A FÉMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE

Az előadások a következő témára: "A FÉMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE"— Előadás másolata:

1 A FÉMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE
Elemek esetén (ΔEN=0) a lehetséges két kötéstípus (kovalens és fémes) az elektronegativitástól függően három különböző kristályszerkezetben valósulhat meg: molekula, atom és fémrács

2 A FÉMES RÁCS TÍPUSAI LAPON CENTRÁLT KÖBÖS N=12
Ca, Sr, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au TÉRBEN CENTRÁLT KÖBÖS N=14 [8 + 6(15%-al távolabb)] Li, Na, K, Cr, Mo, W HEXAGONÁLIS N=12 (legszorosabb illeszkedés) Mg, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, sok Ln

3 A FÉMEK SÁVELMÉLETE A sávelmélet az MO módszert alkalmazza nagyszámú atom kölcsönhatásával kialakuló halmaz kötésviszonyaira Li A vegyérték elektronhéj nagyszámú atompályájának átfedésével az Azonos kvantumszámú energia- szintekből nagyszámú közel eső energiaszint (sáv) alakul ki, melyen belül az elektron bármely energia- szinten elhelyezkedhet. Ezen sávokon belül az elektronok viszonylag szabadon mozoghatnak.

4 VEZETŐK, SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK A vezetés feltétele, hogy legyen ‘közelben levő’ szabad (be nem töltött) energiaszint, amit az elektronok elfoglalhatnak és így viszonylag szabadon elmozdulhatnak E Fémes vezetők: az energiaszintek átlapolnak, az üres energiaszintbe való átkerülés nem igényel energiát. Szigetelők: a tiltott energiasáv széles, a hőmozgás energiája nem elég ahhoz, hogy az elektron az üres sávba kerüljön. Félvezetők: a hőmozgás energiája elegendő a keskeny tiltott sáv leküzdésére. Szennyezéses félvezetők: A szennyezés valamely energia- szintje a tiltott sávban helyezke- dik el (n és p típusúak) Szennyezési sáv

5 SZUPRAVEZETŐK Perovszkit típusú szupravezetők
A vezetés mechanizmusa: Elektronpárok (Cooper elektronok) mozognak együtt (alacsony hőm.) Pozitív lyukakon keresztüli vezetés (kuprát típusú szupravezetők) Tökéletes vezetők, ellenállásuk nulla Tökéletesen diamágnesesek (a külső mágneses teret kizárják magukból, Meissner hatás) Alacsony – magas hőmérsékletű szupravezetők Elemek Tc/K Kerámiák Zn 0.88 Nb3Ge 23.2 Cd 0.56 Nb3Sn 18.0 Hg 4.15 LiTiO4 13.0 Pb 7.19 K0.3Ba0.6BiO3 29.8 Nb 9.50 YBa2Cu3O7 95 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 122

6 A FÉMEK FIZIKAI TULAJDONSÁGAI
Jó hő és elektromos vezetőképesség Fémes fény (kis fényáteresztő képesség, nagy fény visszaverő képesség), finom eloszlásban fekete porok (a beeső fényt elnyelik) Jó megmunkálhatóság (nyújthatók, hajlíthatók, rugalmasak): a fém-fém kötés közepes energiájú és nincs kitüntetett iránya Rossz fizikai oldhatóság, jó egymásban való oldhatóság (ötvözetek): helyettesítéses, intersticiális, vegyület Sűrűség: csoportban lefelé nő (Li 0,53 g/ml, Os 22,6 g/ml), könnyűfémek < 5 g/ml < nehézfémek Olvadáspont, forráspont: többségüké magas (> 1000 °C) cseppfolyós fémek: Hg, Cs, Ga olvadáspont tartomány: Hg: -38°C, W: 3410 °C

7 A FÉMEK KÉMIAI TULAJDONSÁGAI
Pozitív oxidációs állapot kialakítására való hajlam (ionos vagy kovalens vegyületek egyaránt) Oxidjaik: alacsony oxidációs állapotúak bázikusak, a magasak savasak, a közbensőek amfoterek Reakcióképességük széles határok között változik (alkáli fémektől a platina fémekig) mivel szembeni reakcióképesség: hard-szoft sajátság szemcseméret, védőréteg (Al, Fe)

8 FÉMEK ELŐFORDULÁSA Elemi állapotban: az oxigénnel szemben kis reakció-képességű szoft nemesfémek: Au, Ag, Pt (+4) oxidációs állapotú rosszul oldódó sóik (karbonátok, foszfátok, szulfátok) vagy oxidok/hidroxidok (HARD), illetve szulfidok, arzidok (SZOFT) formájában Az üledékes kőzetek a fő nyersanyagforrások. A magmás kőzetek fizikai, mechanikai és kémiai mállásának eredményei kémiai mállás (e/r értéktől függően): <4: oldatba megy és oldatban marad (Na, Mg, Ca) <12: oxoanionként (szulfát, foszfát, kromát, molibdát, stb.) rosszul oldódó vegyületeket képeznek közbülsők: redukáló közegben oldatba mennek, oxidálóban kiválnak (pl. Fe, Mn)

9 FÉMEK ELŐFORDULÁSA Ércek: a fémek gazdaságos kinyerésére alkalmas ásványok, kőzetek A fém neve Gazdaságossághoz szükséges min. fémtartalom A használatos ércek átlagos fémtartalma Alumímium 16% 30-35% Antimon 40% 50-60% Arany 0,0002% 0,001% Cink 3% 10-30% Higany 0,5% 1-3% Mangán 35% 45-55% Molibdén 0,25% 0,1-1,8% Nikkel 1% 2,3% Ólom 4% 6-10% Platina 0,0004% Réz 0,8% 1,5-5% Titán 1,8% 2,4-5% Vanádium 1,7-4,5% Vas 30% 40-60%

10 FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA KÉMIAI REDUKCIÓ MO + M’ → M’O + M
a ΔΔG=ΔGf(M’O) –ΔGf(MO) negatív kell, hogy legyen. Ca, Mg, Al, Na jó redukálószer (termit reakciók) Pl: V, U, Ti, Zr, Hf, Be, Nb, Ta Na: Ti, Ta, A C magas hőmérsékleten jó redukáló- szer (CO redukál), de nagy energiaigény És karbidképződés: Fe és ötvözői, Co, Ni, Nb, Zn, A H2 nem különösebben jó redukálószer (a Fe fölött fut)

11 FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA Elektrolitikus redukció
olvadékból: alkáli és alkáli földfémek kloridjai, Al oxidja oldatból: Cu (réz raffinálás), Co, Ni, Cr, Mn, Ga, Cd, Cementálás nemesebb fémek kiválasztása kevésbé nemes fémekkel (fémhulladékok feldolgozása): In, Tl, Ge, Re, Pt-fémek 2In Fe = 2In Fe2+ Ciánlúgozás (arany- és ezüstércek feldolgozása) érc + 0,1% NaCN oldat + levegő 4Au + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na[Au(CN)2] + NaOH majd Zn-por hozzáadása az oldathoz 4Na[Au(CN)2] + 2Zn = 2Na2[Zn(CN)4] + 4Au

12 FÉMEK ELŐÁLLÍTÁSA TERMIKUS BONTÁS
drága eljárások nagy tisztaságú fémek előállítására (jodidok, karbonilok, oxidok, azidok hőbontása) van Arkel-de Boer eljárás: a fémjodid (TiI4, ZrI4, HfI4, ThI4, BiI3) gőzeit vékony ízzó W szálra kondenzáltatják, ahol termikusan bomlik és a fém a szálra rakódik. Fém-karbonilok bontása (Ni(CO)4, W(CO)6, Mo(CO)6) 50°C 230°C Ni + 4CO —→ Ni(CO)4 —→ Ni + 4CO (Mond eljárás) 150°C, 20 bar 1 bar Fémhidridek bontása (Ti, V, Nb, Ta, Zr, ritkaföldfémek) Fémoxidok bontása 2HgO → 2Hg + O2 Ag2CO3 → Ag2O + CO2 → 2Ag + ½ O2

13 FÉMEK FELHASZNÁLÁSA Szerkezeti anyagok
megmunkálhatók, könnyűek, kemények, korrózióállóak ötvözetek készíthetők belőlük könnyűfém ötvözetek (Al, Ti, Mg), Fe ötvözetek, nem-Fe ötvözetek, Elektromos vezetők: Cu, Al, W, Kémiai reaktánsok: Na, Ca, Mg, Al, Zn, Katalizátorok: Pt, Pd, Ni, Fe, (és vegyületeik),