Kémia | Felsőoktatás » Az elemekről

Az elemek gyakorisága Az elemek gyakorisága Bizonyított, hogy az univerzum ember által ismert részét ugyanazok az elemek alkotják, mint a Földet. Gyakoriság a világegyetemben: Leggyakoribb: H, He Fokozatos csökkenés Z = 45 rendszámig Z > 45 kicsi, de közel állandó érték – Mágikus számok: azon atommagok gyakorisága nagyobb, amelyek rendszáma vagy tömegszáma a mágikus számokkal egyenlő: He: Z=2 O: Z=8 Ca: Z = 20 Si A = 28 Sn Z = 50 Pb Z = 82 Eltérések: – Oddo-Harkins szabály: a páros rendszámú elemek gyakorisága általában nagyobb, mint a környező páratlan elemeké Gyakoriság a földkéregben litoszféra: ~16 km vastag földkéreg hidroszféra: felszíni vizek atmoszféra: légkör 1 Az elemek gyakorisága a földkéregben (tömeg%) elem oxigén szilicium alumínium vas kalcium nátrium kálium magnézium titán hidrogén foszfor mangán tömeg% 46,60 27,72 8,13 5,00 3,63 2,83 2,59 2,09 0,44 0,14 0,12 0,10 összesen: 99,39 elem kén

szén klór rubídium fluor : cink nikkel réz : nitrogén ón : higany : ezüst : platina : tömeg% 0,052 0,032 0,031 0,031 0,030 Az elemek gyakorisága a földkéregben (atom%) elem oxigén hidrogén szilicium alumínium nátrium vas kalcium magnézium kálium titán szén foszfor nitrogén 0,0013 0,0008 0,0007 0,00046 0,00040 5⋅10–7 1⋅10–7 5⋅10–9 2 atom% 52,32 16,95 16,67 5,53 1,95 1,50 1,39 1,39 1,08 0,22 0,14 0,04 0,03 3 4 Az elemek előállításának általános módszerei Az elemek előfordulása Csoportosítás – kémiai szempontból elemi forma vegyület forma Elemi állapot: a meddő kőzettől való eltávolítás – fizikai módszerrel: eltérő fizikai tulajdonság alapján forráspont: levegő frakcionált desztillációja: O2, N2 sűrűség: nagysűrűségű fémek elválasztása: aranymosás – oxidációs állapot szerint fémek: kizárólag pozitív oxidációs állapotban nemfémek: pozitív és negatív oxidációs állapotban is –

kémiai módszerrel: szelektív reakcióval a kismennyiségű elem átalakítása, elválasztása amalgámozó eljárás ciánlúgozás: arany, ezüst kinyerése 5 6 1 Az elemek előállításának általános módszerei Az elemek előállításának általános módszerei Vegyületben történő előállítás negatív oxidációs szám (nemfémes elemek) oxidáció – redoxi reakciókkal pl: klór laboratóriumi előállítása +7 –1 +2 – elektrokémiai oxidáció (elektrolízis) fluor: olvadékelektrolízise klór: természetes sósvizek, NaCl-oldat oldatelektrolízise 0 2 KMnO4 + 16 HCl = 2 MnCl2 + 2 KCl + 5 Cl2 + 8 H2O halogének ipari előállítása 2 Br– + Cl2 = Br2 + 2 Cl– 2 I– + Cl2 = I2 + 2 Cl– további elválasztás, tisztítás 7 Az elemek előállításának általános módszerei Az elemek előállításának általános módszerei pozitív oxidációs szám redukció pozitív oxidációs szám redukció – fém-oxid redukciója fémmel,

hidrogénnel nemfémes elemek: pl. jód: nátrium-jodátból – szulfidos ércek: pörkölés (részleges vagy teljes oxidáció), majd redukció fémek – fém-oxid redukciója szénnel, szén-monoxiddal pl. Fe, Co, Ni, Nb, Zn, Si stb +3 0 0 +2 Fe2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO +3 +2 0 +4 Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 előny: koksz viszonylag olcsó, hátrány: karbidképzés (pl. W) 9 Atomi és fizikai sajátságok elektronszerkezet: 1s1 H = H+ + e– (~ alkálifémek, „csupasz proton”) H + e–= H– (hidridion, He elektronszerkezet) elemi állapotban H2 (stabilis forma), H – H 10 Kísérlet: táramérleg, két főzőpohár (levegővel töltve), egyensúlyi helyzet egyik főzőpohárba hidrogént töltve egyensúlyi helyzet megváltozik Izotópok – hidrogén (prócium), 21 H – deutérium (D), 31 H – tricium (T) Fizikai sajátságok • színtelen, szagtalan gáz • levegőnél kisebb sűrűségű – elektrokémiai redukció (előállítás, tisztítás)

oldatelektrolízis: pozitív standardpotenciálú fémek, kis negatív standardpotenciálú fémek : pl. Cu, Ag, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Cd olvadékelektrolízis: negatív standardpotenciálú fémek: Al, Na, K Hidrogén Hidrogén 1 1H 8 11 Fizikai sajátságok • ideális gáz, kis op, fp, nehezen cseppfolyósítható • apoláris, vízben rosszul oldódik • „oldódik” Pd-ban, Pt-ban H2 aktivizálódik • nagy diffúzióképesség, jó hővezető képesség 12 2 Hidrogén Hidrogén Pt-katalizátor nitrogénnel: N2 + 3 H2 2 NH3 fémekkel: sószerű hidridek: 2 Na + H2 = 2 NaH nem sztöchiometrikus összetételű vegyületek (Pt, Pd, Ni) Kémiai sajátságok reakcókészsége szobahőmérsékleten kicsi: H2 = 2 H ∆H = 435 kJ/mol fluorral, klórral láncreakcióban reagál F2 + H2 = 2 HF sötétben, robbanásszerűen UV-fény hatására Cl2 + H2 = 2 HCl oxigénnel szobahőmérsékleten nem, szikra hatására robbanhat O2 + 2 H2 = 2 H2O (O2:H2 = 1:2 elegye:

durranógáz) Vegyületek: • kovalens hidrogénvegyületek: nemfémekkel, félfémekkel • sószerű hidridek: kis EN-ú fémek hidrogénvegyületei, nem stabilisak, vízzel reagálnak • intersticiális vagy rácsközi hidridek (fémes szerkezet marad) Kísérlet: hidrogén meggyújtása 13 14 Hidrogén Hidrogén Előfordulás: univerzumban leggyakoribb, Földön atom%-ban 2., csak vegyület formában Ipari: –Szénalapú: C + H2O Előállítás: Laboratóriumi: sav + fém: sav + fém: Zn + 2 HCl = H2 + ZnCl2 Al + 3 HCl = 1,5 H2 + AlCl3 CO + H2 (vízgáz-reakció) katalizátor CO + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯ CO2 + H2 (CO2 lúggal kimosható) endoterm reakciók, CO + ½ O2 = CO2 reakció fedezi –Földgázból, parciális oxidációval CH4 + ½ O2 = CO + 2 H2 CH4 + H2O = CO + 3 H2 CO + H2O = CO2 + H2 a reakció energiáját a metán égése fedezi 15 16 Hidrogén Nemesgázok Atomi sajátságok: ns2 np6 He: 1s2 Felhasználás: ¾ Szintézisek: HCl, NH3 ¾ Redukció

(fémelőállítás) ¾ Vegyületek telítése (margaringyártás) ¾ Hegesztés ¾ Rakéta üzemanyag Jövőbeni alkalmazás: ¾ Hidrogénalapú gazdaság (hidrogén tárolása, szállítása cseppfolyós formában vagy vegyületek formájában) ¾ Hidrogénhajtású autók, tüzelőanyag cellák ¾ Fotokémiai előállítás vízből ¾ nemesgáz-héj: stabilis, nem reaktiv ¾ az előfordulás egyetlen formája az egyatomos “molekula” ¾ molekularács (rácspontokban atomok vannak, közöttük csak diszperziós kölcsönhatás van) 17 Fizikai sajátságok ¾ ideális gázok ¾ színtelen, szagtalan ¾ alacsony op, fp ¾ a He légköri nyomáson nem kristályosítható ¾ a He 2,2 K alatt: szuperfolyékony 18 3 Nemesgázok Nemesgázok Kémiai tulajdonságok: ¾ Szokványos reakcióik nem ismertek ¾ Zárvány vegyületek: E⋅6H2O, 0 °C alatt, jégszerű szerkezet 1962: Bartlet 0 +6 +2 +5 Előfordulás: ¾ He gyakori a világegyetemben (2.) ¾ A Földön ritka

elemek, az atmoszférában: 0,93% Ar, 1,8·10-3 % Ne, 5·10-4 % He: Σ ~ 1% +5 Xe + 2PtF6 [XeF]+[PtF6]– + PtF5 Xe – F kovalens kötés ¾ He és Rn földgázban, ásványi zárványokban ¾ Rn: atomerőművekben is képződik Xe - oxidok, fluoridok ¾ XeF2, XeF4, XeF6 ¾ XeO3, XeO4 ¾ XeO2F2 Előállítás ¾ levegő cseppfolyósitása és desztillációja ¾ He: földgáz (USA, Lengyelország) 19 Nemesgázok 20 A halogének (17. csoport) Felhasználás ¾ „sóképző” (fémekkel) ¾ inert gáz (hegesztés, kémiai reakciók): pl. Ar ¾ NaCl ősidők óta ismert, de az elemek előállítása csak a ¾ fénycsövek izzók töltése (Ne, Ar, Xe, Kr) XIX. sz elején vált lehetségessé ¾ cseppfolyós He: hűtőközeg NMR-mágnesek Felfedezés: ¾ Cl2: 1810, Davy, ¾ F2: 1812-13, Ampére-Davy, előállítás: Moisson, 1886 ¾ Br2: 1826, Balard (23 éves francia) ¾ I2: 1811, Courtois ¾ léggömbök: meterológia ¾ mesterséges levegő (búvárok, űrhajósok)

21 A halogének (17. csoport) 22 A halogének (17. csoport) Fizikai tulajdonságok A csoportban lefelé haladva fizikai és kémiai tulajdonságok fokozatosan változnak op. fp monoton nő a rendszám, atomméret növekedésével ¾ F2 nehezen cseppfolyósítható gáz ¾ Cl2 gáz (könnyen cseppfolyósítható) ¾ Br2 folyadék (erősen párolgó) ¾ I2 szilárd (szublimál) ¾ At fémes jelleg Atomi paraméterek ¾ elektronszerkezete: ns2np5 egy elektron felvételével elérik a “nemesgáz-szerkezetet” nagy elektronaffinitás, nagy EN, nagy reakciókészség jellemző ¾ Molekularács, rácspontokban X2 molekulák Oxidációs állapot ¾ általános: −1, ionos és és kovalens vegyületekben ¾ F kivétel: +1 +7, nagy EN-ú elemekkel (F,O) alkotott vegyületekben ¾ F-nek nincs pozitív oxidációs állapotú vegyülete 23 24 4 A halogének (17. csoport) A halogének (17. csoport) Oldódás vízben: ¾ Vízzel: klatrátok (Cl2·8H2O, Br2·10H2O) Kísérlet:

klóros víz lehűtése Fizikai tulajdonságok szín mélyül az oszlopban lefele: ¾ fluor: sárgászöld ¾ klór: zöldessárga ¾ bróm: vörösbarna ¾ jód: szürke (gőze lila) ¾ Víz: nem csak oldószer Fluor: oxidálja a vizet: 0 Oldódás: Szerves oldószerekben: ¾ C6H6 barnás lila ¾ CH3OH sárgásbarna ¾ CCl4 lila -1 0 F2 + H2O = 2 HF + 0,5 O2 Klór, bróm, jód 0 keményítő – jód KI – I2 oldatban (Lugol oldat, KI3-oldat) X2 + H2O -1 +1 XH + HOX 25 A halogének (17. csoport) 26 A halogének (17. csoport) Kémiai tulajdonságok Reakciók ¾ halogénekkel: Cl2 > Br2 > I2 irányban csökken az oxidálóképesség Kémiai tulajdonságok Reakciók ¾ hidrogénnel: H2 + X2 = 2 HX ¾ fémekkel: pl. 2 Na + Cl2 = 2 NaCl ¾ félfém: 2 Sb +3 Cl2 =2 SbCl3 2 Sb + 5 Cl2= 2 SbCl5 (Cl2:Sb aránytól is függ) ¾ átmenetifém: 2 Fe + 3 Cl2= Fe2Cl6 Kísérlet: kevés, majd több klóros vizet adunk a) KBr-oldathoz (+kloroform) szerves fázis vörösbarna,

majd halványsárga b) KI-oldathoz (+kloroform) szerves fázis lila, majd színtelen ¾ nemfémekkel: O2,N2 közvetlenül nem reagálnak ¾ P4 + 10 Cl2 = 4 PCl5 27 A halogének (17. csoport) A halogének (17. csoport) Magyarázat: −1 0 −1 0 Előfordulás Elemi előfordulás nincs ¾ Fő előfordulás: halogenid (−1 ox.állapot) 0 a) Cl2 + 2 I− = 2 Cl− + I2 0 −1 +5 5 Cl2 + I2 + 6 H2O = 10 Cl− + 2 IO3− + 12 H+ b) Cl2 + 2 0 0 Br− =2 Cl− 28 Fluor 554 ppm (13. a földkéregben): ¾ CaF2 - fluorit, folypát ¾ Ca5(PO4)3F - fluor-apatit ¾ Na3AlF6 - kriolit + Br2 +1 −1 Cl2 + Br2 = 2 BrCl 29 30 5 A halogének (17. csoport) A halogének (17. csoport) Előfordulás Klór: 126 ppm (20. a földkéregben) ¾ sótelepek (pl. Parajd Erdélyben) ¾ tengervíz ~3,4 % NaCl (1,9 % Cl) Biológiai szerep: elemi állapot: ¾ fluor, klór, bróm belélegezve mérgező ¾ bróm: bőrre jutva: fekélyes seb ¾ jód: fertőtlenítés Bróm: 2,5 ppm ¾

Sótelepek fedőrétege, arkansasi „sósvíz” ¾ Holt tenger Jód : 0,5 ppm, ritka, de könnyen elérhető ¾ Fedősó: KI ¾ Chilei salétrom: kísérő vegyület: KIO3 vegyület: ¾ fluorid: csontok, fogak ¾ klorid: testnedvek (sóháztartás szabályozása) ¾ bromid: biológiai szerep nem köthető hozzá, nyugtató ¾ Thyrozin hormon: jód-tartalmú (struma/golyva betegség) 31 A halogének (17. csoport) A halogének (17. csoport) Előállítás Fluor: Ipari előállítás KF-HF = 1:2 elegy olvadékelektrolízise Előállítás Bróm: Oxidáció klórral Jód: KI-ból: oxidáció (Cl2) Chilei salétromból: KIO3 redukciója (NaHSO3) Klór: Laboratóriumi: oxidációval, pl. MnO2 v KMnO4 +7 −1 +2 0 2 KMnO4 + 16 HCl = 2 MnCl2 + 2 KCl + 5 Cl2 + 8 H2O elektrolízis Ipari: vizes oldat (Cl2, NaOH és H2) 32 olvadék (Na fém, Cl2) 33 A halogének (17. csoport) Felhasználás: Fluor: ¾ UF6 – uránizotópok szétválasztása (atomerőművek) ¾ SF6 - szigetelő ¾

teflon ¾ freon: hűtő-, habosító anyag (ózon pajzsot károsítja) 34 A halogének (17. csoport) Felhasználás: Klór: ¾ 70% vinil-klorid (CH2=CH-Cl) PVC ¾ 20% fehérítés (papír, textil) ¾ fertőtlenítés (uszoda, ivóvíz, szennyvíz) ¾ 10% szervetlen vegyipar HCl, ClO2, TiCl4, FeCl3 stb Felhasználás: Bróm: ¾ talajfertőtlenítő ¾ tűzálló anyagok impregnálása ¾ AgBr fotográfia ¾ Fúróemulziók ¾ Gyógyszerek 35 Jód: ¾ AgI gyors filmek ¾ I2-tinktúra: gyógyászat ¾ KI: kémiai analízis 36 6