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.
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
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
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
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
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 )
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
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 -
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.
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 4 3- + 3H 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
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.
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
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)
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)
Alkáliföldémek Előfordulás: gyakoriság: Be: 2ppm, Mg, Ca: 4%, Sr, Ba : 400ppm elemi állapotban nem fordulnak elő
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)
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
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) 300000 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)
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 2+ + 2H 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
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
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 2+ + 2Na 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.
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 100-150 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)
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
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.
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.
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
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
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]
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:
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).
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