Fémek

1. Fémek

2. A fémek fizikai tulajdonságai I • Nagyméretű atomok • Kevés és lazán kötött vegyértékelektron • A fémrácsban a vegyértékelektronok az egész rácsra kiterjedő delokalizált elektronrendszert alkotnak, ezt nevezzük fémes kötésnek • A fémrács háromféle lehet (lapon középpontos kockarács, térben középpontos kockarács, hatszöges rács), befolyásolja a fém megmunkálhatóságát, sűrűségét

3. Fémek fizikai tulajdonságai II • Szürke színűek (kivéve réz és arany) • Általában csillogóak • Szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotúak (kivéve higany) • Többségükben magas olvadáspontúak • Egymás olvadékában általában oldódnak – ötvözetek keletkeznek • Megkülönböztetünk nehéz- és könnyűfémeket, előbbiek sűrűsége 5 g/cm3-nél nagyobb, utóbbiaké kisebb

4. Ötvözetek • A fématomok mérete alapján három típust különböztetünk meg: helyettesítéses, rácsközi és eutektikum • Ötvözés során általában romlik a megmunkálhatóság és a vezetés, más tulajdonságok viszont jelentősen javulhatnak

5. Ötvözetek típusai • Helyettesítéses ötvözet • Ha a két fématom mérete hasonló, az ötvöző fém atomjai véletlenszerűen helyettesítik az ötvözendő fém atomjait a rácsban • Pl. Au-Ag ékszerarany • Rácsközi ötvözet • Ha az ötvöző elem atomjai kicsik, beleférnek az ötvözendő fém kristályrácsainak a hézagaiba • Pl. Fe-C acél • Eutektikum • Ha a két fém a kihűlés során külön kristályosodik, az ötvözetben a két fém kristályainak a keveréke lesz jelen • Pl. Sn-Pb forrasztóón

6. A fémek redukálósora I • A réz-szulfát-oldatba mártott vastárgy vörös színű lesz, felületén kiválik a réz. • A folyamat redoxireakció, a vas elektronokat ad át az oldatban lévő réz-ionoknak (redukálja azt), ennek hatására a réz a vas felszínén kiválik, a vas pedig ion formájában oldatba kerül (oxidálódik). • Hasonló kísérletek alapján készült el a fémek redukálósora

7. A fémek redukálósora II • A sor elején lévő nagy redukálóképességű fémek könnyen adnak le elektronokat (oxidálódnak). • A sor végén lévő kis redukálóképességű fémek nehezen adnak le elektront, viszont könnyen felveszik azokat (redukálódnak) • A redukálósorban minden fém képes elemi fémmé redukálni a tőle JOBBRA lévő, azaz kisebb redukálóképességű fém KATIONJÁT • A redukálósorban megtaláljuk a hidrogént is. A tőle jobbra lévő fémek híg savakból hidrogént fejlesztenek, miközben feloldódnak.

8. Alkálifémek • Lítium, Nátrium, Kálium, Rubídium, Cézium, Francium • A nátriumot és a káliumot petróleum alatt tároljuk, mert a levegő oxigénjével reakcióba lépnek • Színük a friss vágási felületen szürke, csillogó, egyébként oxidréteg borítja őket • Késsel vágható, puha könnyűfémek • A vízzel heves reakcióba lépnek, ld. TK 82.o. • Lángfestésük: a nátrium a lángot sárgára, a kálium fakóibolyára színezi

9. Alkáliföldfémek • Berillium, Magnézium, Kalcium, Stroncium, Bárium, Rádium • A levegő oxigénje hosszú idő alatt eloxidálja őket, ezért jól záró üvegben tároljuk, a magnézium felületén tömör védő oxidréteg alakul ki • A kalcium a vízzel reakcióba lép, hidrogén fejlődik, a magnézium csak meleg vízzel lép reakcióba • A kalcium lángfestése téglavörös, a magnézium nem festi a lángot

10. Alkálifémek és alkáliföldfémek vegyületei

11. Vízkeménység I • A természetes vizek különböző oldott anyagokat tartalmaznak • Az oldott szén-dioxidot tartalmazó esővíz reakcióba lép a mészkővel (kalcium-karbonát), és vízben oldható vegyületté alakítja a következő egyenlet szerint: • CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2 • Az oldható kálcium- és magnéziumvegyületeket tartalmazó vizet kemény víznek nevezzük • Az ilyen víz forralása során az edény falán vízkő marad vissza: • Ca(HCO3)2 = CaCO3+ H2O + CO2

12. Vízkeménység II • A vízkőképződés probléma, mert • Rossz hővezető, így a fűtőszálra rárakódva rontja a melegítés hatékonyságát • Eltömíti a csöveket • A kazánok falára kirakódott réteg megrepedésekor a kazán falával érintkező forró víz gőzzé alakulva robbanást okozhat • A kemény víz mosásra alkalmatlan, mert a szappan részecskéivel oldhatatlan csapadékot képez • A vízkövet különböző savakkal, pl. ecettel, vagy sósavval távolíthatjuk el

13. Vízlágyítás • A vízlágyítás során az oldott kalcium és magnéziumionokat távolítjuk el • Módszerek • Forralás – a kalcium- és a magnézium-hidrogénkarbonátot tudjuk vele eltávolítani. Ez a két vegyület okozza a víz változó keménységét • Kémiai vízlágyítás – a víz állandó keménységét okozó többi kalcium- és magnéziumvegyület csak kémiai módszerekkel távolítható el. Olyan vízlágyító szereket pl. szódát, vagy trisót használnak, amelyek az oldott kalcium-vegyületeket oldhatatlan kalcium-vegyületekké alakítja. Ezeket aztán szűréssel eltávolíthatjuk • Ioncserélő műgyanták – a kalcium- és magnézium-ionokat nátriumra cserélik • Vízdesztillálás

14. Alumínium és vegyületei • Ezüstszürke, alacsony olvadáspontú könnyűfém • Könnyen megmunkálható, a hőt és az elektromos áramot jól vezeti • Felületét vékony, tömör oxidréteg borítja, ami megvédi a korróziótól – ha ez megsérül, reakcióba lép a meleg vízzel, ezért az alumíniumedényeknél erre figyelni kell • Sósavval és nátrium-hidroxid-oldattal is reakcióba lép, amfoter elem • Természetben csak vegyületeiben, pl. korund (Al2O3) vagy drágakövek (zafír, smaragd, rubin), amik a korund szennyezett változatai • Érce a bauxit, előállítása ebből lúgos mosással, majd elektrolízissel történik • Felhasználása: fóliák, vezetékek, építészet, közlekedés, ötvözőanyag

15. Vas és vegyületei I • Ezüstszürke, magas olvadáspontú rugalmatlan nehézfém • Megmunkálhatósága függ a kristályszerkezettől, szobahőmérsékleten nehezen megmunkálható, vörösizzásra hevítve könnyen formázható • Nincs tömör védő oxidrétege, így korrodálódik - rozsdásodás

16. Vas és vegyületei II • A vas sósavban oldódik, de tömény kénsavban nem – ilyenkor kialakul a tömör védő oxidréteg, ezért lehet a tömény kénsavat vastartályban tárolni • Kétféle ionja van: Fe2+ és Fe3+, a Fe2+ a levegő oxigénjének hatására át tud alakulni Fe3+-má • Elemi állapotban a meteoritokban, illetve a Föld magjában található, vegyületeiben gyakori • Előállítása a vasércek szenes redukciójával történik (ld. Film)

17. Réz, ezüst, arany, cink, higany

18. Réz-szulfát • Kék színű, kristályos vegyület • CuSO4x5H2O – kristályvíz, a réz-szulfát rácsába épül be • Hevítés hatására elveszíti kristályvizét, kifehéredik • Felhasználás: mésztejjel keverve permetezésre (bordói lé) • Kicsapja a sejtek fehérjéit, ezért mérgező

19. Szorgalmi ötletek • Fényképezés (nem digitális!!!) • Alkálifémek és alkáliföldfémek vegyületei • Építőanyagaink • Ötvözetek • Ásványok, drágakövek, féldrágakövek • Porcelánkészítés • A fémek szervezetre gyakorolt hatása • Fémek története