Transcript 08_13.(IIIA)_csoportx - Vegyészeti

13. CSOPORT
(IIIA CSOPORT)
Vegyészeti-élelmiszeripari Középiskola
CSÓKA
Készítette: Varga István
1
Al
Ga
In
Sűrűség növekszik
B
A +3 oxidációs állapotra való
hajlam csökken
A +1 oxidációs állapotra való
hajlam erősödik
Tl
cs ö k k e n
Ei
A
vegyértékelektronok
általános
elektronszerkezete
2
1
ns np
2
B
metalloid
Al
G
a
In
Tl
földfémek
A csoport elemei földfémek
néven ismertek, mert
vegyületeik számottevő
alkotórészei a Föld szilárd
kérgét kialakító kőzeteknek.
3
A FÖLDFÉMEK FONTOSABB ADATAI
Fontosabb adatok
B
2,0
Al
1,5
Ga
1,6
In
1,7
Tl
1,8
799
576
578
557
588
Olvadásponti
2300
hőmérséklet [°C]
Forrásponti hőmérséklet 2550
[°C]
Sűrűség [g/cm3]
2,34
658
29,8
155
304
2300
2000
1450 1460
2,70
5,91
Elektronegativitás Pauling
szerint
Ei (I.) [kJ/mol]
7,31
11,83
4
5
Relatív atomtömeg
26,9815
Rendszám
13
Al
1,50
Az atom felépítése
Elektronkonfiguráció:
Elektronegativitás
576 kJ/mol
Első ionizációs energia
p+ = 13
e- = 13
n0 = 14
1s22s22p63s2 3p1
vegyértékszint
A 3. leggyakrabban előforduló elem. Nagy
reakcióképessége miatt csak vegyületei (ásványai)
alakjában fordul elő a természetben.
Az alumínium elnevezése latin eredetű: alumen
magyarul timsót jelent.
6
Az alumíniumot először H.C.
Oersted dán fizikus és kémikus
állította elő 1825-ben vízmentes
alumínium-klorid redukálásával.
Fontosabb ásványai:
 bauxit Al2O3·H2O
Hans Christian Ørsted
(1777-1851)




kriolit Na3[AlF6]
korund Al2O3
mészpát Ca[Al2Si3O8]
kaolinit Al2O3·2SiO2·2H2O
7
Ezüstfehér színű, csillogó, tiszta állapotban
jól nyújtható és hengerelhető, puha
könnyűfém.
Köbös lapcentrált kristályok formájában
kristályosodik.
Elektromos vezetőképessége a rézének kb.
60%-a.
8
 Az alumíniumnak 1 stabil (27Al – 100%) és
több radioaktív izotópja van.
Emissziós színképe a látható tartományban
9
Bauxitból történik két
lépésben:
 a bauxitból először lúgos
feltárással timföldet
(Al2O3) állítanak elő, majd
 a timföld elektrolízisével
tiszta alumíniumot kapnak.
A gyártáshoz használt bauxit
ásvány összetétele a következő:
 Al2O3
40-60%
 Víz
12-30%
 Fe2O3
7-30%
 SiO2
1-15%
 TiO2
3-4%
 F, P2O5, V2O5
0,05-0,2%
A timföldgyártás főleg Baeyer-féle eljárással történik.
10
BAUXIT
 A finomra őrölt bauxitot autoklávokban
NaOH-oldattal főzik három órán keresztül.
ÖRLÉS
NaOH
AUTOKLÁV
(6bar, 180°C)
szűrés
Al(OH)3(s)
VÖRÖSISZAP
 A bauxitban levő alumínium-oxid, vízben
oldódó nátrium-alumináttá alakul.
Al2O3 +2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
 A feltárás befejeztével ülepítőtartályokban
elválasztják az oldatot, amely tartalmazza
az alumíniumot, a vörösiszaptól.
ALUMINÁT
KIKEVERÉS
szűrés
Al(OH)3(s)
ELEKTROLÍZIS
950°C
NaOH-oldat
IZZÍTÁS
1200°c
Al2O3
 Az oldatot átszűrik és ún. kikeverőkbe
vezetik, ahol kristályos alumíniumhidroxidot adnak hozzá.
 Az alumínium-hidroxid apró kristályai és a
keverés hatására az aluminát elbomlik:
Na[Al(OH)4](aq) → Al(OH)3(s) + NaOH(aq)
Al(l)
11
 A NaOH-oldatot visszavezetik a bauxit lúgos
feltárásának folyamatába.
 Az alumínium-hidroxidot 1200°C-on
forgókemencében kiizzítják (kalcinálják), vagyis
timfölddé – tiszta Al2O3-dá alakítják.
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
 A kapott Al2O3 –ot kriolittal keverik, hogy az
olvadáspontja 935°C-ra csökkenjen (a tiszta
timföld olvadáspontja 2050°C).
 A megolvasztott keveréket elektrolizálókádakba vezetik.
12
Al2 O3( s ) 
 2 Al(3l)  3O(2l)
olvasztás 935 o C
3

0
2
Al

6
e

2
Al
katód (-):
(l )
(l )
anód (+):
3O(2l)  3O0  6e
A képződő oxigén az
anód anyagával
(szénnel) szénmonoxiddá egyesülve
távozik a cellából.
13
 A megolvadt alumínium az elektrolizálókád
alján gyűlik össze, ahonnan szabályos
időközökben lecsapolják, majd tömbökbe
öntik és így kerül feldolgozásra.
 A kinyert alumínium tisztasága 99,5-99,9%
között van.
 Az elektrolízis bruttó folyamata:
Al2O3( s )  3C( s ) 
 2 Al( l )  3CO( g )
elektrolízis 935 o C
H  1345kJ
14
 Az alumíniumsók mérgező hatásúak. A
szervezetbe jutva megkötik a foszfátokat és
rosszul oldódó, alumínium-foszfát keletkezik.
Ezáltal a vér foszfáttartalma lecsökken.
 Oldott állapotban a fehérjéket irreverzibilisen
kicsapja.
 Az emésztésben résztvevő enzimek
működését lelassítja.
 A timsót (KAl(SO4)2·12H2O),
vérzéscsillapítóként és élelmiszeradalékként is
használják E 440 kóddal, mint stabilizálót és
sav-szabályozót.
15
 Ötvözetek formájában repülők, autók gyártására,
 csomagolóanyagként (alufólia, üdítős dobozok),
 por alakban redukálószerként, fémek
előállítására,
 fedőfestékként megfelelő kötőanyaghoz keverve
(metál festékek),
 elektromos huzalok gyártása,
 szerkezeti elemek gyártása,
 fémek előállítása (aluminotermia),
 alumíniumvegyületek előállítására.
16
Levegőn állva a felülete már szobahőmérsékleten
vékony, tömör és kemény, a további oxidációtól
védő, összefüggő oxidréteggel vonódik be.
Az oxigénnel magas hőmérsékleten vakító
fénnyel egyesül:
4Al + 3O2 → 2Al2O3
17
Az oxigénnel szembeni reakciókészsége
annyira nagy, hogy az ún. aluminotermiás
reakciókban a nehezen redukálható fémoxidokból is elvonja az oxigént. Króm(III)oxiddal a következő reakció szerint reagál:
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr
A vizet az alábbi egyenlet szerint bontja:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
18
Híg savakkal reagálva H2-gázt fejleszt a következő
reakció szerint:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
Alkáli bázisok oldataival hidrogénfejlődés közben
reagál.
2Al + 6H2O + 2NaOH → 2Na[Al(OH)4]+ 3H2
Az alumínium amfoter tulajdonságú elem, mivel
savakkal és bázisokkal egyaránt reakcióba lép.
Ilyenkor megfelelő só keletkezik és hidrogén
szabadul fel.
19
Halogénekkel hevesen reagál: klórral
hőfejlődés közben, brómmal tűztünemény
kíséretében.
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
2Al + 3Br2 → 2AlBr3
Nitrogénnel magas hőmérsékleten egyesülve
alumínium-nitridet ad:
2Al + N2 → 2AlN
20
Vegyületeiben az alumínium oxidációs száma +3.
Alumínium-oxid (korund, timföld) – Al2O3:
Fehér, vízben oldhatatlan, kemény, magas
olvadáspontú vegyület. A természetben több
változata fordul elő (korund, zafír, rubin).
 A γ-Al2O3-módosulat savban és lúgban
egyaránt oldódik (amfoter jellegű vegyület):
Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
21
Korund
Zafír
Rubin
22
 Nagy adszorbeáló képessége következtében
gyakran használják:
 az adszorpciós analízisben,
a kromatográfiában,
a textiliparban, mint festék megkötőt
(pácfestés).
23
Alumínium-hidroxid - Al(OH)3: Fehér színű, vízben
gyengén oldódó amfoter vegyület.
Alumíniumiont tartalmazó vegyületekből állítható elő
bázis segítségével.
Al(3aq )  3OH(aq)  Al (OH )3( s )
Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
2Al(OH)3 + 2NaOH → 2Na[Al(OH)4]
nátrium-tetrahidroxoaluminát
24
25
Alumínium-szulfát – Al2(SO4)3·18H2O:
Színtelen, tű alakú kristályokat képez.
Vízmentes alakban fehér porszerű vegyület.
Alumínium-hidroxid meleg kénsavban való
oldásával állítják elő.
 Fontos szerepe van a víztisztításban. Ha a
szennyezett vízhez alumínium-szulfátot és
kalcium-hidroxidot adnak, a közöttük
lejátszódó reakcióban kocsonyás
alumínium-hidroxid keletkezik, amellyel
együtt a vízben levő szennyezőanyagok és
mikroorganizmusok is kicsapódnak.
26
Számos hidrátalakja létezik, leggyakrabban
hexadekahidrát Al2(SO4)3·16H2O és oktadekahidrát
Al2(SO4)3·18H2O formában van jelen.
27
Alumínium-klorid-hexahidrát – AlCl3 · 6H2O:
Színtelen, vízben jól oldódó, higroszkópos
vegyület. Vizes oldata a hidrolízis
következtében savas kémhatású.
 Alumíniumforgácsból állítják elő száraz
sósavgázban történő hevítéssel.
 A kőolaj feldolgozásakor és a szerves
reakcióknál katalizátorként használják
elektronpár megkötő képessége miatt.
28
29
Káliumtimsó – KAl(SO4)2·12H2O: Színtelen,
oktaéderes kristályos, fanyar ízű vegyület,
amely a természetben is előfordul.
 Ipari előállítása a bauxit kénsavas feltárásával
történik. Hideg vízben gyengén, melegben
pedig jól oldódik. Vizes oldata savas
kémhatású.
 Víz tisztítására, a gyógyászatban pedig
vérzéscsillapítóként és enyhe
fertőtlenítőszerként használják.
30
31
32
A természetben csak ásványaiban fordul elő.
Fontosabb ásványai a: nyersbórax
(Na2B4O7·10H2O), kernit (Na2B4O7·4H2O) és
az ulexit (Na2Ca2B10O18·16H2O).
Előállítása ásványaiból történik redukcióval.
Az elemi bór szobahőmérsékleten nem
reakcióképes. A hőmérséklet növelésével a
reakcióképessége nagymértékben növekszik.
700°C-on meggyullad és bór-trioxiddá (B2O3)
ég el. A lángot zöldre festi.
33
Fontosabb vegyületei:
 boránok: kellemetlen szagú gáz vagy
cseppfolyós halmazállapotú bór-hidrogének. A
diborán (BH3)2, például színtelen, mérgező
gáz, amely a szerves kémiában használatos
redukálószer.
 bórsav (H3BO3): Fehér, vízben könnyen oldódó
kristályos vegyület. Vizes oldata gyenge sav,
amely fertőtlenítő hatású.
 bórax (Na2B4O7·10H2O): színtelen, kristályos
vegyület
34
Bór
35
 Ezüstösen csillogó, lágy és jól nyújtható fém.
Levegőn állva a felülete vékony oxidréteggel
vonódik be.
 Csak vegyületei formájában, a cinkércek és a
bauxit kísérőanyagaként fordul elő.
 A cink- és alumíniumgyártás melléktermékeként
gallium is keletkezik.
 A gallium nitrogéncsoport elemeivel alkotott
vegyületei széles körben használt félvezetők.
36
Gallium
37
 Részaránya a földkéregben kb.10-5%, tehát olyan
gyakori, mint az ezüst.
 Levegőn állva a felülete vékony oxidréteggel
vonódik be, amely védi a fémet a víz és savak
hatásaitól.
 Csak ásványai formájában fordul elő a cink- és
ólomércek kísérőanyagaként.
 Előállítása a cink-, ólom- és kadmium-gyártás
során keletkező melléktermék elektrolízisével
történik.
38
Indiumtömb
Indiumhuzal
39
 Fémesen csillogó, lágy, jól nyújtható,
nehézfém.
 Csak ásványai formájában fordul elő a cink-,
réz- és ólomércek kísérőanyagaként.
 A tallium és vegyületei nagyon mérgezőek.
40