu (redukovaná forma)
 Méně reaktivní než neušlechtilé kovy
 Mimořádně kujné a tažné (kromě kapalné rtuti)
Tvorba slitin
 Vznikají jednak mezi kovy, dále mezi kovy a
polokovy, resp. kovy a nekovy
 Zachovávají si zákl. vlastnosti (el. a tepelná vodivost)
 Typ slitiny závisí na: el. konfiguraci, poloměrech a
krystalové struktuře výchozích kovů
 Vznikají mísením a následným ochlazením
roztavených kovů
Tvorba slitin
 Při tuhnutí směsi roztavených kovů 3 možnosti:
 Kovy se nemísí a nereagují spolu - nehomogenní
soustava
 Kovy se mísí, nereagují spolu - roztok
 Kovy se mísí a reagují spolu - intermetalická
sloučenina
Přehled nejznámějších slitin
BRONZ (Cu+Sn,
Al, Ni, Mn)
PÁJKA (Sn+Pb)
ZVONOVINA (Cu+Sn)
MOSAZ (Cu+Zn)
DURAL (Al+Cu,
Mg, Mn)
Přehled základních typů slitin
substituční
roztoky
intersticiální
slitiny
intermetalické
sloučeniny
valenční
nevalenční
Struktura základních typů slitin
intersticiální
substituční
hyperstruktura
Přehled základních typů slitin
substituční
roztoky
intersticiální
slitiny
intermetalické
sloučeniny
valenční
nevalenční
Intermetalické slitiny
 Mají technicky zajímavé vlastnosti: jako pevnost, magnetické vlastnosti,
stabilitu za vysokých teplot, supravodivost, atd.
 Na druhé straně jsou většinou těžko opracovatelné a křehké
 Jsou vyráběny jednak technologií práškové metalurgie nebo konvenčním
tavícím procesem
Příklady
SmCo5 – materiál na výrobu silných magnetů
Nb3Sn, Nb3Ti – supravodiče
Ni3Al, TiCr2, TaFeAl, Mg2Si – materiály odolávající vysokým teplotám
 Valenční (Li4Pb a Mg3B2): struktura slitiny neodpovídá struktuře výchozích
kovů, řídí se zákony chem. slučování. Tvoří je s-prvky a polokovy nebo p- kovy
 Nevalenční (NiAs Fe2Ge): jejich společným znakem je složení, které
neodpovídá běžným ox. č.. Tvoří je d- prvky a polokovy
Kovy –
Z
3
Značka Název
prvku
Li
Lithium
Ar
6,94
1
s
prvky
ElektroTvrdost Teplota Barva
negativita (Mohs) tání(°C) plamene
1,0
0,6
180,5 červená
11
Na
Sodík
22,99
0,9
0,4
97,8
žlutá
19
K
Draslík
39,10
0,8
0,5
63,2
fialová
37
Rb
Rubidium 85,47
0,8
0,3
39,0
55
Cs
Cesium
0,7
0,2
28,5
červenofialová
červenofialová
87
Fr
Francium (223)
132,91
Elektronová konfigurace
0,7
27
ns1
np
Charakteristika skupiny
 Velmi měkké (dají se krájet i nožem)
 Slabá kovová vazba tvořena 1e-: nízké teploty tání, varu, nízkou
hustotu (Na, K plavou na vodě, Li i na petroleji)
 Na řezu jsou lesklé, lesk rychle ztrácejí reakcí se vzduchem a
vodou
 Velmi reaktivní: Li<Na<K<Rb<Cs<Fr
 Reagují s mnoha složkami atmosféry (O2, H2O i CO2): nutno
uchovávat pod inertními kapalinami
 Velmi bouřlivě reagují s vodou: vzniká příslušný hydroxid a vodík
 Sodík se při reakci s vodou taví, ostatní prvky (výjma Li se
zapalují
 Charakteristicky barví plamen
Charakteristika skupiny
 Alkalické hydroxidy (louhy): nejsilnější zásady vůbec
 Silné elektrolyty: v roztocích, tavenině zcela disociovány (dobře
vedou elektrický proud)
 Silné redukční činidla, lze jimi vyredukovat téměř všechny ostatní
kovy z jejich sloučenin
 Připravují se elektrolýzou tavenin svých solí, nejčastěji halogenidů
 S vodíkem vznikají iontových hydridů (silné redukční činidla)
 Při hoření Li na vzduchu vzniká oxid lithný; při hoření ostatních
prvků skupiny se tvoří peroxidy
 Sloučeniny alkalických kovů: bezbarvé (pokud není barevný anion)
 Všechny sloučeniny jsou dobře rozpustné ve vodě
Kovy –
Z
4
Značka
Název
prvku
Be
Beryllium
2
s
prvky
Ar
Elektro- Tvrdost Teplota
Barva
negativita (Mohs) tání(°C) plamene
9,01
1,5
5,0
1285
1,2
2,0
650
40,08
1,0
1,5
850
oslnivě
bílá
cihlová
87,62
1,0
1,8
757
červená
Baryum
137,34
0,9
2,5
710
zelená
Radium
226,03
0,9
960
červená
12
Mg
Hořčík
20
Ca
Vápník
38
Sr
Stroncium
56
Ba
88
Ra
24,31
Elektronová konfigurace
ns2
np
Charakteristika skupiny
 Podobnost s s1- prvky (v mírnější podobě)
 Neušlechtilé ( E -2,9 až -2,3 V)
 Silná redukční činidla
 Zásadotvorné
 Be, Mg – odlišné vlastnosti: kovalentní vazba, ostatní iont.
 Reagují snadno, ve sloučeninách ox. č. II
 Barví plamen
 V přírodě pouze ve sloučeninách (nejrozšířenější Ca, Mg)
 Ra – 1. objevený radioaktivní prvek
Charakteristika skupiny
S vodíkem
 Reagují za vzniku tuhých hydridů
 Hydridy Be, Mg jsou polymerní, ostatní iontové
S kyslíkem
 vznikají oxidy, jen BeO je amfoterní, ostatní jsou zásadotvorné
S vodou
 Be nereaguje, Mg jen za varu, Ca zvolna za běžných teplot, ostatní
bouřlivě za vzniku hydroxidu a H2
 Zásaditost a rozpustnost hydroxidů roste s protonovým číslem
 Výroba elektrolýzou roztavených obvykle halogenidů
Plamenová
zkouška
Kovy – p prvky
Al
Pb
• 3.nejrozšířenější prvek
• Vyrábí se elektrolýzou
• Pasivuje se vrstvou Al2O3
• Pasivuje se v konc. HNO3
• Použití v aluminotermii
• Potravinářství (alobal)
• Výroba lehkých slitin:
• Dural (Al-Mg-Cu-Mn)
• Elektron (Mg-Al)
• Rubín, safír (na bázi Al2O3)
• AlCl3-průmysl. katalyzátor
• Nízkotavitelný, měkký,
těžký, toxický
• Pasivuje se ve zředěné
H2SO4 vrstvou PbSO4
• Na vzduchu se pasivuje
vrstvou PbO a PbO2
• Použití do
akumulátorů, ochrana
proti RTG záření
• Výroba střeliva
• Výroba slitin:
• Sn – Pb (pájky)
Sn
• Pasivuje se vrstvou
SnO2
• K pocínování
• Potravinářství (tzv.
bílý plech)
• Výroba slitin:
• Sn – Cu (bronz)
• Sn – Pb (pájky,
varhanní píšťaly)
Kovy – d prvky
d - prvky
Ušlechtilé kovy
11 prvků
Cu, Ag, Au, Hg, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt
Podobnost vlastností prvků v PSP
s
p
d
f
Kovy – d prvky: vlastnosti
 d1-prvky vykazují podobnost s s-prvky: značně
neušlechtilé a reaktivní
 d10-prvky vykazují podobnost s p-prvky
 d2,3,4-prvky se pasivují; snížená reaktivita
 d10-prvky (Zn, Cd, Hg) odlišné chování: zcela
zaplněny AO
 d6,7,8-prvky (VIII.B) největší podobnost v periodách:
triády
 Acidobazický charakter, elektronegativita souvisí
s ox. č.:  ox. č. a  X roste kyselost
Acidobazické vlastnosti sloučenin
manganu
Oxidační číslo prvku
Charakter sloučeniny
Příklad
MnII
mírně zásaditý
MnO
MnIII, MnIV
amfoterní
MnO2
MnVII
silně kyselý
Mn2O7
Kovy – d prvky: vlastnosti
 Menší než s-prvky, na vazbě se podílí více e- z d-AO
 Vyšší hustoty, teploty tání a varu, tvrdé
 Výjimka: Zn, Cd, Hg (zcela zaplněny AO)
 Velká rozmanitost oxidačních č. (Cr, Mn..)
CuSO45H2O
 Většina sloučenin je barevných (bezbarvé Cu+, Ag+, Zn2+)
 Tvorba komplexních sloučenin, katalytické účinky
 V přírodě ve sloučeninách (Ag, Pt, Au aj. ryzí)
Kovy – d prvky: použití
 Ti titanová běloba TiO2
 V legovací přísada do ocelí
 Cr pokovování, pigment (chromová zeleň a žluť)
 Mn rafinace oceli
 Co tvrdší než Fe, pigment (kobaltová modř), slitina pro
endoprotézy
 Ni pokovení, legování, Cu-Ni (mince), Cu-Ni-Zn (alpaka)
 Pd, Pt, Ni katalyzátory
 Ag výroba šperků, zrcadel, fotografický materiál
Kovy – d prvky: použití
 Cu vodiče, slitiny (bronz. zvony, mosaz. dráty a plechy)
 Zn pozinkování, katodová ochrana
 Cd dobře pohlcuje neutrony (regulační tyče v JE)
 Hg kapalný kov (likvidace pomocí Zn), slitiny-amalgámy
 Au šperky, barvení skla (rubínová červeň-AuCl3), nejvyšší
kujnost a tažnost (1g~3 km drát)
 W nejobtížněji tavitelný kov, vlákna žárovek, zapalovací
automobilové svíčky
 Rh, Ir odolávají lučavce královské (HCl+HNO3, 3:1)
Kovy – f prvky
f - prvky
Charakteristika skupiny
 Podobné lanthanu, označují se Ln
 Prvky 6. periody, zaplňující orbitaly 4f
 Energie 4f je  než energie 6s, ale  než energie 5d
 Důsledek: prázdné 5d0 (většinou) a zaplněné 4f1-14
 Výjimka u gadolinia a lutecia: stabilnější je 5d1 4f 7 resp. 4f 14
 Mimořádná horizontální podobnost: stejné uspořádání sféry 6s2 a
5d0-1 (neochota elektronů z 4f1-14 podílet se na vazbách a chování)
 Chemické vlastnosti všech 14-ti prvků prakticky stejné
 Výskyt: směsné minerály monazit (fosforečnan) nebo bastnezit
(fluorid-uhličitan)
Lanthanidová kontrakce
 Jev, kdy se s postupným zvyšováním atomového čísla prvku
zmenšuje poloměr následujících atomů
 Ve skupině lanthanidů je tento trend zvláště markantní
 Pro Lanthan se uvádí atomový poloměr 1,061 Å a poslední
Lutecium pouze 0,848 Å
 Vysvětlení: elektrony doplňované postupně do orbitalu 4f jsou
přitahovány jádrem tím více, čím větší je protonové číslo (s počtem
protonů v jádře roste působící přitažlivá síla na elektrony)
.
Vlastnosti skupiny
 Stříbrolesklé, kujné, tažné, velmi neušlechtilé kovy
 Lehčí prvky (po europium): nízké teploty tání (cca 800 – 1000°C)
 Těžší kovy: teploty tání 1300 – 1650 °C
 S  protonovým číslem  tvrdost kovu
 Velmi reaktivní, pasivace na vzduchu (vrstvičkou oxidu)
 S vodou reagují za vzniku hydroxidů a uvolnění vodíku
 S neoxidujícími kyselinami (HCl) reagují za vývoje vodíku
 Získávají se ze směsných minerálů:
– jako slitiny (ve směsi) elektrolýzou taveniny halogenidů
– vyluhováním a následným rozdělením na iontoměničích
Použití




Jejich mikropříměsi zlepšují mechanické a fyzikální vlastnosti
V metalurgii: legování ocelí
Výroba tzv. superslitin (letecký a raketový průmysl)
Cer a samarium: složky permanentních magnetů
Sloučeniny




Odvozeny od oxidačního čísla III
Většinou jsou výrazně zbarveny
Dobře rozpustné: dusičnany a chloridy
Málo rozpustné: fluoridy, oxidy, hydroxidy,
fosforečnany a uhličitany
 Oxidy Ln2O3: práškovité, obtížně tavitelné sloučeniny, výroba
barevných skel
AKTINIDY
Z
Značka
90
91
Th
Pa
Thorium
Protaktinium
Elektronová
konfigurace
7 s 2 6 d2 5 f 0
7 s 2 6 d1 5 f 2
92
93
94
95
96
U
Np
Pu
Am
Cm
Uran
Neptunium
Plutonium
Americium
Curium
7 s2
7 s2
7 s2
7 s2
7 s2
97
98
99
100
101
Bk
Cf
Es
Fm
Md
Berkelium
Kalifornium
Einsteinium
Fermium
Mendelevium
7 s 2 6 d0 5 f 9
7 s2 6 d0 5 f 10
7 s2 6 d0 5 f 11
7 s2 6 d0 5 f 12
7 s2 6 d0 5 f 13
102
103
No
Lr
Nobelium
Lawrencium
7 s2 6 d0 5 f 14
7 s2 6 d1 5 f 14
Název
6 d1
6 d1
6 d0
6 d2
6 d1
5f3
5f4
5f6
5f7
5f7
Teplota tání (°C)
1750
1300
1133
640
640
830
Charakteristika skupiny
 14 prvků-An za aktiniem a doplňující elektrony do orbitalu 5f
 V energeticky výhodnějších případech: upřednostnění 6d1-2
 První 3 prvky Th, Pa, U: konfigurace a chemické vlastnosti
podobné d – prvkům 4. – 6. skupiny (Hf, Ta, W)
 Výrazně nižší teploty tání
 Ostatní prvky: velká horizontální podobnost
 Neptunium, plutonium a americium se vlastnostmi velmi
podobají uranu
 Aktinidy také vykazují tzv. lanthanidovou kontrakci
Vlastnosti
 Všechny jsou radioaktivní , mnoho izotopů
 v přírodě pouze: thorium, protaktinium a uran
 Ostatní připraveny uměle a jsou nazývány transurany
 Stříbrolesklé, těžké, značně neušlechtilé kovy s velmi
zápornými E
 Velmi reaktivní, v práškové formě jsou mnohé samozápalné
 Pasivace na vzduchu (vrstvou oxidů)
 Ve sloučeninách: nejčastěji oxidační stupeň III, tvorba An3+
 Oxidy An2O3 jsou zásadité
 Uplatňují se (Th, U, Pu): v jaderné energetice, při aplikaci
radionuklidů v různých vědních oborech