Kémiai alapismeretek 9. hét

Átírás

1 Kémiai alapismeretek 9. hét Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék Gyakoriság,, felhasználás november / /2013 I. félév, Horváth Attila c

2 ALKÁLI FÖLDFÉMEK : Ca, Mg vegyületei régóta ismertek (gipsz, mészkő, szappankő). Davy 1808 elemi Ca, Mg és Ba előállítás elektrolízissel. Vanquelin 1798: smaragd és a berill (Be 3 Al 2 Si 6 O 18 ) tartalmaz olyan oxidot, amely Al 2 O 3 -ra emlékeztet, de KOH feleslegben nem oldódik. Mengyelejev ismerte fel, hogy nem 3 hanem kétvegyértékűek Wöhler: fém Be előállítása Stock és Goldsmith: Kereskedelmi léptékű előállítás Crawford: stroncium felfedezése Hope: lángfestés alapján elkülöníti Ba (sárgászöld), Sr(élénkvörös), Ca-ot(narancsvörös). Curie házaspár 1898: Ra előállítása Gyakoriság,, felhasználás 2/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

3 Gyakoriság, Be: ritka elem, kőzetekben (berill, smaragd). Mg: gyakori elem (6.), dolomit (MgCa(CO 3 ) 2 ), magnezit (MgCO 3 ), epsomit (MgSO 4 7H 2 O), klorofill (Mg-porfin komplex). Ca: gyakori elem (5.), mészkő (CaCO 3 ), gipsz (CaSO 4 2H 2 O), folypát (CaF 2 ), apatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F). Sr: közepesen gyakori (15.), cölesztin (SrSO 4 ) és stroncianit (SrCO 3 ). Ba: közepesen gyakori (14.), barit (BaSO 4 ). Ra: nyomnyi mennyiségben az U kísérőeleme. Gyakoriság,, felhasználás 3/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

4 Vegyértékelektron konfiguráció: ns 2 Páros rendszámú elemek több stabil izotóp R atom (alk. földfém)<r atom (alk. fém) E rács (alk. földfém)>e rács (alk. fém) ρ kicsi könnyű, lágy fém op., fp. alacsony E i kicsi EN kicsi jó elektromos- és hővezetők Be kilóg (félfém): op, fp. magasabb, rideg, nehezen megmunkálható Ra radioaktív Ra Rn +4 2 He: t 1/2=1600 év Gyakoriság,, felhasználás 4/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

5 Tul. Be Mg Ca Sr Ba Ra Z Izotóp A r 9,01 24,31 40,08 87,62 137,3 226 E i /kjmol ,4 737,7 589,9 549,5 502,9 509, R atom /pm R ion /pm Op./ C Fp./ C ρ/gcm 3 1,85 1,74 1,55 2,63 3,59 5,5 Gyakoriság,, felhasználás 5/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

6 Lángfestés: Be: nincs Mg: nincs Ca: narancsvörös Sr: élénkvörös Ba: sárgászöld Ra: vörös Oldódás: Egymásban jól oldódnak cseppfolyós NH 3 -ban mély, kékesfekete színnel oldódik (Ca, Sr, Ba) Ca + NH 3 Ca e(NH 3 ) párologtatás Ca(NH 3 ) 6 Gyakoriság,, felhasználás 6/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

7 Gyakoriság, KÉMIAI TULAJDONSÁGOK, felhasználás Nagy reakciókészség, a csoportban fentről lefelé nő. oxidációs szám vegyületeikben: +2 Be reagál híg savakkal és lúgoldatokkal is. Ez utóbbi a többi alkáli földfémre nem igaz! Be + 2HCl BeCl 2 + H 2 Be + 2NaOH + 2H 2 O Na 2 [Be(OH) 4 ] + H 2 Legtöbb nemfémes elemmel reagálnak. 7/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

8 1 Hidridek: VEGYÜLETEK MeH2 összetételű vegyületek CaH2, SrH 2, BaH 2 ionos, fehér, kristályos vegyületek BeH 2 láncszerű polimer. (3 centrumos kötés 2 e -al) MgH 2 kovalens. CaH2 nagytisztaságú H 2 előállítása: CaH 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + 2H 2 2 Halogenidek: MeX2 összetételűek Rendszám növekedésével a vízben való oldhatóság nő, higroszkóposak. uk: Me + Cl2 MeCl 2 BeCl2 kovalens polimer, halogén-híddal kapcsolódnak egymáshoz. Halogén: e -pár donor Be: e -pár akceptor Gyakoriság,, felhasználás 8/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

9 3 Oxidok, peroxidok, szuperoxidok, hidroxidok: Oxidok (MeO összetétel), fehér, magas op.-ú porszerű valódi bázisanhidridek: MeO + H 2 O Me(OH) 2 CaO: égetett mész, Ca(OH) 2 : oltott mész kalcinálással: CaCO 3 CaO + CO 2 MgCO 3 MgO + CO 2 Hidroxidok (Me(OH)2 ), vízben való oldhatóság kisebb, mint az alkáli fémeké. Bázicitás felülről lefelé nő. Be(OH) 2 : amfoter (savként és bázisként is viselkedik) Be(OH) 2 + 2NaOH Na 2[Be(OH) 4] Mg(OH) 2 : gyenge bázis, Ca(OH) 2 : közepesen erős bázis, Sr(OH) 2, Ba(OH) 2 : erős bázis Peroxidok: MeO 2 összetétel Stabilitás felülről lefele nő. BeO 2 nincs, MgO 2 csak cseppfolyós NH 3 -ban állítható elő, CaO 2 közvetlen oxidációval nem állítható elő, SrO 2 nagy nyomáson előállítható, BaO 2 levegőben közvetlenül képződik. Reakció: CaO 2 + H 2SO 4 CaSO 4 + H 2O 2, Gyakoriság,, felhasználás 9/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

10 Szuperoxidok: Me(O 2 ) 2 : Ca, Sr, Ba esetén sárga színű szuperoxidok. Reakció: Ca(O 2) 2 + H 2SO 4 CaSO 4 + H 2O 2 + O 2 Ozonidok: Me(O 3 ) 2 : Ba és Ca esetén. 4 Szulfidok, Nitridek: Melegítés hatására N 2 -nel és S-nel: 3Ca+N 2 Ca 3 N 2 Ca3 N 2 +6H 2 O 3Ca(OH) 2 +NH 3 Ca + S CaS 5 Karbidok: Ca + 2C CaC2 CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 Gyakoriság,, felhasználás 10/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

11 6 Karbonátok: CaCO 3 +CO 2 +H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 cseppkőképződés barlangképződés Vízkeménység: Változó keménység (forralással megszüntethető): Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2 Állandó keménység: Ca, Mg-szulfátok, kloridok, nitrátok 1 nk jelent 1 dm 3 vízben 10 mg CaO-dal egyenértékű Ca és Mg sót. Kemény víz>15 nk. Vízlágyítás. Gyakoriság,, felhasználás 11/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

12 1 Vízzel hevesen reagálnak, H 2 fejlődik: Ca + 2 H 2 O Ca(OH) 2 +H 2 2 Savakkal reagálva H 2 -fejlődik: Mg + 2HCl MgCl 2 + H 2 3 Erős redukálószerek: CuO + Mg MgO + Cu H 2 O(g) + Mg H 2 + MgO CO 2 + 2Mg C + 2MgO Legfontosabb szerves kémiai alkalmazás: Grignard reagens (RMgX) RMgX + O 2 ROOMgX RMgX 2ROMgX sav 2ROH Gyakoriság,, felhasználás 12/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

13 MeCl 2 Olvadék elektrolízissel Sr, Ba estén oxidjaik redukálása Al-mal. MgO: állateleség, magnezittégla MgSO 4 7H 2 O: fertőtlenítőszer, gyógyszeripar CaO, Ca(OH) 2 : építőipar, vízkezelés, acélgyártás CaCO 3 : üveggyártás, cementgyártás, papíripar CaSO 4 2H 2 O: építőipar, orvoslás BaO 2 : papíripar, kontrasztanyag Ca 2+, Mg 2+ élettani jelentőség Gyakoriság,, felhasználás 13/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

14 elemei Davy 1808 szennyezett bór előállítása. Moissan 1892-ben állított elő 98%-os bórt B 2 O 3 Mg-os redukciójával. Deville 1854 tiszta Al előállítása (NaAlCl 4 olvadékelekrolízisével). Ma már kriolitban oldott Al 2 O 3 elektrolízisével állítják elő (Heroult-Hall eljárás) Ga létezését Mengyelejev 1871-ben megjósolta, 1875-ben Boisbaudran spektroszkópiás módszerrel mutatta ki. In: 1863 Reich és Richter (spektroszkópia) Tl: 1861 Crookes és Lamy (spektroszkópia) Gyakoriság,, felhasználás 14/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

15 Előfordulás Bór Viszonylag ritka Kizárólag borátásványokban (bórax) és boroszilikátokban fordul elő Alumínium Földkéreg leggyakoribb féme (3. leggyakoribb elem). Ásványai: kaolinit (Al2 (OH) 4 Si 2 O 5 ), kriolit, berill, korund (Al 2 O 3 ), bauxit (AlO x (OH) 3 2x. Gallium N, Li-hoz hasonló gyakoriságú, inkább szulfidos ásványokban fordul elő. Nagyon hehéz kinyerni (csak kísérő elem Zn vagy Ge). Germanitnak (Cu 3 (Fe,Ge)(S,As) 4 ) 0,1 1%-a, a bauxitnak 0,003 0,01%-a Ga. Indium, Tallium: ritkák, nincs gazdasági jelentőségük Gyakoriság,, felhasználás 15/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

16 elektronszerkezet: ns 2 np 1 páratlan rendszám 1-2 izotóp B kilóg Tul. B Al Ga In Tl Izotóp E i /kjmol 1 I II III R atom /pm R ion /pm 27 53, ,5 op./ C ,7 156,6 303,5 fp./ C ρ/gcm 3 2,35 2,70 5,90 7,31 11,85 EN 2,0 1,5 1,6 1,7 1,8 Gyakoriság,, felhasználás 16/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

17 1 Bór: Oxidációs száma vegyületeiben: +3 Közepes reakciókészség. Egyvegyértékkel alig képez vegyületet szemben a többi IIIa elemmel. többcentrumos kötés és e -pár akceptor képesség. Nemfémek mindegyikével és fémekkel is képez vegyületeket. Fémekkel alkotott vegyületek (Boridok) Több mint 200 ismert biner vegyület Me 5 B MeB 66. Jelentőségük: Gyakran magasabb op. mint a tiszta fémé, kemények, ellenállóak, magas hőmérsékletű reaktoredények, alkatrészek uk: Cr + 2B hő CrB 2 hő Sc 2O 3 2ScB 2 + 3BO BCl 3 + W hő,h 2 WB + Cl 2 + HCl Eu 2O 3 + 3B 4C hő 2EuB 6 + 3CO Gyakoriság,, felhasználás 17/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

18 H-nel alkotott vegyületek (boránok). Több mint 50 semleges borán (B nh m) és ennél is több boránanion (B nh x m ) ismert. Legegyszerűbb a monoborán (BH 3 ), de csak adduktumként fordul elő. (BH 3 NH 3 ) Diborán (B 2 H 6 ) stabilis. (3 centrumos kötés 2 e -nal) Kis bóratomszámúak gázok, a nagyobbak folyadékok v. szilárdak. Jó redukálószerek. B 2H 6 + 6CH 3OH 2B(OCH 3) 3 + 6H 2 Alkénekre addicionálható (szerves boránok előállítása): 3RCH = CH 2 + 1/2B 2H 6 B(CH 2CH 2R) 3 Tetrahidroborátok (Me(BH 4 ) x) előállítása (sokoldalú redukálószerek): 2B 2H 6 + 2Na NaBH 4 + NaB 3H 8 éter 2LiH + B 2H 6 2LiBH 4 Papíripari felhasználás (fehérítés): NaBH 4+8NaOH+9SO 2 4Na 2S 2O 4+NaBO 2+6H 2O Gyakoriság,, felhasználás 18/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

19 O-nel képzett vegyületek Természetben kivétel nélkül oxovegyület formájában található a bór. Legfontosabb vegyület B 2 O 3, amely 700 C-on állítható elő elemiből. fehér por nincs éles op., nehezen kristályosítható üveges szerkezet higroszkópos, vízben oldódik, valódi savanhidrid B 2O 3 + 3H 2O 2H 3BO 3 Mg-mal elemi bórrá redukálható H 3 BO 3, ortobórsav: fehér por, vízben alig oldódik, melegítés hatására vagy lúgban jobban. Hevítéskor vizet veszít: hő hő 2H 3BO 3 2HBO 2 B 2O 3 ortobórsav metabórsav savanhidrid ortobórsav savas kémhatású, mert OH akceptor: B(OH) 3 + H 2O B(OH) 4 + H + Gyakoriság,, felhasználás 19/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

20 Halogénekkel képzett vegyületek BX 3 összetételű, molekukáris szerkezetű színtelen anyagok BF 3 gáz, BCl 3 és BBr 3 folyadék, BI 3 szilárd. Normál körülmények között csak a fluorral reagál a bór. Hidrolizálnak: BF 3 + H 2O H 3BO 3 + 3HF Erős Lewis savak BF 3 + NH 3 F 3BNH 3 N-nel alkotott vegyületek B-N és C-C kötés izoelektronos, ezért számos esetben helyettesíthető. BN szintézise bonyolult: bórax NH 4 Cl-dal (labor) vagy karbamid és ortobórsav (ipar) történő összeolvasztásával történhet. BN szerkezete a grafithoz hasonló, csak nincsenek elcsúszva színtelen, jó szigetelő. B 3 N 3 H 6 (bórazin vagy borazol) szervetlen benzol Gyakoriság,, felhasználás 20/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

21 2 Alumínium Oxidációs szám vegyületekben: +3 Jóval reakcióképesebb mint a bór. Kimagasló O affinitás (redukálószerként használják termit-reakció). Fe 2 O 3 + 2Al 2Fe + Al 2 O 3 Felületét védő oxid réteg borítja (nem reagál vízzel, híg savakkal). Forró cc. HCl-ben, lúgban H2 fejlődés közben reagál. H-nel alkotott vegyülete: AlH 3 : alán, színtelen, nem illékony, termikusan 200 C-ig stabil. Erős redukálószer, vízzel és más protontartalmú reagenssel hevesen reagál. LiH-del komplexet képez LiH + AlH 3 Li[AlH 4] A komplex vízzel H 2 -t ad: Li[AlH 4] + 4H 2O 4H 2 + LiOH + Al(OH) 3 szerves szintézisekben is jelentős redukálószer Gyakoriság,, felhasználás 21/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

22 Halogénekkel alkotott vegyületei: AlX 3 összetételű Közönséges körülmények között hevesen keletkezik elemeiből. Átmenetet képez az ion- és molekulavegyületek között. AlF 3 inkább ionos AlCl 3 inkább molekularácsos, op.-ján dimereket képez. Bromidja és jodidja molekuláris dimerekből áll. (Al 2 Br 6 és Al 2 I 6 ) AlX 3 vízben savasan hidrolizálnak. Oxidok, hidroxidok Oxid: Al 2 O 3 összetételű, magas op., igen kemény amfoter jellegű: Al 2O 3 + 6HCl 2AlCl 3 + 3H 2O Al 2O 3 + 2NaOH 2Na[Al(OH) 4] Hidroxid: Al(OH) 3, fehér, vízben rosszul oldódik, viszont: Al(OH) 3 + NaOH Na[Al(OH 4)] 3 Gallium Al-hoz nagyon hasonló Ga és Ga2 O 3 is amfoter (savakban, lúgokban oldódik) Gyakoriság,, felhasználás 22/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

23 1 Bór: Redukálás Mg-mal B 2 O 3 + 3Mg 2B + 3MgO van Arkel eljárás BI 3 B + 3/2I 2 2 Al: a.) Bayer eljárás: Timföldgyártás: feltárás, termikus bontás Al(OH) 3 + NaOH Na[Al(OH) 4] Na[Al(OH) 4) hevítés Al(OH) 3 + NaOH hő 2Al(OH) 3 Al 2O 3 + 3H 2O Al 2 O 3 oldása kriolitban (op. csökk.), olvadékelektrolízis Katód: Al e Al Anód: 2O 2 O 2 +4e (grafit elektród) b.) AlCOA eljárás (környezetbarát) Al 2 O 3 +3C+3Cl 2 2AlCl 3 +3CO AlCl 3 olvadékelektrolízise: Katódfolyamat: Ua. Anódfolyamat: 2Cl Cl 2 +2e Cl 2 zárt rendszerben újrahasznosítják Gyakoriság,, felhasználás 23/ /2013 I. félév, Horváth Attila c

24 Bór: Kozmetikumok (baktériumölő hatás) üveggyártás Orvostudomány (daganatterápia, neutronbefogásos reakcióval 10 B) Al: ötvöző anyag aluminotermiás reakciók Portlandcementgyártás (víz alatti alagútépítések) Ga: LED gyártás (GaAs1 x P x ) Hőmérőkben higany helyett magas hőmérsékleten Gyakoriság,, felhasználás 24/ /2013 I. félév, Horváth Attila c