Všeobecná charakteristika d prvkov

Všeobecná charakteristika d prvkov

Elektrónová konfigurácians^0-2 (n-1)d^1-10, kde n je hlavné kvantové číslo, teda číslo periódy, v ktorej sa daný d prvok nachádza. Nadobúda hodnoty 4 až 7.

Napríklad:

₂₉Cu: 4 s¹ 3d ¹⁰ - výnimka v 4s orbitáli je jeden elektrón

₃₀Zn: 4s² 3d¹⁰

₂₄Cr: 4s¹ 3d⁵ - výnimka v 4s orbitáli je jeden elektrón

Charakteritické vlastnosti d prvkov

D-prvky sa v PSP nachádzajú v I.B. – VIII.B skupine, medzi s a p prvkami. Nachádzajú sa v 4. až 6. perióde. Všetky d prvky sú kovy. Podľa výskytu rozlišujeme:

D prvky sú kovy, pevné – okrem kvapalnej ortuti Hg. Na kovovej väzbe sa podieľajú elektróny d orbitálov, majú vysokú hustotu, vysokú teplotu topenia a teplotu varu, sú tvrdé a vzájomne tvoria zliatiny.

Sú dobrými elektrickými a tepelnými vodičmi. Sú kujné a ťažné. Lesklé, nepriehľadné. Atómové polomery d prvkov sú menšie ako u s prvkov tej istej periódy. Majú nízku elektronegativitu. Majú väčšinou kladné oxidačné čísla = +I až +VIII. Často tvoria koordinačné zlúčeniny.

D-prvky majú veľmi blízke energie hladín orbitálov na valenčnej vrstve, čo umožňuje ľahký prechod elektrónov medzi hladinami. Ióny a zlúčeniny d prvkov sú farebné. Farebnosť je spôsobená tým, že pohltením svetla prechádzajú elektróny z d orbitálov do susedných. Atóm príjme energiu zo slnka (svetlo), niektoré farby pohltí (preto tá farebnosť) a elektrón preskočí na vyššiu hladinu; následne zase preskočí nižšie, aby sa stabilizoval a atóm prebytočnú energiu vyžiari. Výnimku tvoria Cu⁺, Zn²⁺, Ag⁺, ktoré sú bezfarebné (majú úplne zaplnené d orbitály) a tiež aj Sc³⁺, ktorý d orbitály nemá zaplnené.

Zn, Cd, Hg sú koncové členy prechodových sérii

- majú úplne zaplnené d- a s-orbitály

- majú odlišné vlastnosti ako ostatné d-prvky kvôli ich konfigurácii

- ich elektróny sa málo podieľajú na kovovej väzbe

- sú mäkké, majú nízku teplotu topenia, Hg má teplotu topenia -38,9°C.

Farebnosť iónov:

V²⁺ - fialový V³⁺ - zelený

Cr²⁺ - modrý Cr³⁺ - zelený Cr⁴⁺ - oranžový

Mg²⁺ - ružový Mg³⁺ - červenohnedý Mg⁷⁺ - fialový

Fe²⁺ - zelený

Cu²⁺ - modrý

Výroba

1. Redukcia

 Vyrábajú sa redukčným spôsobom z oxidov kovov. Redukovadlami sú C, Co,Mg,Al,H₂

Mⁿ⁺ + ne^- → M

Napríklad:

ZnO + C →Zn + CO

Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

1. Elektrolýza

Pripravujú sa elektrolýzou vodného roztoku alebo taveniny. Najviac sa vyrába Zn, Cu, Ni, Cr.

- katióny kovov sa vylučujú na katóde, zvyšné anióny na anóde

1. Sulfidy sa pražením menia na oxidy a z nich sa redukciou pripravuje príslušný kov

2ZnS + 3O₂ → 2 ZnO + 2SO₂

ZnO + C → Zn + CO

Využitie

Najviac sa z d prvkov využíva železo Fe, pridaním Ni, Co, Cr, Mo sa získavajú špeciálne ocele. Cu – využíva sa v elektrotechnike.

Cu, Ag – na výrobu mincí

Pt, Pa – ako katalyzátory

Au, Pt – v klenotníctve

Ti – ľahký odolný kov voči korózii, pevný

Vlastnosti zlúčenín d prvkov

Atómy väčšiny prechodných prvkov majú v zlúčeninách rozličné oxidačné čísla.

Najväčšie oxidačné čísla majú atómy prvkov v zlúčeninách s F a O₂ , najnižšie oxidačné čísla majú atómy d pvkov v zlúčeninách s atómom s menšou elektronegativitou. S rastúcim oxidačným číslom atómu kovu rastie kovalentná povaha väzby a s rastúcim oxidačným číslom atómu kovu sa v kyslíkatých zlúčeninách zosilňujú kyselinotvorné vlastnosti a zoslabujú sa zásadotvorné vlastnosti. Napríklad: Mn^II(OH)₂ – zásadotvorný s nízkym oxidačným číslom a HMn^VIIIO₄ – kyselinotvorný s vysokým oxidačným číslom.

Závislosť acidobázických vlastností zlúčenín prechodných kovov od oxidačného čísla príslušného kovu M je nasledujúca:

Prvky skupiny železa – triáda železa

Triádu železa tvoria prvky 4. periódy a 8., 9., 10. (VIII B) skupiny, patria medzi neušľachtilé kovy

Železo – Fe lat. Ferrum

Nikel – Ni lat. Niccolum

Kobalt – Co lat. Cobaltum

Výskyt

Železo:

Fe₂O₃ – hematit (krveľ)

Fe₃O₄ – magnetit (magnetovec)

FeCO₃ – siderit,

FeS₂  - pyrit

Kobalt – CoAsS – kobaltín

Nikel – sulfidové rudy, meteority

Použitie

Fe – zložka ocele, konštrukčný materiál, súčasť strojov

Co – pri výrobe ocele, ako katalyzátor

Ni – súčasť zliatin, používa sa na galvanické pokovovanie proti korózii, ako katalyzátor.

Výroba ocele a železa

Železo sa získava ťažbou z minerálov a ich spracovaním vo vysokej peci. Vyrába sa priamou redukciou svojich kyslíkatých rúd.

Vysoká pec sa zhora plní rudou, koksom a vápencom – troskotvorná prísada (ak je ruda kyslá, tak zásaditý vápenec, ak je zásaditá, tak kyslý kremenný piesok). Do spodnej časti pece sa vháňa horúci vzduch, ktorý sa redukuje koksom na CO. Koks a CO redukuje z rudy surové železo, ktoré sa taví a hromadí v spodnej časti vysokej pece. Roztavená troska je ochrana železa pred spätnou oxidáciou.

Vo vysokej peci prebieha:

Priama redukcia uhlíkom (ktorý sa tam nachádza vo forme koksu ako paliva)

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

1. Nepriama redukcia oxidom uhoľnatým. Oxid uhoľnatý vzniká pri spaľovaní koksu za nedostatočného prístupu vzduchu.

3Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO

FeO + CO → Fe + CO₂

Oxid uhličitý CO₂ sa koksom redukuje späť na CO. Železo a troska sa vypúšťajú v kanáloch na spodku pece. Surové železo obsahuje uhlík a je tvrdé, nie je kujné, krehké. Jeho skujňovaním sa vyrába oceľ.

Výroba ocele

Po tom ako železo zbavíme všetkých nečistôt a škodlivých uhlíkových prímesí sa skujňovaním železa vyrobí oceľ. Kalením – vniká takzvaná kalená oceľ – je tvrdá a krehká. Popúšťaním – odstraňuje sa krehkosť, tvrdosť ocele je uchovaná.

Druhy ocele

1. Nerezová oceľ– Fe (80,6%), Cr (18%), C (0,4%), Ni (1%) – používa sa v potravinárstve, pri výrobe chirurgických nástrojov 
2. Vanádová oceľ– Fe (98%), V (1%), C (1%) – využíva sa v automobilovom priemysle 
3. Pružinová oceľ– Fe (98,6%), Cr (1%), C (0,4%) – na výrobu pružín, žiletiek, v klenotníctve. 

Železo

- patrí ku kovom triády železa (Fe, Ni, Co)

- tvrdý čiernosivý kov, v čistom stave je striebrobiele a mäkké

- je to 4. najrozšírenejší prvok zemskej kôry, je ho v nej 5, 1%

- spolu s niklom tvorí jadro Zeme

- je to neušľachtilý (rozpúšťa sa v kyselinách za vzniku vodíka) a feromagnetický kov – to znamená , že zosilňuje magnetické pole

- pri styku s vlhkým vzduchom koroduje – rozpúšťa sa vo vode za uvoľnenia vodíka:

Fe + H₂O + O₂ → Fe₂O₃.nH₂O – hrdza (hydratovaný oxid železitý)

- proti korózii sa železo chráni galvanizáciou, napr. poniklovaním, pozinkovaním

- Železo sa vyskytuje s oxidačným stupňom +II alebo +III

- Väzby sú najčastejšie kovalentné

- Železo sa rozpúšťa v zriedených kyselinách, napríklad v kyseline sírovej, v kyseline dusičnej

Zlúčeniny železa, niklu a kobaltu

Fe(OH)₃ – hnedá zrazenina, ktorá vzniká na vzduchu z Fe(OH)₂ - to je biela zrazenina.

Co(OH)₂ – modrá zrazenina, Ni(OH)₂ – svetlozelená zrazenina.

FeCl₃ – tvoria ho hnedožlté kryštáliky, používa sa na zastavenie krvácania.

FeS, CoS, NiS – čierne zrazeniny, nerozpustné vo vode.

FeS₂ – disulfid železa – pyrit – používa sa na výrobu oxidu siričitého.

FeO – čierna práškovitá látka, Fe₂O₃ – červená látka, ktorá sa používa ako pigment.

Fe₃O₄ – podvojný oxid železnato-železitý

CoO – olivovozelená látka, NiO – zelená látka, ktorá sa používa na farbenie skla.

FeSO₄.7H₂O – zelená skalica, používa sa na výrobu pigmentov.

K₄[Fe(CN)₆] – žltá krvná soľ. Je jedovatá. Používa sa pri výrobe cementu a výbušnín, pri výrobe farbív.

K₃[Fe(CN)₂] – červená krvná soľ – jedovatá. Používa sa na výrobu farbív, v analytickej chémii.

- Železo je súčasťou hemoglobínu.

Prvky skupiny medi

Prvky jedenástej skupiny (I.B), tieto kovy patria medzi ušľachtilé kovy.

Meď – Cu lat. Cuprum

Striebro – Ag lat. Argentum

Zlato – Au lat. Aurum

Výskyt

V zemskej kôre sa nachádzajú ako rýdze

V zlúčeninách: chalkopyrit CuFeS, kuprit Cu₂O, argentit Ag₂S, sylvanit (telurid zlata a striebra)

Vlastnosti a reakcie prvkov skupiny med:

Sú ťažné, kujné, vysoko tepelné aj elektricky vodivé 

Meď má sfarbenie do červena, striebro do biela, zlato do žlta

Oxidačné čísla majú I, II,III zlato až V

Sú pomerne stále

Reaktivita klesá so stúpajúcim protónovým číslom Z

Rozpustné v roztokoch látok so silnými oxidačnými účinkami, zlato iba v lúčavke kráľovskej

Lúčavka kráľovská je zmes HNO₃ a HCl v pomere 1:3

Meď sa na vzduchu pokrýva tenkou vrstvičkou zelenej medenky, je súčasťou enzýmov, patrí medzi stopové biogénne prvky.

Výroba 

Cu – pražením chalkopyritu, čistenie prebieha elektrolyticky

Ag – získava sa z rúd odlučovaním – vháňaním kyslíka do taveniny

Au – kyanidovým spôsobom – ide o redukciu neušľachtilým kovom z kyanozlatných komplexov.

Použitie

Au – klenotníctvo, 100% zlato má 24 karátov, pozlacovanie, zubné lekárstvo, krytie meny

Ag – výroba fotografických materiálov, šperkov, v elektrotechnike, v medicíne – koloidné striebro má baktericídne účinky.

Cu – v elektrotechnike, výroba katalyzátorov, zliatin – bronz (90% Cu + 10% Sn), mosadz (70% Cu + 30% Zn)

Zlúčeniny

Cu₂S – sulfid meďný – vzniká priamou redukciou prvkov,

CuS – sulfid meďnatý – má čiernu farbu, vo vode sa nerozpúšťa

Ag₂S – čierny, je to produkt reakcie Ag s H₂S.

AgBr – bromid strieborný - bledožltá látka citlivá na svetlo, čo sa využíva pri procese fotografovania.

Cu₂O – oxid meďný – červený prášok, nerozpustný vo vode, používa sa na farbenie skla – do červena.

CuO – oxid meďnatý – čierna farba, nerozpustný vo vode, sklo odfarbuje do zelena

Ag₂O – oxid strieborný – hnedá farba, vo vode nerozpustný, zásaditý.

CuSO₄ . 5H₂O – Modrá skalica – pripravuje sa reakciou Cu s H₂SO₄. Používa sa na ničenie plesní a galvanické pokovovanie. Po vyžíhaní a vyparení vody sa z nej stáva biela látka, ktorá je hygroskopická.

AgNO₃ Lapis – bezfarebná látka, vo vode dobre rozpustná, používa sa pri výrobe zlúčenín Ag a pri liečbe kožných chorôb.

Prvky skupiny zinku 

Prvky skupiny zinku sa nachádzajú v II.B skupine, patria medzi prechodné prvky (d-prvky).

Neušľachtilé kovy – zinok (lat. zincum) a kadmium (lat. cadmium)

Ušľachtilé kovy – ortuť (lat. hydrargyrum)

Ortuť sa rozpúšťa iba v oxidujúcich kyselinách. Zinok a kadmium reagujú s neoxidujúcimi kyselinami za vývoja vodíka.

Výskyt

Zinok sa v prírode vyskytuje vo forme kremičitanov alebo sulfidov, napríklad: ZnS – sfalerit.

Kadmium sa nachádza v rudách spolu so zinkom. Ortuť sa v prírode zriedkavo vyskytuje rýdza.

Vlastnosti a chemické reakcie

Prvky skupiny zinku sú striebrolesklé kovy, ktoré majú nízku teplotu topenia. Zinok je pri normálnych podmienkach krehký, pri teplote 100 -150°C sa stáva kujným a ťažným. Na vzduchu oxiduje a pokrýva sa tenkou vrstvou oxidov.

Kadmium je mäkší kov a ťažnejší ako zinok, jeho zlúčeniny sú prudko jedovaté a podobne ako zinok na vzduchu oxiduje a pokrýva sa tenkou vrstvou oxidov.

Ortuť je pri normálnych podmienkach kvapalná látka, ktorej pary sú jedovaté. Je odolná voči vzdušnému kyslíku. Charakteristickým oxidačným číslom prvkov skupiny zinku je II, pri ortuti je to aj oxidačný stupeň I.

Zinok je neušľachtilý kov. V neoxidujúcich kyselinách alebo v zriedených roztokoch oxidujúcich kyselín sa rozpúšťa za vzniku vodíka:

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

V koncentrovaných roztokoch oxidujúcich kyselín prebieha jeho rozpúšťanie bez vzniku vodíka.

Zn + 2 H₂SO₄ → ZnSO₄ + SO₂ + 2 H₂O

Zinok a kadmium tvoria okrem iného aj koordinačné zlúčeniny, pričom koordinačné zlúčeniny kadmia sú stabilnejšie.

Výroba

Zinok vyrábame pražením sfaleritu. Najprv takto získame ZnO, ktorý redukujeme uhlíkom na zinok. Zinok môžeme vyrobiť aj elektrolýzou. Podobne aj kadmium vyrábame elektrolýzou a ortuť z rumelky (HgS) pražením alebo reakciou so železom.

Použitie

Zinok sa používa predovšetkým na výrobu zliatin (mosadz), na pokovovanie a ako redukčné činidlo.

Kadmium, podobne ako zinok na pokovovanie (chráni pred koróziou – autá, lietadlá a stroje) alebo pri výrobe akumulátorov.

Ortuť sa využíva ako náplň do teplomerov, na výrobu ortuťových lámp, katód, na prípravu liečiv a na prípravu amalgámov. (Amalgámy sú zliatiny ortuti a iného kovu, napríklad Ag – striebra, Au – zlata, Cu - medi).

Zlúčeniny prvkov skupiny zinku

Prvky skupiny zinku tvoria viaceré zlúčeniny, napríklad sulfidy, halogenidy, oxidy, hydroxidy alebo soli.

ZnS – sulfid zinočnatý, amorfná látka bielej farby, ktorá sa používa na výrobu farieb. Je vo vode nerozpustný.

CdS (Kadmiová žlť) - je to prášok žltej farby, ktorý sa dobre rozpúšťa vo vode. Používa sa ako maliarska farba.

HgS (Rumelka) – dôležitá ortuťnatá ruda.

ZnCl₂ – chlorid zinočnatý, prášok bielej farby, zrnitý. Rozpúšťa sa vo vode, vodný roztok je kyslý. Je tiež významný katalyzátor (výroba metanolu),

ZnF₂ – fluorid zinočnatý, je vo vode nerozpustný.

Hg₂Cl₂ – (Kalomel) – využíva sa v oblasti medicíny na výrobu laxatív a na výrobu elektród.

HgCl₂ – prudko jedovatá látka

ZnO – biela kryštalická látka, používa sa ako farbivo – zinková bieloba. Biely oxid zinočnatý vzniká spaľovaním zinku alebo dehydratáciou bieleho Zn(OH)₂. ZnO je amfotérna látka. Používa sa vo farmaceutickom priemysle, pri výrobe mliečneho skla, špeciálneho papiera, v kozmetike a ako biely pigment.

Zn(OH)₂ – hydroxid zinočnatý - biela amfotérna zrazenina.

ZnO a Zn(OH)₂ sa rozpúšťajú v kyselinách na soli zinočnaté, v roztokoch hydroxidov alkalických kovov vytvárajú tetrahydroxozinočnatany.

ZnO + 2 KOH + H₂O → K₂[Zn(OH)₄]

K₂[Zn(OH)₄] – tetrahydroxozinočnatan didraselný

Väčšina zinočnatých solí je vo vode rozpustná.

ZnSO₄ . 7H₂O – takzvaná biela skalica. Je to kryštalická látka. Používa sa na prípravu zlúčenín zinku.

Korózia je samovoľné, postupné rozrušenie (poškodzovanie, znehodnocovanie) kovov alebo nekovových organických alebo anorganických materiálov (napr. horniny či plastu) vplyvom chemickej, elektrochemickej či biochemickej reakcie s okolitým prostredím. V užšom zmysle sa korózia týka len kovových materiálov. Najznámejšia forma korózie je hrdzavenie.

Korózia môže prebiehať v atmosfére alebo iných plynoch, vo vode a iných kvapalinách, zeminách a rôznych chemických látkach, ktoré sú s materiálom v styku. Toto rozrušovanie sa môže prejavovať rozlične, od zmeny vzhľadu až po úplný rozpad celistvosti. Výsledkom korózie je úbytok materiálu, čo má za následok zníženie pevnosti danej súčiastky a zhoršenie jej vlastností.

Amalgám je zliatina ortuti s iným kovom. Často sa používa v zubnom lekárstve. Je najlepšie prevereným a osvedčeným definitívnym výplňovým materiálom. V zubnom lekárstve sa používa už viac ako 150 rokov.