Fémek

A fémek fizikai tulajdonságai I Nagyméretű atomok Kevés és lazán kötött vegyértékelektron A fémrácsban a vegyértékelektronok az egész rácsra kiterjedő delokalizált elektronrendszert alkotnak, ezt nevezzük fémes kötésnek A fémrács háromféle lehet (lapon középpontos kockarács, térben középpontos kockarács, hatszöges rács), befolyásolja a fém megmunkálhatóságát, sűrűségét

Fémek fizikai tulajdonságai II Szürke színűek (kivéve réz és arany) Általában csillogóak Szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotúak (kivéve higany) Többségükben magas olvadáspontúak Egymás olvadékában általában oldódnak – ötvözetek keletkeznek Megkülönböztetünk nehéz- és könnyűfémeket, előbbiek sűrűsége 5 g/cm3-nél nagyobb, utóbbiaké kisebb

Ötvözetek A fématomok mérete alapján három típust különböztetünk meg: helyettesítéses, rácsközi és eutektikum Ötvözés során általában romlik a megmunkálhatóság és a vezetés, más tulajdonságok viszont jelentősen javulhatnak

Ötvözetek típusai Helyettesítéses ötvözet Rácsközi ötvözet Eutektikum Ha a két fématom mérete hasonló, az ötvöző fém atomjai véletlenszerűen helyettesítik az ötvözendő fém atomjait a rácsban Pl. Au-Ag ékszerarany Rácsközi ötvözet Ha az ötvöző elem atomjai kicsik, beleférnek az ötvözendő fém kristályrácsainak a hézagaiba Pl. Fe-C acél Eutektikum Ha a két fém a kihűlés során külön kristályosodik, az ötvözetben a két fém kristályainak a keveréke lesz jelen Pl. Sn-Pb forrasztóón

A fémek redukálósora I A réz-szulfát-oldatba mártott vastárgy vörös színű lesz, felületén kiválik a réz. A folyamat redoxireakció, a vas elektronokat ad át az oldatban lévő réz-ionoknak (redukálja azt), ennek hatására a réz a vas felszínén kiválik, a vas pedig ion formájában oldatba kerül (oxidálódik). Hasonló kísérletek alapján készült el a fémek redukálósora

A fémek redukálósora II A sor elején lévő nagy redukálóképességű fémek könnyen adnak le elektronokat (oxidálódnak). A sor végén lévő kis redukálóképességű fémek nehezen adnak le elektront, viszont könnyen felveszik azokat (redukálódnak) A redukálósorban minden fém képes elemi fémmé redukálni a tőle JOBBRA lévő, azaz kisebb redukálóképességű fém KATIONJÁT A redukálósorban megtaláljuk a hidrogént is. A tőle jobbra lévő fémek híg savakból hidrogént fejlesztenek, miközben feloldódnak.

Alkálifémek Lítium, Nátrium, Kálium, Rubídium, Cézium, Francium A nátriumot és a káliumot petróleum alatt tároljuk, mert a levegő oxigénjével reakcióba lépnek Színük a friss vágási felületen szürke, csillogó, egyébként oxidréteg borítja őket Késsel vágható, puha könnyűfémek A vízzel heves reakcióba lépnek, ld. TK 82.o. Lángfestésük: a nátrium a lángot sárgára, a kálium fakóibolyára színezi

Alkáliföldfémek Berillium, Magnézium, Kalcium, Stroncium, Bárium, Rádium A levegő oxigénje hosszú idő alatt eloxidálja őket, ezért jól záró üvegben tároljuk, a magnézium felületén tömör védő oxidréteg alakul ki A kalcium a vízzel reakcióba lép, hidrogén fejlődik, a magnézium csak meleg vízzel lép reakcióba A kalcium lángfestése téglavörös, a magnézium nem festi a lángot

Alkálifémek és alkáliföldfémek vegyületei NaCl Na2CO3 NaHCO3 NaOH CaCO3 MgCO3 Köznapi név Konyhasó Szóda Szódabikarbóna lúgkő mészkő dolomit Vízoldhatóság jó Nem oldódik Reakció sósavval Nem reagál Reagál, gáz fejlődik reagál Vizes oldatának kémhatása Semleges lúgos Enyhén lúgos -

Vízkeménység I A természetes vizek különböző oldott anyagokat tartalmaznak Az oldott szén-dioxidot tartalmazó esővíz reakcióba lép a mészkővel (kalcium-karbonát), és vízben oldható vegyületté alakítja a következő egyenlet szerint: CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2 Az oldható kálcium- és magnéziumvegyületeket tartalmazó vizet kemény víznek nevezzük Az ilyen víz forralása során az edény falán vízkő marad vissza: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2

Vízkeménység II A vízkőképződés probléma, mert Rossz hővezető, így a fűtőszálra rárakódva rontja a melegítés hatékonyságát Eltömíti a csöveket A kazánok falára kirakódott réteg megrepedésekor a kazán falával érintkező forró víz gőzzé alakulva robbanást okozhat A kemény víz mosásra alkalmatlan, mert a szappan részecskéivel oldhatatlan csapadékot képez A vízkövet különböző savakkal, pl. ecettel, vagy sósavval távolíthatjuk el

Vízlágyítás A vízlágyítás során az oldott kalcium és magnéziumionokat távolítjuk el Módszerek Forralás – a kalcium- és a magnézium-hidrogénkarbonátot tudjuk vele eltávolítani. Ez a két vegyület okozza a víz változó keménységét Kémiai vízlágyítás – a víz állandó keménységét okozó többi kalcium- és magnéziumvegyület csak kémiai módszerekkel távolítható el. Olyan vízlágyító szereket pl. szódát, vagy trisót használnak, amelyek az oldott kalcium-vegyületeket oldhatatlan kalcium-vegyületekké alakítja. Ezeket aztán szűréssel eltávolíthatjuk Ioncserélő műgyanták – a kalcium- és magnézium-ionokat nátriumra cserélik Vízdesztillálás

Alumínium és vegyületei Ezüstszürke, alacsony olvadáspontú könnyűfém Könnyen megmunkálható, a hőt és az elektromos áramot jól vezeti Felületét vékony, tömör oxidréteg borítja, ami megvédi a korróziótól – ha ez megsérül, reakcióba lép a meleg vízzel, ezért az alumíniumedényeknél erre figyelni kell Sósavval és nátrium-hidroxid-oldattal is reakcióba lép, amfoter elem Természetben csak vegyületeiben, pl. korund (Al2O3) vagy drágakövek (zafír, smaragd, rubin), amik a korund szennyezett változatai Érce a bauxit, előállítása ebből lúgos mosással, majd elektrolízissel történik Felhasználása: fóliák, vezetékek, építészet, közlekedés, ötvözőanyag

Vas és vegyületei I Ezüstszürke, magas olvadáspontú rugalmatlan nehézfém Megmunkálhatósága függ a kristályszerkezettől, szobahőmérsékleten nehezen megmunkálható, vörösizzásra hevítve könnyen formázható Nincs tömör védő oxidrétege, így korrodálódik - rozsdásodás

Vas és vegyületei II A vas sósavban oldódik, de tömény kénsavban nem – ilyenkor kialakul a tömör védő oxidréteg, ezért lehet a tömény kénsavat vastartályban tárolni Kétféle ionja van: Fe2+ és Fe3+, a Fe2+ a levegő oxigénjének hatására át tud alakulni Fe3+-má Elemi állapotban a meteoritokban, illetve a Föld magjában található, vegyületeiben gyakori Előállítása a vasércek szenes redukciójával történik (ld. Film)

Réz, ezüst, arany, cink, higany Szín Vörös Ezüstszürke Sárga Kékesszürke Sűrűség Nehézfém Reakció levegőn Patinásodik A levegő kéntartalmával reagál, megfeketedik Nem változik Nem változik, mert tömör oxidréteg védi Reakció sósavval Nem reagál Reagál Reakció tömény salétromsavval Reagál (az arany nem, ezért a tömény salétromsavat választóvíznek nevezik) Nem reagál (csak királyvízben oldódik) Előfordulás CuO, CuSO4x5H2O Ag2S Elemi állapotban ZnS HgS Előállítás Rézércekből redukcióval Redukcióval Nem kell Felhasználás Elektromos vezetékek, vízvezetékek Fényképezés, dísztárgyak Ékszerek, érmék Ötvözőelem, szárazelem, korrózióvédelem Hőmérők, higanylámpák, fogtömés

Réz-szulfát Kék színű, kristályos vegyület CuSO4x5H2O – kristályvíz, a réz-szulfát rácsába épül be Hevítés hatására elveszíti kristályvizét, kifehéredik Felhasználás: mésztejjel keverve permetezésre (bordói lé) Kicsapja a sejtek fehérjéit, ezért mérgező

Szorgalmi ötletek Fényképezés (nem digitális!!!) Alkálifémek és alkáliföldfémek vegyületei Építőanyagaink Ötvözetek Ásványok, drágakövek, féldrágakövek Porcelánkészítés A fémek szervezetre gyakorolt hatása Fémek története