Název SŠ: SŠ-COPT Uherský Brod Autoři: Ing. Edita NAĎOVÁ Název prezentace 16. Prvky a sloučeniny V. skupiny Název sady: Obecná a anorganická chemie (pro 3.ročník oboru Mechanik seřizovač a Technik - puškař) Číslo projektu: CZ.1.07./1.5.00/ Datum vzniku: Uvedení autoři, není-li uvedeno jinak, jsou autory tohoto výukového materiálu a všech jeho částí. Tento projekt je spolufinancován ESF a státním rozpočtem ČR

ANOTACE: Záměrem této sady výukových materiálů Obecná a anorganická chemie (pro 3.ročník oboru Mechanik seřizovač a Technik - puškař) je představit žákům, kteří se v této oblasti vzdělávají, obecnou a anorganickou chemii. Jednotlivé prezentace v této sadě popíší postupně tematické oblasti, které jsou probírány v běžné výuce chemie na naší SŠ. Konkrétně tato prezentace je zaměřena na prvky a sloučeniny 5. skupiny.

Prvky V. A skupiny (5. skupiny) patří sem vanad (V), niob (Nb), tantal (Ta) a dubnium (Db) všechny prvky této skupiny patří mezi přechodné kovy, jsou elektropozitivní a vytvářejí sloučeniny v maximálním oxidačním čísle V vanad v některých sloučeninách vykazuje i nižší oxidační číslo vodou nebo kyselinami se pasivují

Vanad (V, Vanadium) vanad je tvrdý, šedo-bílý, kujný kov s vysokými teplotami tání a varu naopak za teplot pod 5,38 K je supravodivý chemicky je poměrně značně odolný vůči běžným kyselinám i alkáliím za normálních podmínek reaguje pouze s kyselinou fluorovodíkovou a lučavkou královskou za zvýšené teploty však poměrně snadno podléhá oxidaci vzdušným kyslíkem

Výskyt v přírodě mezi nejdůležitější minerály patří polysulfid patronit VS 4 nejčastěji se však vanad vyskytuje v rudách ve formě sloučeniny s kyslíkem: vanadinit – podvojný chlorid-vanadičnan olovnatý PbCl 2 ·3Pb 3 (VO 4 ) 2 nebo carnotit [K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2.3H 2 O] vyskytuje se v surové v ropě nebo uhlí většina vanadu se získává jako vedlejší produkt při zpracování asi 60 rud, v nichž je obsažen

Výroba Vyrábí se pražením rozdrcené rudy nebo zbytků kovového vanadu s chloridem sodným (NaCl) nebo uhličitanem sodným (Na 2 CO 3 ). Při teplotě 850 °C vzniká vanadičnan sodný NaVO 3, který se louží vodou. Okyselením získaného výluhu na pH 2–3 dojde k vysrážení polyvanadičnanu (červený koláč), z něhož můžeme tavením při 700 °C získat černý technický oxid vanadičný V 2 O 5. Tento oxid se zredukuje pomocí kovového hliníku. Příprava čistého kovového vanadu se provádí redukcí VCl 5 vodíkem nebo hořčíkem.

Využití přidává se do vysoce kvalitních ocelí s vysokým obsahem chromu jeho slitiny se využívají pro výrobu chirurgických nástrojů a průmyslových komponentů, které vykazují vysokou chemickou i mechanickou odolnost slitiny s titanem a hliníkem se vyznačují vynikající mechanickou odolností, nízkou hustotou a nacházejí uplatnění v leteckém průmyslu uplatňuje se i při výrobě elektrických článků a baterií a slitiny vanadu s galliem patří k materiálům pro přípravu supravodivých magnetů katalyzátory na bázi oxidu vanadičného (V 2 O 5 ) se využívají při výrobě kyseliny sírové

Niob (Nb, Niobium) šedý, kujný, kovový prvek, poměrně značně chemicky stálý jeho zbarvení se při dlouhodobém působení vzduchu mění na namodralé při manipulaci za vyšší teploty jej však musíme chránit v inertní atmosféře před působením vzdušného kyslíku

Výskyt a výroba prvek se nevyskytuje čistý, v minerálech je obvykle doprovázen tantalem nejznámějšími minerály jsou kolumbit, coltan a euxenit ložiska rud s prakticky využitelným obsahem niobu se nalézají v Rusku, Brazílii, Kanadě, jižní Africe a v Nigérii výroba čistého kovu je značně komplikovaná, protože ve všech přírodních rudách jej doprovází tantal, jehož chemické chování je velmi podobné, pro separaci těchto dvou kovů se používá krystalizace jejich fluorokoplexů nebo frakční destilace pětimocných chloridů po přečištění se vyrábí elektrolyticky

Využití používá se v jaderném průmyslu je využíván při svařování obloukem velké množství niobu ve formě ferroniobia a niklniobia se používá v superslitinách pro součásti proudových motorů niob je zkoumán jako náhrada tantalu v kondenzátorech protože je v čistém stavu fyziologicky inertní, používá se v klenotnictví a medicíně při ochlazení na velmi nízkou teplotu přechází niob do supravodivého stavu spolu s vanadem a techneciem patří niob mezi jediné tři prvky, které jsou supravodiči jeho slitiny se zirkoniem, cínem, titanem se používají např. pro výrobu supravodivých magnetů, které jsou schopné vyrobit velmi silné magnetické pole

Tantal (Ta, Tantalum) vzácný, tvrdý, modro-šedý, lesklý, přechodný kov vysoce korozivzdorný, používá se pro výrobu chirurgických nástrojů a implantátů, protože je zcela inertní vůči organickým tělesným tkáním je dobrým vodičem tepla a elektřiny při teplotách pod 150 °C je téměř chemicky inertní, nereaguje dokonce ani s lučavkou královskou za teplot pod 4,48 K se stává supravodičem

Prvky V. B skupiny pentely (také pniktidy) jsou skupina prvků V. B skupiny (nově 15. skupiny) periodické tabulky prvků jedná se o dusík (N), fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb), bismut (Bi) a ununpentium (Uup) nejdůležitějším prvkem je dusík, který tvoří hlavní složku atmosféry

Dusík (N, Nitrogenium) je plynný chemický prvek, tvořící hlavní složku zemské atmosféry patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty

dusík je plyn bez barvy, chuti a zápachu není toxický ani jinak nebezpečný dusík je v atmosféře tvořen dvouatomovými molekulami, které jsou spojené velmi pevnou trojnou vazbou - nízká reaktivita dusík je inertní plyn, to znamená, že reaguje s jinými chemickými sloučeninami pouze za vysokých teplot a tlaků (2 500 °C) naproti tomu atomární dusík je velmi reaktivní a nelze ho uchovávat

Výskyt Tvoří 78 % (objemových) zemské atmosféry. Téměř se nevyskytuje v běžných horninách výjimkou je např. chilský ledek neboli dusičnan sodný NaNO 3. Zdrojem organického dusíku jsou vrstvy ptačího trusu, nazývané guano a využívané především jako hnojivo. Dusík je významný biogenní prvek, který se vyskytuje ve významných organických sloučeninách a ve všech živých organismech. Rostliny ho přijímají kvůli svému růstu a nevylučují ho. Živočichové ho využívají k tvorbě bílkovin a vylučují ho v podobě močoviny nebo amoniaku.

Výroba vyrábí se nízkoteplotní rektifikací zkapalněného vzduchu a tvoří přitom spíše přebytky při výrobě více žádaného kyslíku kapalná směs vzduchu je dělena v rektifikační koloně

Využití jako inertní atmosféra např. v prostředí, kde hrozí nebezpečí výbuchu, při výrobě integrovaných obvodů, nerezové oceli a používá se k plnění obalů výrobků, aby nedošlo k jejich zmačkání a zvlhčení (sáčky s brambůrky) kapalný dusík se využívá v řadě kryogenních procesů, při nichž je třeba udržet prostředí na značně nízké teplotě - uchovávání tkání nebo spermií a vajíček v lázni z kapalného dusíku v medicíně se používá k místní nekrotizaci (zmrazení) tkáně výroba amoniaku

dusíkatá hnojiva jsou látky, které podporují růst rostlin využíval se při výrobě explozivních látek (dusičnan sodný nebo draselný) nyní se jako výbušniny uplatňují spíše organické sloučeniny, ať již jde o nitroglycerin nebo trinitrotoluen zkratka TNT organické sloučeniny dusíku např. aminy se používají k výrobě barviv a léčiv

Koloběh dusíku v přírodě

Fosfor (P, Phosphorus) nekovový chemický prvek, poměrně hojně se vyskytující v zemské kůře, který má zároveň důležitou roli i ve stavbě živých organizmů elementární fosfor se vyskytuje ve třech alotropních modifikacích – bílý, červený a černý fosfor

Výskyt v přírodě se setkáme pouze se sloučeninami fosforu nejdůležitějším minerálem s obsahem fosforu je směsný fosforečnan vápenatý – apatit, jehož složení lze vyjádřit jako: Ca 5 (PO 4 ) 3 X (X = OH, F, Cl) dalšími minerály s obsahem fosforu jsou např. fosforit Ca 3 (PO 4 ) 2 a fluoroapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 F vyskytuje se ve všech živých organizmech na Zemi, je uložen v kostech a zubech, je složkou důležitých organických molekul jako DNA a RNA, energetických přenašečů (ADP, ATP) a je obsažen ve většině tuků

Výroba Základem průmyslové výroby je redukce fosforečnanů uhlíkem za přítomnosti křemenného písku podle rovnice: Ca 3 (PO 4 ) SiO 2 → 3 CaSiO 3 + P 2 O 5 P 2 O C → 5 CO + 2 P souhrnně: 2 Ca 3 (PO 4 ) SiO C → P CaSiO CO Fosfor za vysoké teploty (okolo 1300 °C) v tavenině těká jako molekula P 4 a je zachycován po kondenzaci ve vodě jako bílý fosfor. Při zahřívání přechází do modifikace červeného fosforu.

Využití toxických vlastností bílého fosforu se dodnes využívá na výrobu jedovatých nástrah na hlodavce bílý fosfor se dá také použít jako nekonvenční chemická zbraň červený fosfor je základní surovinou pro výrobu běžných kuchyňských zápalek černý fosfor se nejvíce využívá v elektrotechnice při výrobě polovodičů fosforečnany jsou důležitá rostlinná hnojiva fosfor je biogenní prvek

Arsen, (As Arsenicum) je toxický polokovový prvek, známý již od starověku současné uplatnění se nachází v oblasti metalurgie jako součást speciálních slitin a v polovodičovém průmyslu

Výskyt a výroba arsen je v zemské kůře značně vzácným prvkem nejvýznamnější rudou arsenu je směsný sulfid železa a arsenu, arsenopyrit (FeAsS) a také löllingit (FeAs 2 ) v horninách se vyskytuje jako příměs v rudách niklu, kobaltu, antimonu, stříbra, zlata a železa výroba elementárního arsenu z arsenopyritu spočívá v jejich oxidačním pražení a následném zachycování těkavého oxidu arsenitého

Využití průmyslové využití arsenu se soustřeďuje do oblasti elektroniky, např. arsenid gallia - GaAs vykazuje vynikající polovodičové vlastnosti a je jednou ze základních součástí všech tranzistorů i všech současných počítačových procesorů oxid arsenitý As 2 O 3, známý jako arsenik, silně toxická sloučenina, dobře rozpustná ve vodě - byl používán jako jed sulfid arsenitý As 2 S 3 je mimořádně dobře kryjící barevný pigment, známý jako královská žluť

Antimon (Sb, Stibium) patří mezi polokovy, které jsou známy lidstvu již od starověku slouží jako součást různých slitin, používá se ve výrobě elektronických prvků, keramických materiálů a barviv

vyskytuje se v několika modifikacích: modro-bílý kovový antimon a nestálé nekovové formy žlutého a černého antimonu kovový neboli šedý antimon je středně tvrdý a velmi křehký žlutý antimon lze získat zaváděním kyslíku do kapalného antimonovodíku při -90 °C černý antimon vzniká ze žlutého, za pokojové teploty se vzduchem oxiduje a může se vznítit

Výskyt a výroba antimon je v zemské kůře poměrně vzácným prvkem hlavní rudou antimonu je antimonit, chemicky sulfid antimonitý Sb 2 S 3 dalšími minerály antimonu je ullmannit o složení NiSbS, breithauptit NiSb, dyskrazit Ag 3 Sb atd. průmyslově se antimon vyrábí redukční reakcí svých sulfidických rud za přístupu vzduchu za vzniku oxidů, které se dále redukují žárově uhlím Sb 2 S O 2 → Sb 2 O SO 2 Sb 2 O C → 2 Sb + 4 CO čistý antimon lze získat z roztoků nebo tavenin elektrolyticky

Využití jako složky různých slitin využití sulfidu antimoničného při výrobě kaučuku slitina o přibližném složení 75 % olova, 15 % cínu a 10 % antimonu – liteřina byla po dlouhá léta základním materiálem pro výrobu tiskařských liter ložiskový kov obsahuje cín, olovo, měď a antimon jedna z komponent pro výrobu základních součástí současné elektroniky – diod a tranzistorů optické disky (CD, CDRW, DVD, DVDRW, Blu-ray)

Bismut (vizmut), (Bi, Bismuthum) je těžký kovový prvek bílé barvy se slabým růžovým leskem, křehký a hrubě krystalický bismut tvoří s většinou kovů slitiny, které mají nízké teploty tání elementární bismut má největší diamagnetickou konstantu ze všech známých kovových prvků, značně vysoký elektrický odpor a společně se rtutí má nejnižší tepelnou vodivost

Výskyt, výroba v přírodě se vyskytuje ryzí i ve sloučeninách hlavními minerály bismutu jsou bismutinit (psáno též bismutin), chemicky sulfid bismutitý Bi 2 S 3, bismit jako oxid Bi 2 O 3 a zásaditý uhličitan bismutit [(BiO) 2 CO 3 ] vyskytuje se jako příměs v rudách stříbra, zlata, cínu, mědi a olova z rud získává buď redukčním pochodem, kde bismit reaguje v peci s uhlíkem nebo srážecím pochodem, kde se taví bismutinit se železem při těchto pochodech je bismut ještě značně znečištěn látkami, které byly v rudě, proto se surový bismut musí ještě rafinovat

Využití slitiny bismutu se využívají při konstrukci automatických hasicích systémů (tzv. sprinklerů) stále častěji se používá jako náhrada olova v nejrůznějších aplikacích – složka pájek, při výrobě střeliva a broků jako katalyzátor pro výrobu akrylátů a dalších látek při výrobě keramiky slouží při přípravě glazur, barviv pro keramické materiály a výrobě optických vláken s vysokým indexem lomu je součástí kosmetických a lékařských přípravků slitina s manganem s názvem bismanol slouží pro výrobu velmi silných permanentních magnetů

Úkol Popište využití dusíku v průmyslu. Napište vzorec fosforečnanu vápenatého a popište jeho využití.

Zdroje pro textovou část KLIKORKA, J., HÁJEK, B., VOTINSKÝ, J. Obecná a anorganická chemie, SNTL/ALFA, Praha: 1985 KOTLÍK, B., RŮŽIČKOVÁ, K., Chemie I v kostce, Fragment, Havlíčkův Brod: 1996: ISBN X

Seznam zdrojů pro použité obrázky Snímek 4 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 8 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 11 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 13 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 19 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 20 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 24 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 27 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: Snímek 31 - [ cit ]. Dostupný pod licencí Public Domain na WWW: