Szervetlen kémia Átmeneti fémek

1. Szervetlen kémiaÁtmeneti fémek • Általános tulajdonságok • Elektronszerkezet: (n-1)s2 (n-1)p6 (n-1)d1-10 ns1-2 np0 • Szilárd halmazállapotúak, kivéve Hg • Fémes tulajdonságok: fémrács, áram- és hővezetés, szürkés szín (kivéve Cu, Au) • A nyílt vegyértékhéj miatt (kivétel Zn, Cd) több oxidációs számmal képezhetnek • vegyületeket. Vegyületeik általában színesek. Az részben betöltött d-pályák miatt szervetlen • ill. szerves ligandumokkal datív kötéssel komplexeket képeznek. vascsoport • Vascsoport (triád: Fe, Co, Ni) • Nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek: nagy sűrűség, magas op, mágnesezhetők, • legszorosabb illeszkedésű fémrács, könnyen alakíthatók (kis keménység), ötvözhetők, • oxidációs szám +2 és +3.

2. Szervetlen kémiaVas (Fe) • Előfordulás • Föld magját alkotja (Ni-el együtt): szilárd belső mag, folyékony külső mag • Vegyületei formájában fordul elő a földkéregben (4.8 %, 4. leggyakoribb a földkéregben), • ill. tiszta állapotban a Földre került meteoritokban. Sziderit (FeCO3) Kalkopirit (CuFeS2) Pirit (FeS2) Hematit (Fe2O3) Magnetit (Fe3O4) Limonit (Fe2O3.1.5H2O)

3. Szervetlen kémia • Fizikai tulajdonságok: • Olvadáspont: 1538 ºC. Lehűtve térben középpontos kockarács: d-vas (0.293 nm élhossz.) • 1394-912 ºC: g-vas – lapon középpontos kockarács • (0.368 nm élhossz) – kisebb sűrűség • 912 ºC alatt: a-vas – térben középpontos kockarács • (0.290 nm élhossz) • 770 ºC: mágnesezhetőség határa • Kémiai tulajdonságok: • Elektronegativitása: 1.8, általában ionos vegyületeke képez +2 és +3 oxidációs számmal • Fe2+ vegyületek: zöld szín, többségük nem stabil, levegőn lassan oxidálódnak Fe3+ formává • emiatt redukáló tulajdonságú • Fe3+ vegyületek: sárga-vörös, természetben ez fordul elő • Oxigénnel reagál: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 • Halogénekkel: FeF3, FeCl3, FeBr3, FeI2 (jód oxidáló hatása a legkisebb, FeI3 instabil) • Kénnel: FeS (kén is gyenge oxidálószer) • Vízzel nem reagál, csak ha van benne oldott O2→ rozsda FeO(OH) ill. Fe(OH)3.Fe2O3 • Híg savak H2 fejlődés közben oldják • Tömény savak (HNO3, H2SO4, H3PO4) passzív védőréteget képeznek a felületen.

4. Szervetlen kémia • Nyersvasgyártás: • Fe2O3/Fe3O4Fe • vasérc megfelelő méretre aprítása • salakképző (mészkő, dolomit) hozzákeverése: • kén eltávolítása CaS-ként (minőséget ront) • tüzelő/redukáló anyag: koksz v. szénhidrogén • - reakcióhoz, olvadáshoz szükséges hő • - redukálószer, ill. redukáló CO képződik • - adja a vasak széntartalmát • - kb. 1 % kén: el kell távolítani • levegő (égéshez): fúvószél; forrószél= • égéstermékekkel 1100-1300 ºC-ra felmelegítik redukció A nagyolvasztó részei:1 – meleg levegő befúvás; 2 – olvasztó zóna; 3 – redukáló zóna 1; 4 – redukáló zóna 2; 5 – előmelegítő zóna; 6 – elegy adagoló; 7 – torokgáz; 8 – elegyoszlop; 9 – salak és salakcsapoló nyílás; 10 – medence és a nyersvas csapolónyílása; 11 – távozó kohógáz. • Direkt redukció: • Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO • Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO • FeO + C = Fe + CO • endoterm, hőt fogyaszt, több tüzelőanyag kell

5. C Szervetlen kémia • Nyersvasgyártás: • Indirekt redukció: • 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 • Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 • Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2 • FeO + CO = Fe + CO2 • exoterm reakciók, kevesebb tüzelőanyag • kell. CO keletkezése: • C + O2 = CO2 • CO2 + C = 2CO • C + H2O = CO + H2 • (CO + H2O = CO2 + H2) • H2 is képes redukálni: • 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O • Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O • Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O • Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O • FeO + H2 = Fe + H2O • magasabb hőmérsékleten redukál mint • a CO, de gyorsabban • Nyersvas tulajdonságai: • 3-5 % szén + kisebb mennyiségben egyéb elemek (1.5-4 % Mn, 0.5-1 % Si, kevés P, S • képlékenyen nem alakítható a magas széntartalom miatt • Öntöttvas tulajdonságai: • 2-3.6 % szén + Si, Mn, P, S • nyersvasból ócskavas hozzáadásával, olvasztással gyártják • könnyen megmunkálható, korrózióálló, rezgéscsill. (szerszámgépállvány) • rideg, könnyen törik, acélnál kisebb szilárdságú

6. Szervetlen kémia • Acél: • Széntartalom max. 2.11 % • Könnyen megmunkálható (kovácsolás, hengerlés) • Acélgyártás: oxidációval a széntartalom lecsökkentése, ötvözetkészítés: keménység, • rugalmasság, hajlékonyság, szilárdság, hőállóság, savállóság, korróziómentesség • - olvadt nyersvasba nagy nyomással oxigént fúvatnak (30 perc) • régebben Siemens-Martin eljárás: rozsdás ócskavassal olvasztották (O rozsdából – 6-8 óra) • - ötvöző anyag oldása az olvadékban: lehűlve szilárd oldat • Ezután hőkezeléssel mechanikai tulajdonságok módosíthatók • - lágyítás: belső feszültség megszüntetése; pár fokkal 727 ºC alá melegítik, lassan lehűtik • - edzés: keménység növelése; hevítés kb. 1300 ºC-ra, egy ideig ott tartják, majd gyorsan • lehűtik. Ezzel befagyasztják az 1300 ºC-on levő kristályszerkezetet – de belső feszültségek • keletkeznek. Megeresztés: ugyanez kb. 100-700 ºC-on; feszültség csökken, keménység is. • - kérgesítés: kemény kopásálló külső réteg; felületi edzéssel vagy ötvözéssel • Ötvözetek: • Helyettesítés (szubsztitúció): atomok hasonló méretűek, azonos • rácsban kristályosodnak. • Beékelődéses (interszticiós): ötvözőfém atomjai kisebbek helyettesítés beékelődés

7. Szervetlen kémia Vas nem ötvöződik: nemesgázokkal, halogénekkel, s-mező elemeivel, higannyal, kadmiummal, ezüsttel. Nehezen elegyíthető bizmuttal, ólommal, cinkkel. • Fontosabb ötvözők: • C 0.6 % alatt = szerkezeti acélok: szilárdság, szívósság, ellenállás lökésszerű igénybevétellel • szemben • C 0.6 % felett = szerszámacélok: keménység, kopásállóság • Ni, Mn: szilárdságot növelik, magas hőmérsékleten is (hőálló acél) • Vanádium (V): keménységet, kifáradással szembeni ellenállást növeli • Cr, Ni: rozsdamentessé, savállóvá teszi • Cr, Al, Si: magas hőmérsékleten is korrózióálló (FeCr2O4 réteg van a felületen) • W: nagyon kemény un. gyorsacélok (forgácsolószerszámokhoz) • Bór (B, ezred %): acél edzhetőségét növeli • Nióbium (Nb, század %): acél rugalmasságát növeli • N, S, P: káros ötvözőanyagok, acélt törékennyé teszik

8. Minneapolis városháza (Cu tető) Szervetlen kémia • Réz(Cu): • színesfém, vörös színű (vörösréz) • vegyértékhéj: 4s1 3d10 • vegyületeiben többnyire +2, esetenként +1 oxidációs számú • Kémiai aktivitása kicsi: híg savakban nem, oxidáló savakban oldódik • Nedves levegőn bázisos réz-karbonát (CuCO3) = patina képződik, • mely védi a további korróziótól • Ötvözetek: • - sárgaréz (Cu + Zn). Hamis arany 80 % réz. • - bronz (Cu + Sn): disztárgyak, szobrok, harang • - újezüst=alpakka (Cu + Ni): pénz, evőkészlet • Felhasználás (fentieken felül): • - elektromos vezeték • - CuSO4.5H2O (rézgálic): permetezőszer • Cink (Zn): • Vegyértékhéj: 4s2 3d10→ +2 oxidációs szám vegyületeiben • Felhasználás: korrózióvédelem (horganyzott bádog), galvánelem, ötvözetek

9. Szervetlen kémia • Ezüst: • Természetben elemi állapotban (ritka) és ércásványokban (többnyire szulfidok) • Vegyértékhéj: 5s1 4d10 → oxidációs száma +1 • Klasszikus előállítás: Ag2S + 2NaCl = 2AgCl + Na2S • 2AgCl + 2Hg = 2(AgHg)Cl 2Ag + Hg2Cl2 • Oxidáló savak (salétromsav, tömény kénsav) oldják • Levegőn oxigénnel nem reagál, csak H2S-el → fekete AgS a felületen • Hővezető és fényvisszaverő képessége a fémek között a legjobb → tükör • Felhasználás: ékszerek, étkészletek, egészségügyi műszerek, fertőtlenítő hatás gyógyászat • elektronikai ipar: nyomtatott áramkörök, kapcsolók, Ag-Zn, Ag-Cd gombelemek hevítés

10. Szervetlen kémia • Arany: • Természetben elemi állapotban és ércásvány formájában is előfordul • Vegyértékhéj: 6s1 5d10→ oxidációs száma +1 és +3 • Híg/tömény savak nem oldják. Oldja: királyvíz, folyékony Br, Cl, Hg, alkáli-cianid olvadék • Előállítás: meddő kőzetekből cianidokkal való kioldással lúgos közegben: • 4Au + 8NaCN + O2 +2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH • 2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au • Nem korrodeálódik: ékszer alapanyag és fizetőeszköz (volt) • Ipari felhasználás: elektromos kontaktus, aranyfüsttel bevont egyirányban átlátszó ablakok • Higany: • Cseppfolyós, könnyen párolog (mérgező gőzök) • Természetben ércásvány formájában fordul elő (HgS, vulkáni tevékenység helyein) • Vegyértékhéj: 6s2 5d10 → oxidációs száma +1 és +2 • Fémeket hidegen oldja: amalgám ötvözetek • Felhasználás: hőmérő, barométer, higanygőzlámpa • Ag-, Zn-amalgámok: fogtömés • Hg2Cl2: lineáris molekula Cl-Hg-Hg-Cl • elektrokémiában referenciaelektród

11. Szerves kémiaFontosabb vegyülettípusok • Szénhidrogének: • alifás telített (metán, etán, propán, bután, …) • alifás telítetlen (etén, etin, …) • aromás (benzol, toluol, naftalin) • Oxovegyületek: • hidroxivegyületek (metanol, etanol, fenol) • éterek (dietil-éter) • aldehidek, ketonok (acetaldehid, aceton) • karbonsavak (ecetsav) • észterek • szénhidrátok • Nitrogéntartalmú vegyületek: • aminok (metil-amin, anilin) • aminosavak • amidok • Műanyagok: • természetes alapú műanyagok (kaucsuk) • mesterséges alapú műanyagok (PVC, neylon)

12. Szerves kémiaAlifás telített szénhidrogének • Jellemzők: • Név: alkánok, paraffinok, összegképlet: CnH2n+2 • csak egyszeres (s) kovalens kötéseket tartalmaznak • - nyílt láncú: nincs elágazás (bután) • - elágazó: izobután • - gyűrűs: cikloalkánok, cikloparaffinok (ciklohexán) • Apolárisak, vízzel nem, de egymással elegyenek. Szerves oldószerekben oldódnak • Savakkal, lúgokkal, oxidálószerekkel nem reagálnak. Oxigén jelenlétében hőfelszabadulás • közben elégnek: CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 = nCO2 + (n+1)H2O • Térszerkezet (konformáció): • Az atomok igyekeznek minél távolabb elhelyezkedni egymástól: a szemben levő kötések • 60º-os (torziós) szöget zárnak be: