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 tt 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+ + AlO33-
Katoda: Al3+ + 3e– → Al
Anoda: 4 AlO33- → 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
|
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, tt = 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