Kovy

1. Kovy

2. Kovy a jejich vlastnosti • 63 z 83 neradioaktivních prvků • Zařazení na základě fysikálních vlastností: • Kujnost • Tažnost • Vodivost • Tepelná • Elektrická

3. Chemické vlastnosti kovů • Nízká elektronegativita • Obvykle kladné oxidační číslo ve sloučeninách s nekovovými prvky • V solích tvoří vždy kationty

4. Molekulární struktura kovů – kovová vazba • Atomy kovů v kovech obklopeny stejnými, nebo podobnými atomy • Společná vlastnost → schopnost uvolňovat část valenčních elektronů • Struktura: kladně nabité „zbytky atomů“ tvoří statickou mřížku, ve které se volně pohybují uvolněné elektrony • „zbytky atomů“: průměrný počet uvolněných elektronů není celočíselný  nejedná se o ionty • Valenční elektrony vazby současně sdíleny všemi obklopujícími se atomy • Vznik obrovského delokalisovaného vazebného orbitalu • Ve sloučeninách s nekovovými prvky tvoří atomy kovů vazby kovalentní, nebo iontové v závislosti na charakteru vázaného protiatomu

5. Fysikální vlastnosti kovů – kujnost a tažnost • Kujnost = možnost deformování plastickou deformací • Tažnost = schopnost prodlužovat se při tahu (dráty) • Při plastické deformaci se posouvají vrstvy atomů vůči sobě, aniž by se měnilo jejich okolí

6. Fysikální vlastnosti kovů – pevnost a tvrdost • Pevnost - zatížení, jaké unese drát o průměru 1 mm • Tvrdost kovů je závislá na teplotě tání

7. Fysikální vlastnosti kovů – vodivost • Valenční elektrony tvoří tzv. „elektronový plyn“ – oblak snadno pohyblivých elektronů • Přiložení vnějšího napětí má za následek usměrněný tok elektronů – elektrická vodivost • Zahřátí na konci kovu má za následek zvýšení srážek mezi elektrony navzájem – rázy se přenáší energie postupně přes celou délku kovu – tepelná vodivost

8. Fysikální vlastnosti – optické vlastnosti • Volně pohyblivé elektrony snadno absorbují a následně emitují záření • Kovový lesk • Ionty kovů zbarvují charakteristicky plamen

9. Slitiny – ovlivňování vlastností kovů • Elektrická vodivost – lepší u čistých kovů • Topné spirály – odporové slitiny – nichrom (80 % Ni a 20 % Cr); kanthal (80 % Fe, 18 % Cr a 2 % Al) • Oceli – zvýšená tvrdost a pevnost oproti surovému Fe • Mosaz (Cu – Zn) • Dural (Al, Mg + další prvky) – konstrukční materiál pro výrobu dopravních prostředků, nízká teplota tání • Bronz (Cu – Sn) • Titanové slitiny – nejvýhodnější poměr pevnost/hmotnost, letecká a raketová technika

10. Otázky k opakování • Co jsou kovy? • Co je kovová vazba a jak vypadá? • Proč jsou kovy dobře kujné a tažné? • Proč jsou kovy dobře vodivé? • Jakou mají kovy barvu? Které se liší a jak? • Jmenujte dvě slitiny. • Proč se slitiny používají?

11. Výskyt kovů • Ryzí – Au, Ag, Pt, … • Vázané - většina • Rudy: přírodniny vhodné k výrobě kovů • Nejčastěji oxidické a sulfidické • Bohaté: bauxit  40 – 60 % AlO(OH) • Chudé: měděné rudy  1 % CuFeS2 • Hlušina = příměsi rud, balast • Geopolitické souvislosti • Recyklace a tříděný sběr

12. Postup při výrobě kovů

13. Fysikální zpracování rud • Rýžování – Au • Flotace – rudy Cu, Pb a Zn • Magnetická separace – rudy Fe

14. Chemické zpracování rud - bauxit • Bauxit = AlO(OH); Fe2O3 (až 15 %); hlušina • AlO(OH)(s) + NaOH(aq) + H2O(l) Na[Al(OH)4](aq) • Fe2O3 – nerozpustný • Křemičitany – sraženina hlinitokřemičitanů • Zředění  pokles pH: [Al(OH)4]-(aq)  Al(OH)3(s) + OH-(aq) • Žíhání: 2 Al(OH)3(s)  Al2O3(s) + 3 H2O(g) •  základní krok chemické separace = přeměna „kovonosné sloučeniny“ na sloučeninu stabilní v jiné fázi, než složky hlušiny

15. Chemické zpracování rud • Au • 0,0001 % v rudě • 4 Au(s) + 8 CN-(aq) + O2(g) + 2 H2O  4 [Au(CN)2]-(aq) + 4 OH-(aq) • V ČR postup zakázán • Ti • Rutil – TiO2 • TiO2(s) + C(s) + 2 Cl2(g)  TiCl4(g) + CO2(g) • Pražení • 2 ZnS(s) + 3 O2  2 ZnO(s) + 2 SO2(g) • Zn, Cu, Pb, Ni, Fe • Příprava rudy pro redukci kovu uhlíkem 500 °C t

16. Redukce elektrolysou • Výroba elektropositivních kovů • Elektrolysa tavenin (hlavně chloridy) • Na, Mg • Al • Elektrolysa Al2O3 při 950 °C • Přídavek Na3[AlF6] – snižuje teplotu tání Al2O3 (normálně 2 050 °C) • 2 Al2O3(l) 4 Al(l) + 3 O2(g)

17. Elektrolysa Al2O3

18. Redukce uhlíkem – výroba Fe • Redukce uhlíkem za vysokých teplot • Suroviny: • Obohacená železná ruda: Fe2O3, zbytky hlušiny s SiO2 • Koks: uhlík – slouží současně i jako palivo 2 C(s) + O2(g) 2 CO(g) • Vápenec: CaCO3 • Vzduch: předehřátý, vháněný spodem • Hlavní redukovadlo – CO, C pouze v tavící části pece!

19. Redukce uhlíkem – výroba Fe Napište rovnice pro redukci uhlíkem!

20. Redukce uhlíkem – výroba Fe • Struska: • Střední část pece: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) • Reakce se zbytky hlušiny: CaO(s) + SiO2(s)  CaSiO3(l) • Význam: • Brání styku s kyslíkem • Brání reakci s Si

21. Redukce jiným kovem • Redukce hořčíkem: TiCl4(g) + 2 Mg(l) Ti(s) + 2 MgCl2(l) • Redukce hliníkem = aluminothermie: Cr2O3(s) + 2 Al(l)  2 Cr(l) + Al2O3(s) • Obdobně V; Nb; Mn • Redukce v roztoku: 2 [Au(CN)2]-(aq) + Zn(s)  [Zn(CN)4]2-(aq) + 2 Au(s) • Elektrolysou roztoku Ni; Zn; Cd; Ga

22. Rafinace – surové železo a výroba oceli • Surové železo: 4 % C; 2 % Si; P; Mn; S • Princip: oxidace příměsí kyslíkem na oxidy • Plynné – CO, SO2 • Pevné – SiO2, P4O10, MnO2 součást strusky • Rozhodující pro vlastnosti – obsah C • Nástrojová ocel – 1,5 % C • Konstrukční ocel – méně než 0,3 % • Další přísady: • Cr (více než 12 %) – nerezocel

23. Rafinace – surové železo a výroba oceli Siemensova pec Konvertor

24. Rafinace elektrolysou – rafinace mědi

25. CVD – chemical vapor deposition 200 °C 1 300 °C

26. Otázky k opakování • Co je flotace a jaký je její princip? • Jak se vyrábí hliník? • Popište činnost vysoké pece! • Co je struska a jakou má funkci? • Co je aluminothermie a k čemu se používá? • Jak se rafinuje měď? • K čemu jsou dobré anodové kaly? • Popište princip CVD!

27. Koroze kovů a elektrochemie

28. Koroze • Elementární kovy jsou obvykle nestabilní a přeměňují se zpět na částice s kladným oxidačním číslem • Postupná oxidace kovů slučováním s jinými prvky působením okolního prostředí • Obvykle ve vodném prostředí • Soubor procesů, kterými se postupně mění vlastnosti jakýchkoliv materiálů do té míry, že ztrácejí užitnou hodnotu

29. Koroze železa

30. Beketovova řada kovů • Kovy odštěpují valenční elektrony a tvoří kationty • Kovy se liší svojí schopností kationty tvořit • Reaktivnější kovy vytěsňují z roztoku kovy méně reaktivní • Reaktivní kovy snadno korodují – ušlechtilé a neušlechtilé kovy • Ušlechtilé a neušlechtilé kovy se liší svojí reakcí s kyselinami • Beketov – sestavil kovy do řady dle jejich schopnosti vzájemně se redukovat: K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Au • Vodík – výsadní postavení • Kovy vlevo redukují kovy vpravo • Neušlechtilé kovy reagují s kyselinami za vzniku vodíku, snadno korodují • Ušlechtilé kovy s kyselinami nereagují, a nebo pouze za současné redukce kyseliny a vzniku vody – vodík nevzniká. Jsou extrémně stále, korodují pomalu, v přírodě často v ryzí formě Ušlechtilé kovy Neušlechtilé kovy

31. Voltův sloup • Pokud se dva rozdílné kovy vodivě spojí, generuje se elektrické napětí • Alessandro Volta – 1799/1800 – Voltův sloup • Měděné a zinkové destičky proložené papírem nasáklým elektrolytem (vodivou kapalinou)

32. Daniellův článek • John Frederic Daniell – 1836 • Zinková a měděná tyčinka ponořené do svých iontových roztoků (ZnSO4; CuSO4), spojené solným můstkem, který nedovolí průchod iontů

33. Pojmy • Elektroda: vodivý materiál ponořený do příslušného elektrolytu • Anoda: elektroda, na níž dochází k oxidaci • Katoda: elektroda, na níž dochází k redukci • Elektrolyt: vodivý roztok • Poločlánek: elektroda • Článek: kombinace dvou poločlánků, zdroj elektrického napětí

34. Standardní elektrodový potenciál • Schopnost generovat napětí je možné využít pro charakterisaci reaktivity kovů • Standardní elektrodový potenciál • E° • Charakterisuje schopnost atomů daného kovu odštěpovat elektrony za vzniku iontů • Určuje se jako napětí, které je generováno v článku, tvořeném elektrodou kation/kov a vodíkovou elektrodou za standardních podmínek (101,325 kPa, 1 M roztoky) • Tabelován jako dílčí iontová poloreakce, vyjadřující redukční reakci na katodě • Ušlechtilé kovy: • Odštěpují elektrony méně snadno než vodík • Kladný E° • Neušlechtilé kovy: • Odštěpují elektrony snadněji než vodík • Záporný E° Vodíková elektroda: - E° = 0 V

35. Standardní elektrodový potenciál

36. Využití E° pro určení průběhu reakce • Pokud se kovy seřadí dle vzrůstajícího E°, získá se Beketovova řada kovů • Kovy s nižším E° redukují kovy s vyšším E° Ag + Cu(NO3)2 Cu + AgNO3 Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu Mg + NiCl2 MgCl2 + Ni Cr + Al2O3 Cr2O3 + Al

37. Využití E° pro odhad napětí článku • Z rovnic dílčích reakcí se sestaví celková rovnice • E° příslušných poloreakcí se od sebe odečtou • Je-li rozdíl kladný, probíhá reakce zleva doprava • Je-li rozdíl záporný, probíhá reakce opačně • Hodnota rozdílu udává napětí článku • Daniellův článek: • Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+ • DE° = E°(Cu2+ + 2 e- Cu) – E°(Zn2+ + 2 e-  Zn) = 0,34 – (-0,76) = 1,00 V

38. Monočlánek

39. Monočlánek • Spočtěte napětí monočlánku, jsou-li známé E° dílčích poloreakcí: • Zn(OH)2 / Zn Zn(OH)2 + 2e-  Zn + 2 OH- E0 = - 1,246 • MnO2 / Mn2O3 ; 2 MnO2 + 2e- + H2O  Mn2O3 + 2 OH- E0 = + 0,15

40. Olověný akumulátor • Možnost zpětného nabití – obrácení chemického děje dodáním energie • Katoda: houbovité olovo • Anoda: vrstva oxidu olovičitého • Elektrolyt: 38% kyselina sírová • Nenabitý akumulátor – obě elektrody pokryty vrstvou síranu olovnatého

41. Olověný akumulátor • Spočtěte napětí olověného akumulátoru, jsou-li známé E° dílčích poloreakcí:

42. Elektrolysa • fyzikálně-chemický jev, způsobený průchodem elektrického proudu kapalinou, při kterém dochází k chemickým změnám na elektrodách • Při elektrolyse putují kationty elektrolytu ke katodě, kde jsou redukovány a anionty putují k anodě, kde jsou oxidovány • Využití: • Výroba chlóru • Rozklad různých chemických látek (elektrolýza vody) • Elektrometalurgie - výroba čistých kovů (hliník) – viz presentace 01 Kovy • Elektrolytické čištění kovů - rafinace (měď, zinek, nikl) – viz presentace 01 Kovy • Galvanické pokovování (chromování, niklování, zlacení) - pokrývání předmětů vrstvou kovu • Galvanoplastika - kovové obtisky předmětů, např. pro výrobu odlévacích forem • Galvanické leptání - kovová elektroda se v některých místech pokryje nevodivou vrstvou, nepokrytá část se průchodem proudu elektrolytem vyleptá • Polarografie - určování chemického složení látky pomocí změn elektrického proudu procházejícího roztokem zkoumané látky • Akumulátory - nabíjení chemického zdroje elektrického napětí průchodem elektrického proudu • Epilace - metoda jak permanentně odstranit chloupky na těle

43. Elektrolysa solanky • Elektrolytem vodný roztok NaCl (kuchyňská sůl) –disociován na Na+ a Cl− • Elektrody např. uhlíkové, železné • Elektrické napětí mezi elektrodami usměrní pohyb Na+ ke katodě, ze které si iont H+ vezme elektron a změní se na elektricky neutrální částici - atom vodíku H, který se sloučí s jiným atomem vodíku za vzniku molekuly H2 • Záporné ionty Cl− jsou přitahovány k anodě, které odevzdají svůj přebytečný elektron, a po dvou se sloučí do elektricky neutrální molekuly chloru Cl2 • Na záporné elektrodě se z roztoku nevylučuje pevný sodík (to by se stalo v tavenině – viz výroba sodíku), ale probíhá zde redukce vodíku • Sodíkové kationty zůstávají v roztoku spolu s hydroxidovými anionty - jedná se o výrobu hydroxidu sodného.

44. Elektrolysa vody • Elektrolyt roztok H2SO4 ve vodě • Elektrody z platiny (nereaguje s H2SO4) • Disociací H2SO4 vznikají v roztoku H+ a záporné ionty SO42− • Kationty vodíku se pohybují ke katodě, od které přijímají elektron a slučují se do molekuly vodíku H2. • Anionty SO42− se pohybují ke kladné elektrodě, které odevzdají své přebytečné elektrony a elektricky neutrální molekula SO4 okamžitě reaguje s vodou za vzniku H2SO4 a molekuly kyslíku O2 • U katody se vylučuje z roztoku vodík, u anody se vylučuje kyslík, počet molekul kyseliny sírové H2SO4 se nemění  ubývá molekul H2O  koncentrace roztoku se zvyšuje • Hofmanův přístroj. • Energetická účinnost elektrolýzy vody (získaná chemická energie/dodaná elektrická energie) dosahuje v praxi 60-70%. Navrhněte rovnice!

45. Faradayovy zákony • 1. zákon: „Hmotnost látky vyloučené na elektrodě závisí přímo úměrně na elektrickém proudu, procházejícím elektrolytem, a na čase, po který elektrický proud procházel.“ • 2. zákon: „Látková množství vyloučená stejným nábojem jsou pro všechny látky chemicky ekvivalentní, neboli elektrochemický ekvivalent A závisí přímo úměrně na molární hmotnosti látky.“ m … hmotnost vyloučené látky [g] A … elektrochemický ekvivalent [g/C] I … proud [A] t … čas [s] Q … náboj [C] M … molární hmotnost vyloučené látky [g/mol] F … Faradayova konstanta [9,6481×104 C.mol−1] z … počet elektronů potřebných pro průběh redukce

46. Příklad 1 • Vypočítejte, kolik mědi se vyloučilo na katodě při rafinaci surové mědi, pokud elektrolysa probíhala po dobu 1,5 h a elektrolytem tekl proud 2 A. tabulky konstanta – 9,6481×104 Cu2+ + 2 e- Cu0

47. Příklad 2 • Kolik chromu se vyloučí na povrch elektrody při galvanickém pokovování v roztoku kyseliny chromové, pokud elektrolysa bude probíhat po dobu 24 h a bude použit proud o velikosti 2,5 A

48. Zástupci kovů, jejich vlastnosti a použití

49. Alkalické kovy • Prvky skupiny I.A • Li, Na, K, Rb, Cs, Fr • Valenční konfigurace ns1 • Elementární kovy odevzdávají 1 elektron a přechází na oxidační číslo +I • Obecné vlastnosti: • Nízká elektronegativita • Nízké teploty tání a varu • Malá hustota • Měkké (lze je krájet nožem) • Velmi reaktivní – všechny reagují s vodou podle rovnice:

50. Lithium – Li • Přídavek do slitin s hliníkem – součástky letadel (extremně nízká hustota) • Výroba akumulátorových baterií s dlouhou životností • Použití v organické synthese