Chemie nepřechodných kovů ve 13. a 14. skupině a jejich vlastnosti

Hliník (aluminium) Al

• Nepřechodný kov, III. A (13) skupina, p¹ prvky
• konfigurace valenční vrstvy: 3s² 3p¹ → 3 valenční e^–
• Oxidační čísla: 0, III

1.      Výskyt

• 3 nejrozšířenější prvek v zemské kůře (po O a Si)
• Pouze vázaný – hlinitokřemičitany (živce a slídy)

korund Al₂O₃ – velmi tvrdý nerost (stupeň 9), používaný jako brusivo
ušlechtilé formy: rubín

bauxit Al₂O₃ . n H₂O (obsahuje i další látky SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂)

kryolit Na₃[AlF₆] kromě přírodního výskytu se i vyrábí

smirek Al₂O₃ . Fe₃O₄

2.      Vlastnosti

• Fyzikální:
  • Stříbrolesklý, lehký, měkký kov
  • Kujný, tažný, slévatelný
  • Výborný vodič tepla a el. Proudu
• Chemické:
  • Odolný vůči korozi – na povrchu se vytvoří souvislá vrstva Al₂O₃ (umělé zesílení této vrstvy anodickou oxidací = eloxování)

3.      Reaktivita

• Al prach po zapálení shoří na Al₂O₃ (silně exotermická reakce)
• Amfoterní chování:
  v kyselinách vznikají hlinité soli:
  2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂↑v 8 hydroxidů vznikají hydroxohlinitany:
  2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂↑

 

4.      Výroba – elektrolýza taveniny Al₂O₃

–          1. fáze – výroba čistého Al₂O₃

• Surovina: bauxit (= Al₂O₃ . nH₂O + SiO₂ + TiO₂ + Fe₂O₃)
• Bauxit se louží v autoklávu (↑p) v 8NaOH za vzniku rozpustného hlinitanu:
  Al₂O₃ . nH₂O + NaOH → 2 NaAlO₂ + (n+1) H₂O

 

• Roztok hlinitanu se ředí, chladí a očkuje Al(OH)₃:
  NaAlO₂ + H₂O NaOH + Al(OH)₃

do pece → rozklad na H₂O a čistý Al₂O₃

 

zpět do výroby

–          2. fáze – elektrolytický rozklad Al₂O₃ v tavenině s kryolitem Na₃[AlF₆]

• Kryolit je tavidlo, které snižuje t_t z 2000°C na 950°C
• V tavicí směsi je 18% Al₂O₃ a 82% Na₃[AlF₆]
• Při elektrolýze vznikají jedovaté sloučeniny fluoru a prach

 

Disociace: Al₂O₃ → Al³⁺ + AlO₃^3-

Katoda: Al³⁺ + 3e^– → Al

Anoda: 4 AlO₃^3- → 2 Al₂O₃ + 6 O₂

Grafitové anody kyslíkem vyhořívají a po cca 28 dnech se vyměňují

Na 1t vyrobeného Al potřebujeme 2t Al₂O₃, tj. asi 4,5t bauxitu

 

5.      Užití

• Redukční činidlo při výrobě některých kovů z jejich oxidů = aluminotermie
  př. Cr₂O₃ + 2 Al Al₂O₃ + 2Cr
  obdobně Mn, V, Mo z těžkotavitelných rud
• Lehké slitiny – dural = Al + Mg, Cu (+ Zn, Mn)
  sportovní potřeby, letecký a automobilový průmysl
• Vodič elektrického proudu – náhrada Cu v elektrotechnice
• Nádobí a příbory – nemělo by se používat na kyselé potraviny → reakce → možná zdravotní rizika
• Alobal – tenká Al folie
• Alitování = antikorozní ochrana (jiný kov se obalí v Al prachu a vyžíhá)

6.      Sloučeniny

–          Al₂O₃

• Technický korund – lešticí prášek na kovy, brusné materiály (vyrábí se i uměle)
• Barevné formy (safír, rubín) – šperkařství

–          Al(OH)₃

• Nerozpustný ve vodě

amfoterní charakter

V kyselinách: 2 Al(OH)₃ + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O

• Vzásadách: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]
• Je obsažen v léku Gastrogel (při překyselení žaludku)

–          (CH₃COO)₃Al – octan hlinitý

• Na otoky a zhmožděniny

–          Kamenec KAl(SO₄)₂ . 12H₂O

• Podvojné sírany (Chomutov – Kamencové jezero)
• Použití v barvířství, při moření kůží, při klížení papíru

 

Keramický průmysl

Hrubá keramika

–          Cihlářské zboží

• Hrubozrnný, barevný střep

(střep = základní hmota keramického výrobku)

• Keramika pro stavební účely (cihly, střešní tašky, kanalizační roury)
• Cihlářské hlíny a jíly + ostřivo (např. některé strusky)

–          Žáruvzdorné zboží

• Vyzdívky topenišť
• Šamot (pálený jíl)

Jemná keramika

–          Porcelán

• Bílý, slinutý střep
• Základní surovina = kaolín

kaolinit Al₂Si₂O₅(OH)₄

hlinitokřemičitany

křemen

• Postup výroby:
  • Vše se jemně rozemele + voda → plastická tvárná hmota
  • Tvarování → pálení v pecích (biskvit)
  • Glazurování → další vypálení
• Historie:
  • První výroba v Číně asi od 7. st. př. n. l.
  • V Evropě první úspěchy až 1708 v Míšni
• Výrobky:
  • Nádobí, sanitární keramika, obkladačky, …

–          Keramika

• Má nižší podíl kaolínu a pórovitější střep
• Příklady: majolika, terakota, fajáns, …

Germanium Ge, Cín Sn, Olovo Pb

• Sn a Pb nepřechodné kovy, Ge polokov, IV. A (14) skupina, p² prvky
• konfigurace valenční vrstvy: ns² np² → 4 valenční e^–
• Oxidační čísla: II, IV (s rostoucím Z roste stálost II a klesá stálost IV)

Germanium Ge

1.      Výskyt

• Pouze vázaně, velmi vzácné nerosty, doprovází rudy zinku a stříbra
• Stopově je obsažen v ložiscích uhlí

2.      Vlastnosti

• Šedý lesklý, křehký polokov

3.      Výroba

• Z elektrárenského uhelného popílku přetavením

4.      Užití

• Polovodič – počítačové čipy (spolu s Si)
• Přísada do optických vláken – zvyšuje index lomu

Cín (Stannum) Sn

1.      Výskyt

• Kasiterit (cínovec) SnO₂

2.      Vlastnosti

• stříbrobílý, lesklý, měkký kov, t_t = 232°C
• kujný, tažný, slévatelný, válcovatelný
• odolný vůči vodě, vzduchu a zředěným kyselinám a zásadám
• 2 alotropické modifikace: α (bílý cín) – kov
  β (šedý cín) – nekov
• Při dlouhodobém působení teplot < 13,2°C přechází bílý cín na šedý → nestálá struktura → rozpad = „cínový mor“

3.      Reaktivita

• Amfoterní charakter, s kyselinami reaguje na soli cínaté s hydroxidy na hydroxocíničitany

4.      Užití

• Pocínování Fe plechů = protikorozní ochrana (dříve vnitřek konzerv)
• Cínová folie = staniol
• Slitiny: pájky (Sn + Pb) cca 60% cínu, bronz (Sn + Cu),
  varhanářské slitiny (Pb + Sn) < 5% cínu
• Výroba tabulového skla (lije se na vrstvu roztaveného cínu)

5.      Sloučeniny

Oxidy – SnO, SnO₂ = amfoterní charakter

SnO₂ – bílý prášek, používaný pro výrobu mléčného skla, smaltu nebo k leštění

Halogenidy – SnX₂ – iontové sloučeniny

SnX₄ – kovalentní sloučeniny

Olovo (Plumbum) Pb

1.      Výskyt

• Galenit – PbS

2.      Vlastnosti

• Na čerstvém řezu stříbrolesklý s nádechem do modra, po chvíli šedne
• Těžký, měkký (píše na papír), slévatelný, válcovatelný
• Málo pevný, špatný vodič
• Rozpustné sloučeniny Pb jsou jedovaté

3.      Výroba

• Pražně-redukční pochod:
  2 PbS + 3 O₂ 2 PbO + 2 SO₂

 

2 PbO + PbS 3 Pb + SO₂                       PbO + C Pb + CO

4.      Užití

• Olověné akumulátory do aut
• Pájky
• Ochrana proti RTG a radioaktivnímu záření
• Dříve výroba tetraethylolova (= antidetonační přísada do benzínu)
• Ochrana elektrických kabelů
• Vitrážová okna historických budov

5.      Sloučeniny

Oxidy:                PbO – do olovnatého skla
PbO₂ – oxidační činidlo (pyrotechnika)
Pb₃O₄ – suřík = minium, oranžovočervený pigment (antikorozní nátěry)

PbCrO₄              chromová žluť (pigment)

Pb(OH)₂ . 2PbCO₃ – olovnatá běloba (působením H₂S černá, vzniká PbS)

Pb(NO₃)₂          dobře rozpustný ve vodě