Szervetlen kémia Átmeneti fémek

Az előadások a következő témára: "Szervetlen kémia Átmeneti fémek"— Előadás másolata:

1 Szervetlen kémia Átmeneti fémek
Általános tulajdonságok Elektronszerkezet: (n-1)s2 (n-1)p6 (n-1)d1-10 ns1-2 np0 Szilárd halmazállapotúak, kivéve Hg Fémes tulajdonságok: fémrács, áram- és hővezetés, szürkés szín (kivéve Cu, Au) A nyílt vegyértékhéj miatt (kivétel Zn, Cd) több oxidációs számmal képezhetnek vegyületeket. Vegyületeik általában színesek. Az részben betöltött d-pályák miatt szervetlen ill. szerves ligandumokkal datív kötéssel komplexeket képeznek. vascsoport Vascsoport (triád: Fe, Co, Ni) Nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek: nagy sűrűség, magas op, mágnesezhetők, legszorosabb illeszkedésű fémrács, könnyen alakíthatók (kis keménység), ötvözhetők, oxidációs szám +2 és +3.

2 Szervetlen kémia Vas (Fe)
Előfordulás Föld magját alkotja (Ni-el együtt): szilárd belső mag, folyékony külső mag Vegyületei formájában fordul elő a földkéregben (4.8 %, 4. leggyakoribb a földkéregben), ill. tiszta állapotban a Földre került meteoritokban. Kalkopirit (CuFeS2) Sziderit (FeCO3) Pirit (FeS2) Hematit (Fe2O3) Magnetit (Fe3O4) Limonit (Fe2O3.1.5H2O)

3 Szervetlen kémia Fizikai tulajdonságok: Kémiai tulajdonságok:
Olvadáspont: 1538 ºC. Lehűtve térben középpontos kockarács: d-vas (0.293 nm élhossz.) ºC: g-vas – lapon középpontos kockarács (0.368 nm élhossz) – kisebb sűrűség 912 ºC alatt: a-vas – térben középpontos kockarács (0.290 nm élhossz) 770 ºC: mágnesezhetőség határa Kémiai tulajdonságok: Elektronegativitása: 1.8, általában ionos vegyületeke képez +2 és +3 oxidációs számmal Fe2+ vegyületek: zöld szín, többségük nem stabil, levegőn lassan oxidálódnak Fe3+ formává emiatt redukáló tulajdonságú Fe3+ vegyületek: sárga-vörös, természetben ez fordul elő Oxigénnel reagál: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 Halogénekkel: FeF3, FeCl3, FeBr3, FeI2 (jód oxidáló hatása a legkisebb, FeI3 instabil) Kénnel: FeS (kén is gyenge oxidálószer) Vízzel nem reagál, csak ha van benne oldott O2 → rozsda FeO(OH) ill. Fe(OH)3.Fe2O3 Híg savak H2 fejlődés közben oldják Tömény savak (HNO3, H2SO4, H3PO4) passzív védőréteget képeznek a felületen.

4 Szervetlen kémia Nyersvasgyártás: Fe2O3/Fe3O4 Fe
vasérc megfelelő méretre aprítása salakképző (mészkő, dolomit) hozzákeverése: kén eltávolítása CaS-ként (minőséget ront) tüzelő/redukáló anyag: koksz v. szénhidrogén - reakcióhoz, olvadáshoz szükséges hő - redukálószer, ill. redukáló CO képződik - adja a vasak széntartalmát - kb. 1 % kén: el kell távolítani levegő (égéshez): fúvószél; forrószél= égéstermékekkel ºC-ra felmelegítik redukció Direkt redukció: Fe2O C = 2Fe + 3CO Fe3O C = 3Fe + 4CO FeO C = Fe CO endoterm, hőt fogyaszt, több tüzelőanyag kell A nagyolvasztó részei: 1 – meleg levegő befúvás; 2 – olvasztó zóna; 3 – redukáló zóna 1; 4 – redukáló zóna 2; 5 – előmelegítő zóna; 6 – elegy adagoló; 7 – torokgáz; 8 – elegyoszlop; 9 – salak és salakcsapoló nyílás; 10 – medence és a nyersvas csapolónyílása; 11 – távozó kohógáz.

5 Szervetlen kémia Nyersvasgyártás: Indirekt redukció:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 Fe3O CO = 3Fe + 4CO2 FeO + CO = Fe + CO2 exoterm reakciók, kevesebb tüzelőanyag kell. CO keletkezése: C + O2 = CO2 CO2 + C = 2CO C + H2O = CO + H2 (CO + H2O = CO2 + H2) H2 is képes redukálni: 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O Fe2O H2 = 2Fe + 3H2O Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O Fe3O H2 = 3Fe + 4H2O FeO + H2 = Fe + H2O magasabb hőmérsékleten redukál mint a CO, de gyorsabban Nyersvas tulajdonságai: 3-5 % szén + kisebb mennyiségben egyéb elemek (1.5-4 % Mn, % Si, kevés P, S képlékenyen nem alakítható a magas széntartalom miatt C Öntöttvas tulajdonságai: 2-3.6 % szén + Si, Mn, P, S nyersvasból ócskavas hozzáadásával, olvasztással gyártják könnyen megmunkálható, korrózióálló, rezgéscsill. (szerszámgépállvány) rideg, könnyen törik, acélnál kisebb szilárdságú

6 Szervetlen kémia Acél: Széntartalom max. 2.11 %
Könnyen megmunkálható (kovácsolás, hengerlés) Acélgyártás: oxidációval a széntartalom lecsökkentése, ötvözetkészítés: keménység, rugalmasság, hajlékonyság, szilárdság, hőállóság, savállóság, korróziómentesség - olvadt nyersvasba nagy nyomással oxigént fúvatnak (30 perc) régebben Siemens-Martin eljárás: rozsdás ócskavassal olvasztották (O rozsdából – 6-8 óra) - ötvöző anyag oldása az olvadékban: lehűlve szilárd oldat Ezután hőkezeléssel mechanikai tulajdonságok módosíthatók - lágyítás: belső feszültség megszüntetése; pár fokkal 727 ºC alá melegítik, lassan lehűtik - edzés: keménység növelése; hevítés kb ºC-ra, egy ideig ott tartják, majd gyorsan lehűtik. Ezzel befagyasztják az 1300 ºC-on levő kristályszerkezetet – de belső feszültségek keletkeznek. Megeresztés: ugyanez kb ºC-on; feszültség csökken, keménység is. - kérgesítés: kemény kopásálló külső réteg; felületi edzéssel vagy ötvözéssel Ötvözetek: Helyettesítés (szubsztitúció): atomok hasonló méretűek, azonos rácsban kristályosodnak. Beékelődéses (interszticiós): ötvözőfém atomjai kisebbek helyettesítés beékelődés

7 Szervetlen kémia Vas nem ötvöződik: nemesgázokkal, halogénekkel, s-mező elemeivel, higannyal, kadmiummal, ezüsttel. Nehezen elegyíthető bizmuttal, ólommal, cinkkel. Fontosabb ötvözők: C 0.6 % alatt = szerkezeti acélok: szilárdság, szívósság, ellenállás lökésszerű igénybevétellel szemben C 0.6 % felett = szerszámacélok: keménység, kopásállóság Ni, Mn: szilárdságot növelik, magas hőmérsékleten is (hőálló acél) Vanádium (V): keménységet, kifáradással szembeni ellenállást növeli Cr, Ni: rozsdamentessé, savállóvá teszi Cr, Al, Si: magas hőmérsékleten is korrózióálló (FeCr2O4 réteg van a felületen) W: nagyon kemény un. gyorsacélok (forgácsolószerszámokhoz) Bór (B, ezred %): acél edzhetőségét növeli Nióbium (Nb, század %): acél rugalmasságát növeli N, S, P: káros ötvözőanyagok, acélt törékennyé teszik

8 Szervetlen kémia Réz(Cu): Cink (Zn): színesfém, vörös színű (vörösréz)
vegyértékhéj: 4s1 3d10 vegyületeiben többnyire +2, esetenként +1 oxidációs számú Kémiai aktivitása kicsi: híg savakban nem, oxidáló savakban oldódik Nedves levegőn bázisos réz-karbonát (CuCO3) = patina képződik, mely védi a további korróziótól Ötvözetek: - sárgaréz (Cu + Zn). Hamis arany 80 % réz. - bronz (Cu + Sn): disztárgyak, szobrok, harang - újezüst=alpakka (Cu + Ni): pénz, evőkészlet Felhasználás (fentieken felül): - elektromos vezeték - CuSO4.5H2O (rézgálic): permetezőszer Minneapolis városháza (Cu tető) Cink (Zn): Vegyértékhéj: 4s2 3d10 → +2 oxidációs szám vegyületeiben Felhasználás: korrózióvédelem (horganyzott bádog), galvánelem, ötvözetek

9 Szervetlen kémia Ezüst:
Természetben elemi állapotban (ritka) és ércásványokban (többnyire szulfidok) Vegyértékhéj: 5s1 4d10 → oxidációs száma +1 Klasszikus előállítás: Ag2S + 2NaCl = 2AgCl + Na2S 2AgCl + 2Hg = 2(AgHg)Cl Ag + Hg2Cl2 Oxidáló savak (salétromsav, tömény kénsav) oldják Levegőn oxigénnel nem reagál, csak H2S-el → fekete AgS a felületen Hővezető és fényvisszaverő képessége a fémek között a legjobb → tükör Felhasználás: ékszerek, étkészletek, egészségügyi műszerek, fertőtlenítő hatás gyógyászat elektronikai ipar: nyomtatott áramkörök, kapcsolók, Ag-Zn, Ag-Cd gombelemek hevítés

10 Szervetlen kémia Arany: Higany:
Természetben elemi állapotban és ércásvány formájában is előfordul Vegyértékhéj: 6s1 5d10 → oxidációs száma +1 és +3 Híg/tömény savak nem oldják. Oldja: királyvíz, folyékony Br, Cl, Hg, alkáli-cianid olvadék Előállítás: meddő kőzetekből cianidokkal való kioldással lúgos közegben: 4Au + 8NaCN + O2 +2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH 2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au Nem korrodeálódik: ékszer alapanyag és fizetőeszköz (volt) Ipari felhasználás: elektromos kontaktus, aranyfüsttel bevont egyirányban átlátszó ablakok Higany: Cseppfolyós, könnyen párolog (mérgező gőzök) Természetben ércásvány formájában fordul elő (HgS, vulkáni tevékenység helyein) Vegyértékhéj: 6s2 5d10 → oxidációs száma +1 és +2 Fémeket hidegen oldja: amalgám ötvözetek Felhasználás: hőmérő, barométer, higanygőzlámpa Ag-, Zn-amalgámok: fogtömés Hg2Cl2: lineáris molekula Cl-Hg-Hg-Cl elektrokémiában referenciaelektród

11 Szerves kémia Fontosabb vegyülettípusok
Szénhidrogének: alifás telített (metán, etán, propán, bután, …) alifás telítetlen (etén, etin, …) aromás (benzol, toluol, naftalin) Oxovegyületek: hidroxivegyületek (metanol, etanol, fenol) éterek (dietil-éter) aldehidek, ketonok (acetaldehid, aceton) karbonsavak (ecetsav) észterek szénhidrátok Nitrogéntartalmú vegyületek: aminok (metil-amin, anilin) aminosavak amidok Műanyagok: természetes alapú műanyagok (kaucsuk) mesterséges alapú műanyagok (PVC, neylon)

12 Szerves kémia Alifás telített szénhidrogének
Jellemzők: Név: alkánok, paraffinok, összegképlet: CnH2n+2 csak egyszeres (s) kovalens kötéseket tartalmaznak - nyílt láncú: nincs elágazás (bután) - elágazó: izobután - gyűrűs: cikloalkánok, cikloparaffinok (ciklohexán) Apolárisak, vízzel nem, de egymással elegyenek. Szerves oldószerekben oldódnak Savakkal, lúgokkal, oxidálószerekkel nem reagálnak. Oxigén jelenlétében hőfelszabadulás közben elégnek: CnH2n (1,5n+0,5)O2 = nCO2 + (n+1)H2O Térszerkezet (konformáció): Az atomok igyekeznek minél távolabb elhelyezkedni egymástól: a szemben levő kötések 60º-os (torziós) szöget zárnak be: