Systematická anorganická chemie

Prezentace na téma: "Systematická anorganická chemie"— Transkript prezentace:

1 Systematická anorganická chemie
Přechodné prvky

2 d-prvky Obecná charakteristika Kovové prvky 3.-12. skupiny PSP.
Tvoří přechod mezi bloky s a p – označují se proto jako přechodné kovy. Kromě prvků 12. skupiny, nemají jejich atomy zcela zaplněny orbitaly d. Elektrony z neúplně obsazených d-orbitalů se podílejí na tvorbě vazeb – velká variabilita oxidačních čísel . S rostoucím Z dochází v rámci dané periody k růstu coulombických interakcí mezi atomovým jádrem a obalem. Z uvedeného vyplývá zmenšování iontových poloměrů v periodách z leva směrem doprava.

3 Fyzikální a chemické vlastnosti
Vzhledem k menším atomovým poloměrům, mají d-prvky velké hustoty, vysoké body tání a varu. Nepárové elektrony na d-orbitalech způsobují paramagnetismus přechodných kovů. Většina sloučenin i některé ionty absorbují určité vlnové délky viditelného záření - jsou barevné. Elementární (Fe, Ni, Pt…) i ve formě sloučenin (V2O5, MnO2, MoO3 ...), jsou často používány jako katalyzátory chemických reakcí. Mají tendenci vytvářet stabilní koordinační (komplexní) sloučeniny.

4 Prvky 3.skupiny (d1-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Elektro-negativita Oxidační číslo Teplota tání (°C) 21 Sc Skandium 44,96 1,3 III 1 539 39 Y Yttrium 88,91 1,2 1 509 57 La Lanthan 138,91 1,1 920 89 Ac Aktinium 227,03 1 050 Vazebné možnosti: Mají tři valenční elektrony v uspořádání (n-1)d1 ns2. Vzhledem k nízké elektronegativitě a ionizační energii vytvářejí kationty M3+ (podobnost s kovy alkalických zemin).

5 Obecné vlastnosti: Vyskytují se v přírodě velmi vzácně (w = cca 10-5 %). Neušlechtilé a velmi reaktivní prvky (reaktivita vzrůstá s rostoucím Z) se značnou afinitou ke kyslíku. Vytváří stabilní oxidy (M2O3) zásadité povahy. Využití - přísady do speciálních ocelí a slitin, - Yttrium – luminofor do televizních obrazovek (vyvolání červené barvy), - La + Mg – slitiny používané v leteckém průmyslu, - La2O3 – přísada do speciálních skel (optické filtry).

6 Prvky 4.skupiny (d2-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Elektro-negativita Teplota tání (°C) 22 Ti Titan 47,87 (II), III, IV 1,6 (IV) 1667 40 Zr Zirkonium 91,22 (III), IV 1,5 (IV) 1857 72 Hf Hafnium 178,49 1,4 (IV) 2467 Elektronová konfigurace ns (n – 1) d2 Ve sloučeninách neexistují ionty M4+. Ač vykazují silně záporné E0, jsou odolné proti kyselinám (pasivace).

7 Titan Výskyt - odrudy TiO2 (rutil, atanas, brookit)
- perowskit (CaTiO3), ilmenit (FeTiO3) Výroba - nelze získat redukcí rudy uhlíkem (vznik TiC) TiCl4 + 2 Mg = Ti + 2 MgCl2 Vlastnosti - kujný a tažný kov, nízké hustoty, vlivem příměsí se stává tvrdým a křehkým, - rozpouští se jen obtížně v silných, neoxidujících kyselinách. Využití - letectví a kosmonautika, chemický průmysl (konstrukce reaktorů), strojírenství – motory, turbiny... Sloučeniny: TiO2 - bílý pigment (titanová běloba), TiC – tvrdá, vysokotavitelná, chemicky odolná látka – slinuté karbidy.

8 Prvky 5.skupiny (d3-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Elektro- negativita Teplota tání (°C) 23 V Vanad 50,94 III, IV, V 1,9 (V) 1920 41 Nb Niob 92,91 (III), IV, V 1,7 (V) 2470 73 Ta Tantal 180,95 3000 Obecné vlastnosti: Ocelově šedé, lesklé, těžké a neušlechtilé kovy (na vzduchu se pasivují). Mají pět valenčních elektronů – oxidační číslo V je u všech prvků v jejich sloučeninách nejstálejší (oxidy typu M2O5).

9 Vanad Výroba - metalotermická redukce oxidu vanadičného
V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO Vlastnosti - tvrdý, šedo-bílý kujný kov, - za studena je chemicky velmi odolný vůči kyselinám (mimo HF a lučavky královské). Využití - přísada do vysoce kvalitních, nástrojových ocelí (zjemnění struktury - vznik karbidů V4C3, VC ), - slitiny vanadu jsou odolné vůči mořské vodě (loďařství). Sloučeniny: V2O5 - katalyzátor při kontaktním způsobu výroby H2SO4, - rozpouští se snadno v alkalických hydroxidech za vzniku polyvanadičnanů, jako (V3O9) – 3, (V4O12)– 4, (V10O28)– 6, aj.

10 Prvky 6.skupiny (d4-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Elektro- negativita Teplota tání (°C) 24 Cr Chrom 51,99 II, III, (IV), (V), VI 1,6 (III) 2,4 (VI) 1900 42 Mo Molybden 95,94 (III), IV, (V), VI 1,6 (IV) 2,1 (VI) 2620 74 W Wolfram 183,85 (III), IV, V, VI 1,6 (IV) 2,0 (VI) 3380 Obecné vlastnosti: Stříbrolesklé, tvrdé kovy s vysokými teplotami tání. S kovy triády železa (Fe, Co, Ni) tvoří významné slitiny. Všechny tři prvky nacházejí uplatnění jako legury do vysoce tvrdých, houževnatých a rychlořezných ocelí. Díky pasivaci odolávají působení kyselin i alkalických hydroxidů.

11 Chrom Výroba: - aluminotermicky z oxidu chromitého
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 - redukce chromitu uhlíkem (1000°C) FeCr2O4 + 4C = Fe + 2Cr + 4CO Ferrochrom (60-70%Cr) Vlastnosti – nejtvrdší elementární kov, vyznačující se mimořádně nízkou reaktivitou a chemickou odolností. Využití - legura ušlechtilých ocelí (rychlořezná ocel - 18%Cr), - galvanické pochromování ocelových výrobků.

12 Sloučeniny: nejstálejší sloučeniny chromu jsou odvozeny od CrIII, sloučeniny, obsahující CrVI, mají silné oxidační vlastnosti.. Cr2O3 - nejstálejší oxid – pigment chromová zeleň Chromany - obsahují aniont CrO42- , - všechny jsou žluté a stálé jen v zásaditém prostředí. PbCrO4 - nerozpustná látka – pigment chromová žluť. Okyselením přecházejí chromany ve stabilnější dichromany s aniontem Cr2O72– . K2Cr2O7 - je důležitým oxidačním činidlem v odměrné analýze, používá se např. ke stanovení oxidovatelnosti látek. Všechny rozpustné sloučeniny chromu jsou jedovaté.

13 Prvky 7.skupiny (d5-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Elektro-negativita Teplota tání(°C) 25 Mn Mangan 54,94 II, (III), IV, (V), VI, VII 1,4 (II) 2,5 (VII) 1244 43 Tc Technecium (98,91) (III), IV, V, VI, VII 2,3 (VII) 2200 75 Re Rhenium 186,21 III, IV, V, VI, VII 2,2 (VII) 3180 Elektronová konfigurace: mangan a rhenium technecium n s2 (n – 1) d5 n s1 (n – 1) d6 Tc - umělý radioaktivní prvek. Re - nemá vlastní minerály, v přírodě doprovází sulfidické molybdenové rudy.

14 Mangan Výroba - aluminotermicky z podvojného oxidu Mn3O4
3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 2Al2O3 Vlastnosti - tvrdý a křehký, světle šedý kov. Rozpouští se lehce v kyselinách i hydroxidech za vývinu vodíku. Využití - desoxidace a legování ocelí (do 10% Mn) - glazování porcelánu - slitiny - Ferromangan, Zrcadlovina (Mn + Fe) - Dural (Al + Cu + Mg + Mn) - Heuslerovy slitiny (Mn + Al + Sb + Sn) - Manganin (Cu + Mn + Ni)

15 Sloučeniny: Mangan vytváří celou řadu sloučenin, v nichž vystupuje v širokém spektru oxidačních čísel (II – VII). MnO2 (burel) - oxidační činidlo při různých chemických výrobách. MnO2 + HCl = MnCl2 + Cl2 + H2O - odbarvující prostředek při výrobě skla. - součást suchých baterií (Leclanchův galvanický článek) . KMnO4 (hypermangan) - silné oxidační činidlo. desinfekční prostředek (náhrada Cl2 při úpravě pitné vody).

16 Prvky 8.skupiny (d6-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Teplota tání (°C) Hustota (kg dm-3) 26 Fe Železo 55,85 II, III, VI 1 535 7,87 44 Ru Ruthenium 101,07 II, III, IV, VI,VII,VIII 2 282 12,41 76 Os Osmium 190,20 II, III, IV, VI, VIII 3 045 22,57 Obecné vlastnosti: Oxidačního čísla VIII ve sloučeninách dosahují pouze Ru a Os. Železo tvoří OČ max. VI (železany). Ru a Os - ušlechtilé kovy, Fe je kov neušlechtilý. Prvky 8.,9. a 10. skupiny vykazují horizontální podobnost – triády.

17 Železo Výskyt: čtvrtý nejrozšířenější prvek na Zemi.
hematit – Fe2O3; magnetit – Fe3O4; siderit (ocelek) - FeCO3; pyrit (kyz železný) - FeS2 Výroba: a) surové železo - redukce železné rudy koksem b) čisté železo - redukce Fe2O3 vodíkem, - rozklad pentakarbonylu Fe(CO)5 Vlastnosti - stříbrobílý, lesklý, nepříliš tvrdý, reaktivní kov, - na vzduchu oxiduje za vzniku hydratovaných oxidů FeO(OH) a Fe2O3.xH2O, - rozpouští se v kyselinách i horkých alkalických hydroxidech.

18 Využití - výroba oceli (nejrozšířenější konstrukční materiál),
- katalyzátor (např. při syntéze amoniaku). Sloučeniny: Fe2O3 - vyskytuje se v modifikacích a a g. g-Fe2O3 (maghemit) má ferromagnetické vlastnosti – využití k magnetickému skladování dat, cílené dopravě léčiv…atd. FeCl3 - výroba tištěných el. obvodů (leptá měď), 2FeCl3 + 2Cu = 2FeCl2 + CuCl2 - katalyzátor organických syntéz (např. styrénu). FeSO4.7H2O (zelená skalice) - konzervace dřeva, výroba barev.

19 Prvky 9.skupiny (d7-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Teplota tání (°C) Hustota (kg.dm-3) 27 Co Kobalt 58,93 II, III 1 490 8,9 45 Rh Rhodium 102,91 III, IV 1 960 12,5 77 Ir Iridium 192,22 2 410 22,61 Elektronová konfigurace: kobalt a iridium ns2 (n – 1)d7 rhodium ns1 (n – 1)d8 Co - neušlechtilý kov, Rh a Ir – ušlechtilé. S rostoucím Z, vzrůstá hustota kovů (Ir = 22,61 kg.m-3).

20 Kobalt Výroba - ruda => Co3O4 - redukce (H2)
- elektrolýzou roztoku CoSO4 Vlastnosti - tvrdý, namodralý kov, na vzduchu stálý. Rozpouští se v neoxidujících kyselinách, v oxidujících se pasivuje. Využití - legura do ocelí (odolnost proti korozi), - výroba tzv. tvrdokovů - slinutých karbidů, - speciální slitiny pro výrobu endoprotéz. Sloučeniny: CoO + SiO2 - výroba žárovzdorných skel a smaltů. soli Co2+ - barevné indikátory stupně navlhnutí vysoušedel. CoCl2 + 6 H2O = CoCl2.6H2O

21 Prvky 10.skupiny (d8-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Teplota tání (°C) Hustota (kg.dm-3) 28 Ni Nikl 58,71 II, (III, IV) 1 452 8,9 46 Pd Palladium 106,40 II, IV 1 550 12,0 78 Pt Platina 195,09 1 770 21,45 Obecné vlastnosti: Stříbřitě lesklé, kujné a tažné kovy. Mají vysoké body tání a varu. Ni - kov neušlechtilý, Pd a Pt – kovy ušlechtilé Lze je získat v rozptýlené formě (katalytické využití).

22 Nikl Výroba - pražně-redukčním postupem ze sulfidů
- rozkladem karbonylů: Ni(CO)4 = Ni + 4CO Vlastnosti - lesklý, ferromagnetický, kujný a snadno tvařitelný kov. Je špatným vodičem tepla a elektrického proudu. Využití - katalyzátor (v práškovém stavu) - legura ocelí (+ Cr = žáro - a korozivzdornost) - slitiny - Monelův kov (68%Ni + 32%Cu) - Alnico (Al,Cu,Fe,Ni,Co) - Nitinol (Ni+Ti) - tvarová paměť Sloučeniny: Ni(OH)2, NiO(OH) - elektrodový materiál alkalických akumulátorů Fe-Ni, Ni-Cd.

23 Prvky 11.skupiny (d9-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Teplota tání (°C) Hustota (kg.dm-3) 29 Cu Měď 63,55 I, II, (III) 1 084 8,93 47 Ag Stříbro 107,87 I, (II, III) 960,5 10,5 79 Au Zlato 196,97 I, (II), III 1 063 19,3 Obecné vlastnosti: Těžké kovy s charakteristickým zabarvením. Všechny krystalizují v KPC mřížce, vyznačují se neobyčejnou kujností a tažností. Kovy ušlechtilé, jejich stálost roste s rostoucím Z . Mimořádná schopnost tvořit s jinými kovy slitiny.

24 Měď Výskyt – chalkopyrit – CuFeS2, malachit – CuCO3.Cu(OH)2 Výroba
- pyrometalurgicky (pražením) ze sulfidických rud, - hydrometalurgicky (loužením) z chudých rud. Vlastnosti - měkký, kujný, načervenalý kov, - velmi dobře vede elektrický proud a teplo, - na vzduchu se pokrývá vrstvou měděnky - CuCO3.Cu(OH)2 . Využití - elektrotechnika (vodiče), - slitiny - mosazi (Cu+Zn) (el.odpory), - bronzy (Cu+Sn) (ložiska, zvony, mince).

25 Reakce – ušlechtilý kov (E0 = + 0,34V), proto:
nereaguje s neoxidujícími kyselinami - HCl, H2SO4 (zřeď.) rozpouští se v kyselinách s oxidačními účinky – HNO3, H2SO4 (konc.) – nikdy při tom nevzniká vodík, uvolňuje se oxid vzniklý redukcí aniontu kyseliny 3Cu + 8HNO3 (zřeď.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O Cu + 2H2SO4 (konc., za horka) = Cu(SO4) + SO2 + 2H2O obdobným způsobem reaguje s kyselinami i stříbro Sloučeniny: CuSO4.5H2O – elektrolyt v pokovovacích lázních, fungicid, výchozí látka při výrobě dalších sloučenin Cu.

26 Prvky 12.skupiny (d10-prvky)
Z Značka Název M (g mol-1) Oxidační čísla Teplota tání (°C) Hustota (kg.dm-3) 30 Zn Zinek 65,38 II 419,4 7,14 48 Cd Kadmium 112,40 320,9 8,65 80 Hg Rtuť 200,59 I, II – 38,9 13,53 Elektronová konfigurace: Zn, Cd, Hg - (n-1)d10 ns2 Elektrony - d se neúčastní tvorby vazeb (nevyhovují charakteristice přechodných kovů). Těžké kovy s nízkou teplotou tání - měkčí, než ostatní přechodné kovy. Tvorba slitin s jinými kovy (mosazi, amalgámy).

27 Zinek Výroba - Převedení sulfidické rudy pražením na ZnO, který se následně redukuje koksem při teplotě1150°C. Vlastnosti - měkký, modravě-bílý kov, neušlechtilý a reaktivní, - rozpustný v kyselinách i hydroxidech, - na vlhkém vzduchu je stálý díky pasivaci, Využití - pozinkování železných předmětů, - výroba suchých galvanických článků, - laboratorní výroba H2, redukční činidlo. Sloučeniny: ZnO - bílý, nerozpustný prášek - zinková běloba. ZnSO4.7H2O - konzervace dřeva, galvanické pozinkování.

28 Rtuť Výskyt – minerál cinnabarit (rumělka) – HgS.
Výroba - pražením rudy při 600°C: HgS + O2 = Hg + SO2 Vlastnosti - jediný kov, za normální teploty kapalný, - rozpouští se v HNO3 a horké koncentrované H2SO4, - s ostatními kovy tvoří slitiny – amalgamy. Využití - náplň teploměrů a tlakoměrů, - v zubním lékařství (amalgamové plomby), - analytická chemie (polarografie). Sloučeniny: Hg2Cl2 (kalomel) - referenční elektrody v měřící technice.

29 Prvky 4f1-14 (Lanthanidy) Výskyt - v zemské kůře společně s prvky 3.skupiny ( %) (kromě Pm - umělý prvek). Výroba - elektrolýza chloridových tavenin. Vlastnosti - podobné ve vodorovném směru. Středně těžké, stříbrolesklé kovy s nízkou pevností v tahu. Vykazují nízké E0 a malou elektronegativitu. Použití – katalyzátory, permanentní magnety, barvení skla, desoxidace roztavených kovů, elektronika….) Sloučeniny: Oxidy (Ln2O3) – mají vysoké teploty tání. Výroba supravodivých materiálů, barvení skla a keramiky.

30 Prvky 5f1-14 (Aktinidy) Prvky následujících v PSP za aktiniem (Z = ) Výskyt – v přírodě se vyskytují pouze Th, Pa,U. Aktinidy těžší, než uran (transurany) se připravují uměle (jadernými reakcemi). Vlastnosti - všechny aktinidy jsou radioaktivní kovy, - jejich poločasy rozpadu klesají s protonovým číslem, - svými vlastnostmi se podobají lanthanidům. Použití - v jaderných reaktorech jako palivo (U, Pt), - v technických aplikacích radionuklidů (lékařství)