14. MO Kovy 3. – 7. skupiny, triáda železa
-
3. skupina (prvky vzácných zemin)
Skandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Aktinium (Ac)
Obecné vlastnosti
-
kovy (kovový charakter ve skupině roste)
-
nízké hodnoty ionizační energie – snadno ztrácejí elektrony a vytvářejí kationty Me3+
-
nízká elektronegativita
-
s rostoucím protonovým číslem se hodnota elektronegativity i ionizační energie dále snižují
-
vysoce reaktivní
-
vykazují velkou afinitu ke kyslíku, mohou vyredukovat kovy z jejich stálých oxidů, jako např. hliník z Al2O3
-
v elementární formě jsou měkké a neušlechtilé
Výskyt
-
V přírodě se vyskytují rozptýlené ve sloučeninách (křemičitanech, uhličitanech)
Reakce
-
s vodou a zředěnými kyselinami reagují za vývoje vodíku
-
na vzduchu hoří za vzniku zásaditých oxidů
Výroba
Vyrábějí se elektrolýzou roztavených chloridů
Využití
-
zlepšují fyzikálně – chemické vlastnosti slitin a ocelí
-
Skandium – slitiny s hliníkem – letectví (lehké)
-
Yttrium - luminofor do televizních obrazovek pro vyvolání červené barvy
-
Oxid lanthanitý (La2O3) - výroba skel do optických čoček a brýlí
-
Aktinium - radioaktivní prvek, slouží k výrobě čistého francia a jako zdroj neutronů v jaderné energetice
-
4. skupina
Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf)
-
mají čtyři valenční elektrony
-
ve sloučeninách upřednostňují oxidační číslo IV (nižší oxidační stupně jsou prokázány pouze u titanu)
-
neušlechtilé kovy a v přírodě se vyskytují pouze ve sloučeninách
-
jsou málo reaktivní, odolávají působení nekovů i kyselin (kromě HF)
-
roztavené kovy 4. skupiny mají schopnost rozpouštět jiné kovy a vytvářet slitiny.
-
s kyslíkem tvoří málo rozpustné oxidy odolné proti působení kyselin a zásad
Titan
Výskyt a vlastnosti
-
10. nejrozšířenější prvek v zemské kůře – rozptýlen, a proto je vzácný
-
V nerostech:
-
rutil TiO2
-
ilmenit FeTiO3
-
Nejstálejší oxidační číslo IV
-
V tom oxidačním čísle tvoří stabilní bezbarvé sloučeniny
-
v jiném oxidačním čísle jsou sloučeniny barevné a nestálé
-
Stříbrolesklý kov, připomíná svým vzhledem ocel
-
Kujný a tažný
-
Pevný a lehký, má velmi nízkou hustotou
-
Málo reaktivní
-
Za obyčejných teplot nereaguje prakticky s žádným prvkem
-
Za běžných podmínek odolává působení vzduchu, vody a kyselin
-
Nekoroduje
-
Podléhá pouze působení kyseliny fluorovodíkové
Využití
-
Kloubní náhrady a chirurgické nástroje
-
je lehký, kompaktní, zdravotně nezávadný, odolný
-
Konstrukce letadel, spalovacích motorů, turbín
-
Konstrukce lodí a ponorek (nekoroduje ve slané vodě)
-
Jízdní kola, golfové hole, šperky
Výroba
Redukcí oxidu titaničitého uhlíkem v proudu chloru:
2TiO2 + 3C + 4Cl2 → 2TiCl4 + CO2 + 2CO
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
Sloučeniny
-
Bílá práškovitá látka
-
Poměrně nereaktivní
-
Výroba titanové běloby – zdravotně nezávadný pigment – potravinářství (bělení mléčných výrobků)
-
Fotokatalytické vlastnosti (na světle působí jako katalyzátor – urychluje rozklad organických látek)
-
Pohlcuje UV záření – opalovací krémy
-
Velmi tvrdá šedočerná látka (9 na Mohsově stupnici tvrdosti), teplota tání 3 450°C
-
lehce tvarovatelná, po dodání energie se vrací do původního stavu
Zirkonium
-
Vzácný prvek
-
Vzhledem připomíná ocel
-
Leštitelný, pevný, tvárný, korozivzdorný
-
Reaktivní až za vyšších teplot
-
V nerostech:
-
Zirkon ZrSiO4
-
Baddeleyit ZrO2
-
Náhrada diamantu ve šperkařství (vyrábí se uměle)
-
Výroba jaderných reaktorů
-
V ocelářství ve formě ferrozirkonia
-
bílý prášek nerozpustný ve vodě, s vysokou teplotou tání
-
při 2700 °C přechází v tzv. zirkonové sklo, které je velmi odolné proti chemickým vlivům
-
používá na výrobu žáruvzdorných kelímků a do bílých smaltů v keramickém průmyslu
Hafnium
-
Doprovází zirkonium, obtížně se od něj odděluje (podobné fyzikální i chemické vlastnosti)
-
Zirkonium i hafnium jsou chemicky odolné - reagují pouze s HF a lučavkou královskou
-
Využití:
-
Kontrolní tyče v jaderných reaktorech – schopnost pohlcovat neutrony
-
žáruvzdorné slitiny (s wolframem, tantalem)
-
5. skupina
Vanad (V), Niob (Nb), Tantal (Ta)
-
Mají pět valenčních elektronů
-
Oxidační stupeň V - nejstálejší
-
Elektronová konfigurace niobu se od ostatních dvou prvků liší, ale na chemických vlastnostech se rozdílné uspořádání neprojevuje
-
Všechny tři prvky mají i přes odlišné uspořádání valenčních elektronů velmi podobné vlastnosti (zejména niob a tantal)
-
Těžké neušlechtilé kovy, které se na vzduchu pasivují
-
Za studena odolávají všem kyselinám s výjimkou HF
-
V přírodě se vyskytují jen ve sloučeninách.
-
V kyslíku hoří na kyselinotvorné oxidy
-
S kovy triády železa (Fe, Ni a Co) tvoří prvky této skupiny technicky důležité slitiny
Vanad
Vlastnosti
-
Značná rozmanitost oxidačních čísel (nejčastější je V)
-
Lesklý, šedobílý kov
-
Tvrdý, kujný
-
Chemicky odolný, vysoké teploty tání a varu
-
s nekovy reaguje až za zvýšených teplot, pokrývá se vrstvou oxidu – nekoroduje
-
s kyselinami reaguje také až za vyšších teplot
-
za běžných podmínek se rozpouští v HF a lučavce královské
-
nereaguje s hydroxidy
Výskyt
-
Rozptýlen ve sloučeninách, v ropě, uhlí a železných rudách
-
Patronit VS4
-
Karnotit K(UO2)VO4
-
Vanadinit Pb5Cl(VO4)3
Výroba
Při výrobě vanadu se nejdříve ze suroviny získá oxid vanadičný a z něj se vápníkem vyredukuje vanad.
Sloučeniny
-
Tvoří poměrně stálé sloučeniny
-
S kyslíkem tvoří řadu oxidů – VO, V2O3, VO2 a V2O5
-
Se stoupajícím oxidačním číslem v oxidu se mění jeho charakter od zásaditého oxidu vanadnatého po kyselý V2O5. Zbylé dva oxidy jsou amfoterní.
-
Nejstálejší oxid vanadu
-
Katalyzátor při výrobě kyseliny sírové
Využití
-
Hřídele, ozubená kola, turbíny
-
Chrom-vanadiová ocel, ferro-vanadiová ocel
-
Odolné vůči mořské vodě – výroba lodí
Niob
-
Směsný niobičnan – tantaličnan železa a manganu.
-
Niob a tantal jsou těžké, neušlechtilé, šedobílé lesklé kovy
-
Pasivují a odolávají roztokům kyselin
-
Reagují s taveninami alkalických hydroxidů, které jejich pasivní vrstvu rozpouštějí
-
Niob je středně tvrdý, kujný a tažný kov
-
Odolává i lučavce královské, rozpouští se jen v kyselině fluorovodíkové a koncentrované kyselině sírové
-
Důležitá přísada do nerezavějících, žáruvzdorných a kyselinovzdorných ocelí.
Tantal
-
Tvrdý a tažný kov
-
Fyzikálními vlastnostmi připomíná platinu
-
Rozpouští se jen v kyselině fluorovodíkové a v roztavených hydroxidech
-
Chirurgické nástroje, zubařské pomůcky, laboratorní nástroje
-
Kloubní náhrady, vlákna žárovek, elektronky, radary
-
TaO = oxid tantalu – optická skla do kamer – zvětšuje index lomu
-
6. skupina
Chrom (Cr), Molybden (Mo), Wolfram (W)
-
Mají šest valenčních elektronů, ale jejich elektronová konfigurace je různá
-
Největší podobnost mezi molybdenem a wolframem
-
Stálost oxidačních stupňů chromu a ostatních dvou prvků je odlišná
-
chrom III (ve vyšších oxidačních číslech má oxidační účinky)
-
molybden a wolfram VI
-
Všechny tři kovy jsou neušlechtilé
-
Reaktivita závislá na teplotě.
-
Za obyčejné teploty jsou tyto kovy stálé
-
Za vysokých teplot reagují se všemi nekovy
-
S kyslíkem vytvářejí kovy 6. skupiny řadu oxidů, jejichž acidobazické vlastnosti závisí na oxidačním čísle
-
S růstem oxidačního čísla roste kyselý charakter oxidů.
-
Nepárové elektrony v jednotlivých oxidačních stupních způsobují výrazná zbarvení sloučenin
-
Molybden a wolfram mají extrémně vysoké teploty tání a nelze je zpracovávat běžnými hutnickými postupy
-
Zpracovávají se tzv. práškovou metalurgií
-
Práškovitý materiál se slisuje na požadovaný tvar výrobku a zahřívá se za vysokého tlaku na teplotu cca 2500 °C. Zrnka kovu se povrchově nataví, vysokým tlakem slinou a po ochlazení vytvoří jednolitý pevný materiál.
Chrom
-
Velké množství oxidačních čísel, nejstálejší III
-
Sloučeniny s oxidačním číslem II – silná redukční činidla
-
Sloučeniny s oxidačním číslem IV – silná oxidační činidla
-
Nejtvrdší elementární kov
-
Reaguje s minerálními kyselinami, reakce s oxidujícími kyselinami probíhá pouze na povrchu = pasivace
-
Stříbrolesklý, velmi tvrdý kov
-
Jeho odolnosti vůči vlivu atmosféry se využívá k vytváření ochranných nátěrů - zejména na železných předmětech
-
Přidává se do oceli – zvyšuje její odolnost proti korozi, tepelnou odolnost, tvrdost a pevnost
Výskyt
-
Chromit (oxid železnato-chromitý) FeCr2O4
-
Krokoit (chroman olovnatý) – ve stopovém množství se nachází v rubínu a způsobuje jeho červenou barvu
Výroba
-
Redukcí chromitu uhlíkem
FeCr2O4 + 4C → Fe + 2Cr + 4CO – vznikne ferrochrom (železo a chrom se oddělují elektrolýzou)
-
Aluminotermií
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr
Sloučeniny chromu
-
Nejstálejší oxid chromu
-
Zelený, ve vodě nerozpustný prášek.
-
Pigment (chromová zeleň), barvící přísada do skloviny a keramických glazur
-
Je také součástí některých žáruvzdorných keramických materiálů
-
Tvoří tmavě červené krystaly, sloučeniny chromu s oxidačním číslem VI jsou jedovaté a karcinogenní
-
Má extrémně silné oxidační vlastnosti
-
Jeho rozpouštěním ve vodě vznikají kyseliny chromové
-
Je silnou kyselinou, praktický význam mají její soli – chromany
-
Žluté, mají oxidační vlastnosti a jsou stálé jen v zásaditém prostředí
-
Jako pigmenty slouží např. PbCrO4 (chromová žluť)
-
Okyselením přecházejí chromany ve stabilnější dichromany podle rovnice
2 CrO42− + 2 H3O+ → Cr2O72− + 3H2O
-
Dichromany mají oranžovou barvu a silné oxidační vlastnosti
-
Dichroman draselný K2Cr2O7 – oxidační činidlo, analytická chemie
Molybden
Výskyt
-
minerál molybdenit MoS2
-
vulfenit PbMoO4
Vlastnosti
-
Stříbrobílý kov, velmi těžko tavitelný
-
Za běžných teplot značně odolný vůči kyselinám i atmosférickým vlivům
-
Elektricky vodivý
Výroba
-
Vyrábí se redukcí oxidu molybdenového vodíkem nebo hliníkem
-
Vzniklý práškový materiál se zpracovává práškovou metalurgií
Využití
-
Ocelářství - molybdenové oceli jsou pevné a odolné proti vysokým teplotám
-
Ve zbrojařském průmyslu (pancíře)
-
V chemickém průmyslu na výrobu zařízení, která mají odolávat působení kyseliny chlorovodíkové
Sloučeniny
-
je nejstálejším oxidem molybdenu
-
je podobně jako CrO3 kyselinotvorný, ale je ve vodě nerozpustný a nemá oxidační vlastnosti.
-
Sulfid molybdeničitý MoS2
-
má stejnou strukturu jako grafit - mazací schopnosti (mazací oleje)
Wolfram
Výskyt
-
Wolfram se v přírodě nachází společně s molybdenem a cínem
-
wolframit (MnFe)WO4
-
scheelit CaWO4
-
stolzit PbWO4
Výroba
-
Wolframové rudy se převedou na oxid wolframový a ten se redukuje vodíkem. Práškový materiál se zpracovává práškovou metodou.
Vlastnosti
-
Lesklý bílý kov s extrémně vysokou teplotou tání (3380 °C) - nejobtížněji tavitelný kov
-
Na vzduchu je stálý, v žáru hoří na WO3
-
V kyselinách se nerozpouští, reaguje jen se směsí kyseliny dusičné a fluorovodíkové
Využití
-
vlákna do žárovek, termočlánky, používá se k výrobě elektronek, odporových drátů, elektrod do zapalovacích svíček výbušných motorů
-
zlepšování vlastností oceli
Sloučeniny
-
Žlutý prášek, nerozpustný ve vodě
-
Prvky 7. skupiny
Mangan (Mn), Technecium (Tc), Rhenium (Re)
-
Mají sedm valenčních elektronů
-
Uspořádání valenční sféry je u jednotlivých kovů různé
-
Počet valenčních elektronů umožňuje prvkům vystupovat v mnoha oxidačních číslech
-
Technecium i rhenium nebyly v době vzniku PSP známy, byly ale D. I. Mendělejevem předpovězeny
-
Svými vlastnostmi se odlišuje mangan
-
S kyslíkem tvoří všechny tři kovy řadu oxidů
-
Oxidy v nejnižších oxidačních stupních jsou zásadotvorné, s růstem oxidačního čísla roste jejich kyselý charakter
-
Vlivem přítomnosti nepárových elektronů ve valenční sféře jsou jejich sloučeniny obvykle barevné
-
Tvoří řadu koordinačních sloučenin
Mangan
Vlastnosti
-
Mimořádně křehký, neušlechtilý kov
-
Světle šedý
-
Vyskytuje se ve třech modifikacích:
-
α, β – modifikace - vznikají při aluminotermické výrobě, jsou tvrdé a tak křehké, že je lze rozdrtit na prášek.
-
γ – modifikace - poměrně měkká a kujná, vzniká při elektrolytické výrobě
-
rozpouští v roztocích kyselin i hydroxidů za vývoje vodíku
-
v práškové formě reaguje i s vodou
-
podléhá korozi
-
Nejstabilnější v oxidačním stavu II (všechny jeho sloučeniny odvozené od vyšších oxidačních stavů - silná oxidační činidla)
Výskyt
-
Mangan je v přírodě hojně rozšířen, většinou doprovází rudy železa
-
pyrolusit (burel) MnO2 – barvení skla již ve starém Egyptě
-
braunit Mn2O3
-
manganit MnO(OH)
Výroba
-
Mangan se vyrábí aluminotermicky ze svých oxidů nebo elektrolyticky z vodných roztoků svých solí
4Mn3O4 + 6Al → 12Mn + 3Al2O3
Využití a význam
-
Mikrobiogenní prvek – vliv na metabolismus cholesterolu – riziko vzniku krevních sraženin (ořechy, obilniny, olivy, špenát)
-
Zlepšování vlastností oceli - velmi tvrdé a odolné proti opotřebení (kolejnice)
Sloučeniny
-
Oxid manganičitý MnO2 (burel)
-
černý krystalický prášek
-
nerozpustný ve vodě
-
v kyselém prostředí je silným oxidačním činidlem
-
Manganistan draselný KMnO4 (hypermangan)
-
fialově červená krystalická látka
-
je silným oxidačním činidlem
-
roztoky – dezinfekce a v analytické chemii k titracím v odměrné analýze
(manganometrie)
Technecium
-
Velmi lehký prvek
-
Radioaktivní, ve stopovém množství je produktem rozpadu 235U
-
Získává se při zpracování vyhořelého jaderného paliva
-
Sledování kostní tkáně v medicíně
Rhenium
-
Rhenium je velmi vzácný, lesklý, bílý kov
-
Rozpouští se jen v HNO3, ostatním kyselinám včetně HF odolává
-
Elektrotechnika - stykače, žhavící vlákna
-
Slitina rhenia s platinou slouží k výrobě termočlánků
Triáda železa
Fe, Co, Ni
-
S nekovy reagují až za zvýšených teplot
-
Železo a nikl reagují s neoxidujícími kyselinami za vývoje vodíku (kobalt s nimi reaguje velmi neochotně)
-
Při reakci s kyselinou dusičnou se pasivují
-
Kobalt a nikl jsou odolné vůči korozi
-
Kobalt a nikl jsou nejstabilnější v oxidačním čísle II
-
Železo v oxidačním čísle III
Železo
Vlastnosti a výskyt
-
Železo je čtvrtým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře (kyslík, křemík, hliník)
-
Tvoří zemské jádro
-
Výjimečně se nachází ryzí i v přírodě, většinou je však vázáno ve sloučeninách – rudách
-
magnetit (magnetovec) Fe3O4
-
hematit (krevel) Fe2O3
-
siderit (ocelek) FeCO3
-
pyrit FeS2
Příprava
-
redukcí oxidů železa vodíkem
-
elektrolýzou vodných roztoků železnatých solí
Vlastnosti
-
Čisté železo je světle šedý, stříbrolesklý neušlechtilý kov
-
Poměrně měkké
-
Kujné a tvárné
-
Značně reaktivní
-
snadná oxidace vlhkým vzduchem na hydratované oxidy = rzi
4 Fe + 2 H2O + 3 O2 → 2 Fe2O3 . H2O
-
Vrstva rzi neposkytuje ochranu před další korozí
-
Železné předměty a konstrukce se chrání nátěry kovů, které korozi nepodléhají (Zn, Sn, Ni, Cr)
-
S kyslíkem tvoří železo tři oxidy
-
oxid železnatý FeO
-
oxid železitý Fe2O
-
podvojný oxid železnato – železitý Fe3O4 (FeO . Fe2O3)
-
V neoxidujících kyselinách se železo rozpouští na železnaté soli za uvolnění vodíku
-
V oxidujících kyselinách vznikají soli železité, ale vodík se neuvolňuje
-
Se zředěnými roztoky hydroxidů železo nereaguje
Využití a význam
-
Mikrobiogenní prvek – centrální atom hemoglobinu a mnoha enzymů
-
technická železa – ocel a litina i slitiny železa s dalšími prvky
Sloučeniny
-
černý prášek, stálý jen za vyšších teplot bez přístupu vzduchu
-
FeSO4 .7H2O, tzv. zelená skalice
-
dobře rozpustný ve vodě
-
se sírany alkalických kovů a síranem amonným vytváří podvojné sírany (kamence)
Průmyslová výroba železa
-
Ve vysoké peci (vysoké až 25 m)
-
Železná ruda, palivo (nejčastěji koks) a struskotvorné přísady (vápenec, dolomit)
-
Koks - redukční činidlo
-
Vysoká pec je shora plněna vsázkou, tj. upravenou rudou, koksem a vápencem
-
Do spodní části se přivádí předehřátý vzduch, často obohacený kyslíkem.
Ten reaguje s koksem na oxid uhličitý - reakce je exotermní a zvyšuje teplotu ve spodní části pece až na 2000 °C.
-
CO2 stoupá vzhůru a reaguje s koksem
C + CO2 → 2 CO
-
Ve střední části vysoké pece, při teplotách 500 – 800 °C probíhá postupná nepřímá redukce oxidů železa oxidem uhelnatým až na železo:
3 Fe2O3 + CO →2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Ve spodní části pece při nejvyšších teplotách probíhá i přímá redukce FeO + C → Fe + CO
-
Současně se rozkládá vápenec na CO2 a CaO - naváže křemičitany obsažené v rudě => struska klesá s vyredukovaným železem do spodní části pece - vytváří na něm ochrannou vrstvu proti oxidaci přiváděným kyslíkem
-
Struska je vedlejší produkt - výroba žáruvzdorných vláken, cementu, při konstrukci vozovek
-
Vyrobené železo obsahuje asi 4% uhlíku a řadu nežádoucích prvků => dále se zpracovává
Výroba oceli = zkujňování
-
Odstranění nebo snížení obsahu nežádoucích prvků v surovém železe
-
Oxidační reakce, při nichž jsou za vysokých teplot nežádoucí prvky spalovány a vzniklé oxidy vázány struskou nebo odváděny pryč
-
Ocel má oproti litině řadu výhodnějších vlastností – je kujná, tvrdá a pružná
-
Pro zlepšení vlastností oceli se do taveniny přidávají jiné kovy (Cr, Ni, W)
-
Nosné konstrukce, ocelová lana
Litina
-
Slitina železa a uhlíku (obsahu uhlíku > 2,14%)
-
Odolné vůči tlaku a teplotě, křehké
-
Radiátory
Kobalt
Vlastnosti a výskyt
-
Kobalt je v přírodě poměrně rozšířen, ale je rozptýlený
-
kobaltin CoAsS
-
často doprovází nikl, měď a železo v jejich sulfidických rudách
-
Bílý, lesklý, kujný, tažný kov, tvrdý
-
Rozpouští se v kyselinách neochotně; v oxidujících kyselinách se pasivuje
-
S nekovy reaguje jen při vyšších teplotách
-
Komplexní sloučeniny
Využití
-
Výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti oceli a její odolnost proti korozi
-
Slouží k výrobě závaží, magnetů, chemických přístrojů a ostří nástrojů.
-
Endoprotézy
-
Porcelán
-
Barvení skla - kobaltová modř
-
Ve zdravotnictví se izotop kobaltu 60Co užívá na ozařování zhoubných nádorů
-
Kobalt je také obsažen ve vitamínu B12
Nikl
Výskyt
-
Nikl se v přírodě vyskytuje převážně v rudách
-
Doprovází železo v zemském jádře.
Vlastnosti
-
Nikl je bílý, lesklý kov
-
Má velmi dobrou elektrickou i tepelnou vodivost
-
Tvrdý, kujný a tažný
-
Nikl se rozpouští v běžných kyselinách za vzniku nikelnatých solí, v kyselině dusičné se pasivuje
Využití
-
Pokovování
-
Jemný práškový nikl – Raneyův kov - má katalytické vlastnosti, zejména pro hydrogenaci tuků
-
Součást ocelí slitin => chirurgické nástroje, jaderné reaktory, zbrojní průmysl
-
Mincovnictví, příbory (alpaka)
-
Monelův kov ( 68 % Ni, 28 % Cu, 2,5 % Fe, 1,5 % Mn) – nádoby určené pro práci s HF
Dostları ilə paylaş: |