METALLID

1. METALLID Martin Saar GAG 2008

2. Vajalikud alateemad • metallide võrdlev iseloomustus • (aatomi ehitus, keemiline aktiivsus, A- ja B-rühmade metallide erinevused elektronide arv väliskihil, oa muutuvus...); • metallid redutseerijana; • metallide keemilised omadused (reageerimine mittemetallidega, veega, lahjendatud hapetega, soolalahustega); • metallid praktikas; • metallide saamine maagist; • elektrolüüsi põhimõte ja kasutusalad; • keemiline vooluallikas (tööpõhimõte, reaktsiooni-võrrandeid nõudmata);

3. 1. Metallidest üldiselt • Metallid on... • koondunud perioodilisussüsteemis alla vasakule • nad hõlmavad esimesed A-rühmad ja B-rühmad. • välisel elektronkihil vähe elektrone (1-3) • aatomiraadius suhteliselt suur • elektronegatiivsus võrdlemisi madal • Keemilistes reaktsioonides vaid redutseerijad • oa ühendites on positiivne

4. 1. Metallidest üldiselt • Metallilised omadused tugevnevad: • Rühmas ülevalt alla • Suureneb elektronkihtide arv ja aatomi raadius • Nõrgeneb side tuuma ja väliskihi elektronide vahel • Perioodis paremalt vasakule • Väheneb tuumalaeng, elektronkihtide arv jääb samaks • Nõrgeneb tuuma mõju väliskihi elektronidele, aatomi raadius suureneb, väliskihi elektronid kaugenevad tuumast.

5. 2. FÜÜSIKALISED OMADUSED Üldised omadused: • Elektri- ja soojusjuhtivus • Plastilisus • Metalne läige Erinevad füüsikalised omadused: • Tihedus • Sulamistemperatuur (tahked, va Hg) • Värvus (hallikad või valged, va Au, Cu) • Magnetiseeritavus (on Fe, Co, Ni)

6. 3. KEEMILISED OMADUSED • Metallid lihtainena käituvad keemilistes reaktsioonides vaid • redutseerijana, • nad loovutavad elektrone, • ise oksüdeerudes. Keemilist aktiivsust iseloomustab pingerida: • kõige aktiivsemad metallid (parimad redutseerijad) on vasakul ja vähemaktiivsemad paremal, • Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe    Ni SnPb H2 Cu Ag Hg Au • sellest tuleb võrrandeid kirjutades lähtuda.

7. 3. KEEMILISED OMADUSED METALL + MITTEMETALL Ühinemisreaktsioon • metall + hapnik  oksiid • 2 Mg + O2 2 MgO • metall + halogeen  halogeniid (sool) • 2 Li + Br2 2 LiBr • metall + väävel  sulfiid (sool) • 2 Na + S  Na2S • Saaduses on: • metall positiivse OAga, • mittemetall negatiivsega (tavaliselt minimaalsega)

8. 3. KEEMILISED OMADUSED METALL + HAPE  SOOL + VESINIK Asendusreaktsioon • Lahjendatud hapetega (va HNO3) reageerivad metallid, mis on pingereas vesinikust vasakul • Ca + 2 HCl CaCl2 +H2 • 3 Ca + 2 H3PO4 Ca3(PO4)2 + 3 H2 • Cu + HCl ei toimu • Raua reageerimisel lahjendatud hapetega tekib raud(II)sool, • sest lahjendatud hape pole liiga tugev oksüdeerija! • Fe + H2SO4  FeSO4 + H2 • Raud passiveerub kontsentreeritud väävelhappe toimel.

9. 3. KEEMILISED OMADUSED METALL + VESI  • Aktiivsed metallid (K-Mg) ehk IA ja IIA al Ca/Mg-st • metall + vesi  leelis + vesinik • Ca + 2 H2O Ca(OH)2 +H2 • 2 K + 2 H2O 2 KOH +H2 • Keskmise aktiivsusega metallid (Al-Fe), nt Zn, Fe • metall + veeaur  oksiid + vesinik • 3 Fe + 4 H2O  Fe3O4 + 4 H2 • Zn + H2O  ZnO + H2 • Väheaktiivsed metallid (Ni-Au) vee ega veeauruga ei reageeri

10. 3. KEEMILISED OMADUSED METALL + SOOLALAHUS  • Aktiivsem metall tõrjub vähemaktiivse tema soolalahusest välja • metall + sool  uus metall + uus sool • Zn + CuCl2  ZnCl2 + Cu • Pb + 2 AgNO3  Pb(NO3)2 + 2 Ag • Leelis- ja leelismuldmetallide korral • toimub enne metalli reaktsioon veega, • selle käigus tekib leelis, • mis reageerib edasi ise soolalahusega. Nt Na + CuSO4  • 2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 • 2 NaOH + CuSO4  Cu(OH)2 + Na2SO4 Summaarselt: 2 Na + 2 H2O+ CuSO4  Cu(OH)2↓ + Na2SO4+ H2

11. 4. METALLIDE SAAMINE • Enamik metalle esineb looduses ühenditena, ehedalt ehk lihtainena on vaid väheaktiivseid metalle. • Maak – kivim (mineraal), kus on metalli looduslikke ühendeid märkimisväärses koguses • Tootmise protsess: • Maagi rikastamine (nt kullaliiva pesemine, tavaliselt maak ka purustatakse) • Redutseerimine: • vesinikuga: CuO + H2 Cu + H2O • koksiga: Fe2O3 + 3 C  2 Fe + 3 CO • koksi põlemisel tekkiva CO-ga: Fe2O3 + 3 CO  2 Fe + 3 CO2 • alumiiniumiga: (aluminotermia): Fe2O3 + 2 Al  2 Fe + Al2O3 • või elektrivooluga – vt elektrolüüs

12. 5. SULAMID • Sulamid on kahe või enama metalli või metalli ja mittemetalli kokkusulatamisel saadud materjalid. • Nende omadused: • Tavaliselt madalam sulamistemperatuur kui koostisosadel (nt jootetina) • Tavaliselt kõvemad ja vastupidavamad kui koostismetallid (duralumiinium) • Olulisi sulameid: • malm, teras, duralumiinium, pronks, messing...

13. 6. SJ ELEKTROKEEMIASSE • Mõned mõtted enne õppima asumist: • Elektroodid on põhimõtteliselt laenguga plaadikesed/pulgakesed • Anoodil toimub alati oksüdeerumine ehk elektronide loovutamine • Katoodil toimub alati redutseerumine ehk elektronide liitmine • Et katoodi ja anoodi määrab ära neil toimuv protsess, siis on nende laengud galvaanielemendis ja elektrolüüsi korral erinevad. Sellest ei tohiks end häirida lasta: nimetus sõltub toimuvast protsessist, st oksüdeerumisest või redutseerumisest.

14. 6. GALVAANIELEMENT Keemilises vooluallikas muundub keemiline energia elektrienergiaks: Eraldame oksüdeerumise ja redutseerumise protsessi erinevatesse ruumiosadesse Suuname elektronid, mis redutseerija loovutab... Elektronide liitjale ehk oksüdeerijale juhet pidi... Tekib vool  keemiline vooluallikas ehk galvaanielement

15. TSINKANOOD VASKKATOOD Aktiivsem metall oksüdeerub ehk loovutab elektrone ehk läheb lahusesse. Oksüdeerumisprotsessi tõttu on ta anood ning talle tekib elektronide liig (negatiivne laeng) Need liigsed elektronide suunatakse edasi katoodile, milleks on vähemaktiivsem metall. Selle pinnal liidavad tema ioonid elektrone ehk redutseeruvad, sadestudes lihtainena. Et seal elektrone ioonide poolt seotakse, on katoodil positiivne laeng. Sarnasel põhimõttel töötavad akud ja patareid.

16. 7. KORROSIOON • Korrosioon on metallide hävimine ümbritseva keskkonna toimel. • Metall on redutseerija rollis: • loovutab elektrone ja oksüdeerub oksüdeerija toimel. • Eristatakse: • Keemiline korrosioon • otsene reaktsioon oksüdeerijaga; • kuivades gaasides kõrgel temperatuuril (nt rauatagi Fe3O4 teke raua pinnal kuivas õhuhapnikus kõrgel temperatuuril) • Elektrokeemiline korrosioon • toimub metalli pinnal olevad elektrolüüdikihis; • neutraalses keskkonnas on oksüdeerija õhuhapnik O2 O2 + 2 H2O + 4 e-  4 OH– • happelises keskkonnas on oksüdeerija vesinikioon H+ 2 H+ + 2 e-  H2

17. 7. KORROSIOON • Korrosiooni soodustab: • oksüdeeruva metalli kokkupuude vähemaktiivsema metalliga või lisandiga: • siis jaotuvad oksüdeerumis- ja redutseerumisprotsessid nii: • aktiivsem metall taas oksüdeerub ehk loovutab elektrone ehk on taas anoodiks (nagu galvaanielemendis) • vähemaktiivsem metall on taas katoodiks, selle pinnal aga ei redutseeru ehk liida elektrone mitte vastavad ioonid, vaid redutseerub nüüd O2 või H+.

18. Raud oksüdeerub ehk on anood (-): Fe – 2e-  Fe2+ • Katoodiks (+) oleva lisandi pinnal redutseerub õhuhapnik: O2 + 2 H2O + 4 e-  4 OH– • Esimeses reaktsioonis vabanevad (“anood”; -) elektronid kanduvad üle lisandile (“katood”; +) • Summaarselt: 2 Fe + O2 + 2 H2O  Fe(OH) 2  rooste Raud – anoodi rollis Lisand (vähemaktiivne metall, mittemetall) katoodiks

19. 7. KORROSIOON Korrosioonikaitse võimalused • Metalli isolatsioon: • värvimine, lakkimine, õlitamine, • vastupidavama metalli kihiga katmine • Elektrokeemiline kaitse – protektorkaitse: • metalli külge pannakse aktiivsema metalli tükk, • mis hakkab anoodina oksüdeeruma põhimetalli asemel • Korrosiooniinhibiitori kasutamine • keemiline aeglustaja, negatiivne katalüsaator

20. Kokkuvõttev mõte • Elektrokeemilises korrosioonis ja töötavas galvaanielemendis on: • kontaktis kaks erineva aktiivsusega metalli (või korrosioonis metall ja mittemetall) • aktiivsem metall oksüdeerub, annab ära elektrone, läheb üle lahusesse (ühendiks) ning on anood. Tal kujuneb elektronide liig ja seetõttu laeng “–”. • Vähemaktiivne metall (või mittemetalne lisand) on aga katood. • Galvaanielemendis toimus tema pinnal vastavate ioonide poolt elektronide liitmine ehk redutseerumine (laeng on katoodil “+”, sest elektronide “puudujääk” selle liitmise tõttu) • Elektrokeemilises korrosioonis liitis tema pinnal elektrone ehk redutseerus oksüdeerijana käituv hapnik või H+.

21. 8. ELEKTROLÜÜS • Elektrolüüs on • redoksreaktsioon, • mis toimub elektrolüüdi lahuses või sulas elektrolüüdis • elektroodide pinnal elektrivoolu toimel, kus elektrienergia muundub keemiliseks energiaks! • Võtame näiteks vask(II)kloriidi CuCl2 vesilahuse • Katioonid (+) liiguvad sedakorda elektronide liiaga katoodile (-): • Seal nad liidavad puuduolevad elektronid ehk redutseeruvad (nagu katoodil ikka!) • Cu2+ + 2 e-  Cu↓ • Anioonid (-) liiguvad elektronide defitsiidiga anoodile (+): • Seal nad loovutavad liigsed elektronid ehk oksüdeeruvad (nagu anoodil ikka!) • 2 Cl– - 2e-  Cl2↑

22. Anoodile (+) liikunud klooriidioonid (anioonid) annavad ära üleolevad elektronid ja lahkuvad lihtainena Cl2. Katoodile (-) liikunud vase katioonid liidavad puuduolevad elektronid ja sadenevad lihtainena!

23. 8. ELEKTROLÜÜS • Aktiivsete metallide katioonide korral redutseerub katoodil hoopis vesi: • 2 H2O + 2 e-  2OH- + H2 • Hapnikhapete anioonide korral oksüdeerub anoodil vesi: • 2 H2O – 4 e-  4 H+ + O2 • Seega leiab nt Na2SO4 elektrolüüsil aset tegelikult vaid vee elektrolüüs: • 2 H2O  2H2 + O2

24. 8. ELEKTROLÜÜS • Elektrolüüsi kasutatakse: • aktiivsete metallide tootmiseks • Na saadakse sula NaCl elektrolüüsil • Al saadakse sulatatud Al2O3 elektrolüüsil • toormetallide puhastamine • keemiatööstuse toorainete saamiseks • NaCl vesilahuse elektrolüüsil saadakse vesinikku, kloori ja naatriumhüdroksiidi: • Katoodil: 2 H2O + 2 e-  2OH- + H2 • Anoodil: 2 Cl– - 2e-  Cl2 Tervikuna: 2 NaCl + 2 H2O  2 NaOH + H2 + Cl2