SZERVETLEN KÉMIA. Alkálifémek

Átírás

1

2 Alkálifémek Általános jellemzés: Külső elektronhéjuk szerkezete: ns 1. A külső elektronhéjukon csak 1 db s elektron található, így ennek leadásával érik el a stabil, zárt elektronszerkezetet (nemesgázszerkezet), egyszeres pozitív töltésű kationt hozva létre. Alacsony elektronegativitás: általában +1 -es töltéssel fordulnak elő vegyületekben. Külső elektron könnyen gerjeszthető: spektroszkópia a látható tartományban. Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak, térközepes kockarácsot alkotnak. Sűrűségük, keménységük kicsi. Puhák, könnyen alakíthatóak, késsel vághatók Rendkívül reaktívak, erős redukálószerek (könnyen leadott elektron, pl. a víz hidrogénjét is redukálják), levegőn oxidálódnak. Oxigénnel, vízzel azonnal reagálnak, védőfolyadék (pl. petróleum) alatt tartják. Fémes szerkezetűek, jó elektromos és hővezetők. Folyékony ammóniában jól oldódnak, azonos kék színnel.

3 Alkálifémek Általános jellemzés: Páratlan rendszámúak, így kevés természetes izotópjuk van. Jellegzetes tulajdonságuk a lángfestés (pirotechnika) Lítium: bíborvörös Nátrium: sárga Kálium: fakó ibolya Rubídium: fakó vörös Cézium: halványkék Felhasználás: Erős redukálószerként Pirotechnikában, tűzijátékoknál

4 Lítium sűrűség:0,534g/cm 3 (szobahőmérsékleten legkönnyebb szilárd anyag) Li/Li 2+ rendszer elektródpotenciálja magas Előfordulás: földkéregben kb. 18 ppm elemi formában nem fordul elő vegyületeiben: LiAl(SiO 3 ) 2 (spodumen) Előállítás: Spodumen forró kénsavas oldás Li 2 SO 4 nátrium-karbonátos kezelés Li 2 CO 3 sósavas oldás LiCl olvadékelektrolízis

5 Lítium Felhasználás: Lítium-sztearát: kenőzsírok, Lítium karbonát: üvegek edzése, mániás-depressziós pszichózis kezelése, Alumíniugyártáshoz olvadék olvadáspontjának csökkentésére, Alumínium ötvözőjeként szerkezeti anyagokhoz, LiOH: kis tömegű szén-dioxid abszorber ( űrhajózás, tengeralattjárók) LiAlH 4, Li/NH 3, LiR : szerves kémiai reagensek elemek, akkumulátorok

6 Nátrium Előfordulás: Földkéregben kb. 2,7 %. Elemi formában nem fordul elő. természetben fő előfordulási formája: NaCl (kősó), Na 2 CO 3, NaNO 3 (salétrom) Előállítás: NaCl olvadék elektrolízisével

7 Nátrium Felhasználás fémként redukálószerként (Ti, Zr előállítása redukcióval) nátriumlámpákban szerves reagensek redukciója és szárítása Közvilágitási nátrium-lámpa Felhasználás vegyületeiben (a szervetlen vegyipar legnagyobb tömegben használt alapanyagai) NaCl: táplálkozás, útsózás, hűtőfolyadék, alapanyag (detergensgyártás, szódagyártás, klór, NaOH, Na,...) Na 2 CO 3 (szóda): üveggyártás, tűzoltókészülékek, lúgosítás (NaOH helyett) NaOH: bárhol ahol savak semlegesítésére vagy lúgos közegre van szükség Na 2 SO 4 : papírgyártás Na 2 O 2 : légzőkészülékekben (Na 2 O 2 +CO 2 = Na 2 CO 3 + 1/2O 2 )

8 Nátrium vegyülete: NaCl Nátrium-klorid (NaCl) Színtelen kristály Előfordulás: tengervízben (2,7%), kősótelepeken, állati szervezetben (emberi vérben 0,85%) Előállítás: sóbányákból Felhasználás: fémnátrium, nátriumvegyületek, klór, klórvegyületek előállítására Olvadékelektrolízis: 2NaCl = 2Na + Cl 2 (T<700 o C) Oldatelektrolízis: 2NaCl + 2H 2 O = 2NaOH + Cl 2 + H 2 Parajdi sóbánya

9 Nátrium NaCl olvadék elektrolízise NaCl Na Na Cl 2 Olvadt NaCl és CaCl 2 Vaslemez + + Vas-katód Grafit anód 2Cl - (l) Cl 2 (g) + 2e -

10 Nátrium vegyülete: NaOH Nátrium-hidroxid (NaOH) Fehér kristály (vizes oldata színtelen), nagyon erős bázis. Kristályos állapotban rendkívül higroszkópos, levegőből H 2 O-t, CO 2 -t megköti. Előállítás: NaCl-oldat elektrolízisével. Felhasználás: textil- és papíriparban, szappan és mosószergyártás.

11 Nátrium vegyületei Nátrium-hipoklorit (NaOCl, Hypo) Fertőtlenítő- tisztító-, illetve mosószer Előállítás: NaCl-oldat elektrolízisével: 2NaOH + Cl 2 = NaOCl + NaCl + H 2 O Nátrium-karbonát (Na 2 CO 3.10H 2 O) Színtelen kristály 100 o C-on hevítve fehér por (kristályvíz elvesztés) Előfordulás: talajban (sziksó); ha túl sok, terméketlenné teszi a talajt Felhasználás: szappan-, mosószer-, üveggyártás, vízlágyítás Oldata lúgos kémhatású (hidrolízis) Nátrium-hidrogén-karbonát (NaHCO 3, szódabikarbóna) Fehér kristály Felhasználás: gyógyászatban fölös gyomorsav lekötésére Oldata enyhén lúgos kémhatású (hidrolízis): HCO 3- + H 2 O = OH - + H 2 CO 3 Nátrium-foszfát (Na 3 PO 4, trisó) Fehér kristály Vizes oldata lúgos (hidrolízis): PO H 2 O = 3 OH - + H 3 PO 4 Felhasználás: mosószerek, vízlágyítás Nátrium-tioszulfát (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O, fixírsó) Színtelen kristály Felhasználás: analitikában jodometriában: 2Na 2 S 2 O 3 + I 2 = Na 2 S 4 O 6 + 2NaI kép rögzítésére fényképészetben: AgBr + Na 2 S 2 O 3 = Na 3 [Ag(S 2 O 3 ) 2 ] + NaBr

12 Kálium Nátriumhoz hasonló, de nála reakcióképesebb (kisebb EN miatt) Előfordulás: földkéregben kb. 1,84 %, elemi formában nem fordul elő, vegyületeiben: KCl: szilvin, Holt-tenger, Nagy sós tó KCl MgCl 2 6H 2 O: karnallit. Előállítás: KCl, KOH vagy K 2 CO 3 olvadék elektrolízisével.

13 Felhasználás fémként: hőátadó közeg, oldószerek szárítása, műtrágyagyártás, pirotechnika, robbanóanyag-gyártás Kálium Felhasználás vegyületeiben: K 2 CO 3 : üveggyártás KNO 3 : oxidálószer, pirotechnika KMnO 4 : oxidálószer KClO 3 : gyufák, pirotechnika

14 Kálium vegyületei Kálium-klorid (KCl) Jelentőség: növényi szervezetben. Felhasználás: műtrágyagyártás, K és KOH előállítás, méreginjekció. Kálium-hidroxid (KOH) Fehér kristály (vizes oldata színtelen), NaOH-nál is erős bázis. Kristályos állapotban rendkívül higroszkópos, levegőből H 2 O-t, CO 2 -t megköti. Oldja az üveget. Előállítás: KCl-oldat elektrolízisével. Felhasználás: textil- és papíriparban, szappan és mosószergyártás, élelmiszeriparban gyümölcs héjának eltávolítása. Kálium-nitrát (KNO 3 ) Felhasználás: műtrágya, feketelőpor, füstbomba, élelmiszer tartósítószer (E252)

15 Alkáliföldémek Általános jellemzés: II/A. oszlop (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) Külső elektronhéj szerkezete: ns 2 Vegyérték: 2; oxidációs szám: +2 Elektronegativitás: 0,9-1,5 (Mg-tól lefelé ionvegyületeket képeznek, +2 töltésű ionjaiknak nemesgáz elektronszerkezete van, ionizációs energia kicsi) Berillium nagyobb elektronegativitása (1,5) miatt inkább kovalens vegyületet képez, bizonyos esetekben a Mg is Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak Oxigénnel, vízzel reagálnak (kevésbé intenzíven mint az alkálifémek), aktivitásuk a rendszámmal nő (ahogy EN csökken) Sűrűségük, keménységük kicsi (nagyobb mint az alkálifémeké) Redukálószerek (gyengébbek mint az alkálifémek)

16 Alkáliföldémek Előfordulás: gyakoriság: Be: 2ppm, Mg, Ca: 4%, Sr, Ba : 400ppm elemi állapotban nem fordulnak elő

17 Berillium Előfordulás: Al 2 Be 3 Si 6 O 18 (berill, akvamarin (Cr), smaragd (Fe)) Előállítás: berillből, Na 2 SiF 6 -os pörköléssel BeF 2, majd redukció Mg -mal vagy olvadékelektrolízis Tulajdonságok: erősen mérgező (enzimekben az Mg helyére köt) a fém kemény, rideg, magas op. (könnyűfémek közül a legmagasabb, 1278 C) felületét összefüggő oxidréteg védi Felhasználás: ötvözőként rézhez és nikkelhez (keménységet növeli) röntgensugárzás-átereszt ő ablak neutronmodulátor rakétafúvókák, hangsugárzók (magas)

18 Magnézium Előfordulás: Természetben csak vegyületeiben fordul elő: tengervíz (0,13%) CaMg(CO 3 ) 2 : dolomit MgCO 3 (magnezit), szulfát, szilikátok,... Előállítás: tengervízből: kicsapatás a jobban oldódó kalcium-hidroxiddal, Ca(OH) 2 (f) +MgCl 2 (f) = Mg(OH) 2 (s) + CaCl 2 (f) majd szűrés, újraoldás sósavban (MgCl 2 (l)) és elektrolízis. dolomitból: CaMg(CO 3 ) 2 kalcinálása (hevítése) CaO MgO -vá, majd redukció ferroszilíciummal CaMg(CO 3 ) 2 (s) = CaO MgO(s) + CO 2 (g) (Fe, Si)(s) +MgO(s) = Fe(s) + SiO 2 (s) +Mg(g) CaO + SiO 2 = CaSiO 3 A reakció termodinamikailag nem kedvezményezett, de a magnéziumgőzök (magas hőmérséklet) eltávolításával a termék irányába tolható

19 Magnézium Tulajdonságok: felületét összefüggő oxidréteg védi levegőn meggyújtva rendkívül fényes lánggal ég MgO és Mg 3 N 2 képződése közben sűrűség: 1,7g/cm 3, olvadáspont: 650 C Felhasználás fémként: ötvözőként alumíniumhoz (könnyű, szilárdság) tonna/év (könnyűszerkezetek, repülőgépek, motorblokkok, italosdobozok...) pirotechnika más fémek el őállítása redukcióval (titán, urán...) áldozati anód korrózióvédelemben Vegyületeinek felhasználása: MgO: hőálló burkolatok, fűtőtestek (elektromos szigetelő de jó hővezető) Mg(OH) 2 : gyenge bázis, vizes szuszpenziója antacidként használatos Grignard-vegyületek (RMgX): előállítás: RX(f) +Mg(s) = RMgX (éteres oldatban)

20 Magnézium vegyületei Magnézium-hidroxid (Mg(OH) 2 ) Gyenge lúg, vízben rosszul oldódik (Mg-O kötés erősen kovalens jellegű) Előállítás: természetben ásvány formájában előfordul Felhasználás: gyomorsav megkötő, konzerv gyümölcsök, zöldségek színének tartósítása (E528) Magnézium-klorid (MgCl 2 ) Gyenge sav (savasan hidrolizál): Mg H 2 O = Mg(OH) 2 + 2H + (2H 3 O + ) Előfordulás: természetben ásvány formájában Felhasználás: Mg illetve Mg vegyületek előállítására, cementgyártás, USA-ban utak jégtelenítésére Magnézium-szulfát (MgSO4) keserűsó, Epson-só Előállítás: természetben heptahidrát formájában (MgSO 4.7H 2 O) előfordul Felhasználás: nagy magnézium-igényű növények (burgonya, bors, rózsa) trágyázása, gyógyászatban bélmozgás elősegítő, hashajtó

21 Kálcium Jellemzői: Ezüstfehér színű, könnyű fém. Lángfestés: téglavörös Előfordulás: mészkő, márvány (CaCO 3, kalcit, aragonit) gipsz (CaSO 4 2H 2 O), anhidrit (CaSO 4 ) fluorit (CaF 2 ), apatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F) Előállítás: CaCl 2 illetve CaCl 2 + CaF 2 olvadék elektrolízisével Felhasználás fémként: ötvözőként alumíniumhoz (csapágyfémben 0,7 %) más fémek előállítása redukcióval (Cr, Zr,...) szennyezők (oxigén, kén, foszfor, nitrogén) megkötése metallurgiában ill. gázokból

22 Kálcium vegyületei Kalcium-karbonát (CaCO 3 ) Természetben leggyakrabban előforduló Ca-vegyület Felhasználás: építőipar, csiszolópor, tisztítószer CO 2 -t tartalmazó vízben hidrokarbonát képződése formájában oldódik, az analóg módon képződő Mg(HCO 3 ) 2 -vel együtt a víz változó keménységét okozva. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 A változó keménység: forralással megszüntethető (visszaalakulás, CO 2 gáz eltávozik) Állandó keménységet okozó sók: CaCl 2, Ca(NO 3 ) 2, CaSO 4, MgCl 2, Mg(NO 3 ) 2, MgSO 4 Megszüntetés (vízlágyítás): Ca 2+ és Mg 2+ ionokat csapadék formájában leválasztani, majd szűréssel eltávolítani: Ioncserélővel: Ca 2+ + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + 2Na + 3Ca Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6Na + lágyvíz: lecserélni a Ca 2+ és Mg 2+- ionokat Na + -ionokra ionmentes víz: a víz összes idegen ionját lecserélni H 3 O + illetve OH - ionokra.

23 Kálcium vegyületei CaCO 3 : mész (CaCO 3 CaO + CO 2, cement és habarcs előállítása, vasgyártás (salakképző), üveggyártás, fogkrémek CaO (égetett mész) és Ca(OH) 2 (oltott mész): építőipar, magnézium előállítása, vízkezelés (Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3 ) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O), ipari vizek ph-beállítása, gázmosás (SO 2,H 2 S), kalcium-karbid gyártása, papíripar, tejipar, cukorgyártás Kalcium-szulfát (CaSO 4.2H 2 O) = gipsz Természetben gipsz illetve evaporit ásványok formájában Felhasználás: építőipar (cement), iskolai kréta, gyógyászat (gipszelés), tűzálló fal o C-ra hevítve a kristályvíz 75%-a távozik: CaSO 4.2H 2 O CaSO4.½H 2 O + 1½H 2 O (tűzálló falban lassan melegszik, mert előbb a kristályvíz távozására fordítódik a hő) teljesen kiégetett gipsz már nem tud vizet felvenni Kalcium-hidroxid Ca(OH) 2 Előállítása: égetett mészből vízzel (mészoltás): CaO + H 2 O Ca(OH) 2 (oltott mész) (CaCO 3 CO 2 + CaO (égetett mész)) Felhasználás: építőiparban habarcs készítésre: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O (megkötés a csapadékként kiváló CaCO 3 miatt)

24 Stroncium, Bárium és Rádium Stroncium (Sr) előfordulása: SrSO 4 (cölesztin), SrCO 3 (stroncianit) Bárium (Ba) és fontosabb vegyületei: Természetben BaSO 4 (barit) ill. BaCO 3 formájában Lángfestés: sárgászöld Előállítás: BaCl 2 olvadék elektrolízisével Felhasználás: kontrasztanyagként BaSO 4 formájában (jól elnyeli a Röntgen sugarakat), tűzijátékban és fúróiszap. BaCO 3 fluoreszcens fényforrások katódanyaga Rádium (Ra) és fontosabb vegyületei: Ritka elem, urán és tóriumásványok mellett, mint azok radioaktív bomlásának terméke 28 izotópja van, mind radioaktív A szervezetbe került rádium a csontokba beépül Felhasználás: régebben sugárterápiára, ma már vannak olcsóbb sugárforrások neutronforrás: Be + -sugárzás(ra-ból) neutronok

25 Földfémek Általános jellemzésük: III/A. oszlop Külső elektronhéj szerkezet: ns 2 np 1 Vegyérték általában: 3 ill. 1 (Ga, In, Tl); oxidációs szám: +3, +1 (Ga, In, Tl). B félfém, a többi (Al, Ge, In, Tl) fém. Elektronegativitás: 1,5-2,0 (B és Al gyakran képez kovalens kötéseket, a többiek viszont elsősorban ionosat). Természetes körülmények között szilárd halmazállapotúak.

26 Bór Előfordulás: 9ppm a földkéregben, borátokban és szilikátokban (rengeteg különböző szerkezet) néhány fontosabb ásványa: bórax (Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8H 2 O vagy Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), colemanit.

27 Bór Tulajdonságok: elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 1, magas ionizációs energia, 2 stabil izotóp ( 10 B, 11 B) Atomrácsos kristályszerkezet, gyémánt után legkeményebb számos allotrópot képez, kovalens kötésekkel ilyen ikozaéderek rendeződnek el különböző (romboéderes, tetragonális, stb) szerkezetekben magas op (2076 C), kemény Elektromos szigetelő, de jól vezeti a hőt Előállítás: redukció magnéziummal elektrolízis sóolvadékból Felhasználás elemként: bórszálak készítése kompozit anyagokhoz (repülőgépipar) acélötvöző szerként növeli annak keménységét, kopásállóságát, korrózióval szembeni ellenállását

28 Bór Vegyületei (gyakorlatilag a teljes periódusos rendszerrel vegyületeket képez, rendkívül változatos kötésszerkezettel) közül néhány példa: fémboridok: nagyon magas op (> 3000 C) : rakétafúvókák, reaktorok burkolata, bór-karbid: a 10 B jó neutronelnyelő képessége miatt atomerőművekben pajzs és szabályozórúd, bórterápia bór-nitrid: izoelektronos a szénnel, grafit és gyémántszerű módosulatot és fulleréneket is képez, gyémántanalógja rendkívül kemény, a grafitanalóg kenőanyag borazin: szervetlen benzol diborán: hidrobórozás, lewis-sav: lewis-bázisokkal komplexet képez bórax: üveggyártás (hőálló boroszilikát üvegek, pl. laboratóriumi edények) perborátok: fertőtlenítő és fehérítőszerek

29 Alumínium Tulajdonságok: Külső elektronhéj szerkezet: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Fém, kis sűrűség (2,7 q/cm 3 ), alacsony op (660 C): kontraszt a bórral, hasonlít a következőkre (Ga, In) könnyen alakítható Levegővel gyorsan reagál, de a felületén összefüggő Al 2 O 3 réteg képződik, mely óvja a további oxidációtól. Eloxálás: e réteg mesterséges vastagítása anódos oxidációval híg savban (foszforsav, kénsav, krómsav, stb.) Amfoter: oldják híg savak és lúgok, de tömény savak nem Előfordulás: 2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 3H 2 + 2NaAl(OH) 4 8% a földkéregben, leggyakoribb fém, 3. leggyakoribb elem földpátok (pl. KAlSi 3 O 8 ), csillámok, bauxit (AlO(OH): böhmit, diaszpor ill. Al(OH) 3 : hidrargilit, gibbsit) Nátrium *tetrahidroxo-aluminát]

30 Alumínium Előállítás: bauxit (tartalmaz szilícium-, vas- és titán-oxidokat) tisztítása lúgos feltárással: oldás forró NaOH -ban: Al 2 O 3 + 2OH + 3H 2 O = 2[Al(OH) 4 ] a többi oxid nem oldódik fel: vörösiszap Al(OH) 3 (timföldhidrát) kikristályosítása hűtéssel és higítással Al 2 O 3 (timföld) előállítása kalcinálással (1300 o C) bauxitból előállított tiszta alumínium-oxid elektrolízise:

31 Alumínium Felhasználás fémként: szerkezeti anyagok (főként ötvözetei), fóliák, csomagolások (korrózióvédelmük: eloxálás) tükrök, festékek (pigment) elektromos vezetők, hűtőbordák, hőcserélők pirotechnika vízkezelés (flokkulálás) aluminotermia (pl. Cr, Nb előállítása, sínhegesztés) Legfontosabb ötvözetei: Alakítható (sajtolható) ötvözetek: nagy szilárdság a cél. Fő ötvözők: Cu, Mn, Mg Duralumínium (4,5% Cu + 0,5% Mg + 0,6% Mn). nagy szakítószilárdság. Al-Cu-Ni ötvözetek: magasabb hőmérsékleten nagy szakítószilárdság. Al-Mg-Si ötvözetek (1% Si, 1% Mg, 0.7%Mn): nagy szilárdságúak, korrózióállóak Al-Mn ötvözetek: kitűnő korrózióállóság, képlékenység, hegeszthetőség. Önthető ötvözetek: Al öntészeti tulajdonságai nem jók. Al-Si ötvözetek: jól önthetők, gyenge szakítószilárdságúak. Al-Si-Cu ötvözetek: önthetőség mellett nagy szilárdságúak. Al-Cu-Mg ötvözetek: önthetők, nagy szilárdságúak, kis Ni-t, hozzáadva magas hőmérsékleten igénybevett alkatrészek (dugattyú).

32 Alumínium Alumínium felhasználása vegyületeiben: LiAlH 4 : szerves szintézisekben (hidrogénezés, redukálószer) AlCl 3 : Lewis sav -típusú katalizátor (Friedel-Crafts reakciók, alkilezés, acilezés) Al 2 O 3 : csiszolóanyag (fogkrémben is), hőszigetelések, szálak (azbeszt kiváltása) Portlandcement: mészkő + agyag (aluminoszilikát) darálás, hevítés (CO 2 keletkezése) klinker +gipsz, újra darálás Gallium, Indium: Ga: előállítás bauxitból, alacsony op (30 C) felhasználás: GaAs félvezetők, In: előállítás cinkgyártás melléktermékeként, felhasználás: ITO, indium-ón-oxid, átlátszó vezető, folyadékkristályos képernyők (LCD) gyártása