Chemia ogólna
Chemia ogólna
część 2
część 2
BOROWCE
Symbol B Al Ga In Tl
Nazwa bor glin gal ind tellur
Konfiguracja 2s2p1 3s2p1 4s23d104p1 5s24d105p1 6s25d104f14 6p1 Stopień utlenienia +3 +3 +1,+3 +1,+3 +1,+3 Liczby koordynacyjne 3,4 3,4,6 2,3,4,6 2,3,4,6, 2,3,4,6 Masa atomowa 10,81 26,98 69,72 114,82 204,38 2 Masa atomowa 10,81 26,98 69,72 114,82 204,38 Temp. topnienia [K] 2500 933,3 302,9 429,3 575,6 Temp. wrzenia [K] 2820 2740 2520 2340 1726 Gęstość [g/cm3] 2,34 2,70 5,9 7,31 11,85 Elektroujemność 2,04 1,61 1,81 1,78 2,10 Promień atom. [pm] 90 143 141 166 171 Promień jonowy [pm] 25 53 61 76 89 Potencjał stand. [V] –1,66 –0,53 –0,34 +1,25
Występowanie w przyrodzie:
B 10-3%; Al 7,45% (III po Si i O); Ga 2×10-3%; In 10-5%; Ta 10-5%.
Bor występuje w postaci minerałów: boraks Na2B4O7⋅10H2O, kernit Na2B4O7⋅4H2O oraz kolemanit Ca2B6O11⋅5H2O.
Glin występuje w glinokremianach: kaolinicie [Al4(OH)8][Si4O10], silimanicie Al2SiO5, albicie Na[AlSi3O8], ortoklazie K[AlSi3O8], a także
⋅
boksycie Al2O3⋅xH2O , kriolicie Na3[AlF6], gibbsycie Al(OH)3, granicie, bazalcie (skały magmowe) oraz korundzie Al2O3 (rubin, szafir) i berylu Be3Al2(SiO3)6 + domieszki Fe,Cr,Mn,V,Cs (szmaragd, akwamaryn)
Gal występuje w ilościach śladowych w boksycie, kaolinicie i rudach
cynku.
Ind oraz Tal występują w niewielkich ilościach w minerałach
zawierających cynk, żelazo, ołów i miedź. Własne minerały talu: lorandyt TlAsS2, hutchinsonit (Tl, Ag)2Pb(AsS2)4 są rzadkie.
Otrzymywanie
1. Bor otrzymuje się poprzez redukcję tlenku magnezem: B2O3 + 3Mg = 2B + 3MgO
2. Glin otrzymuje się z rudy boksytowej, po wstępnej przeróbce do Al2O3, a następnie poprzez elektrolizę w stopionym kriolicie Na3AlF3:
K: 4Al3+ + 12e- → 4Al
→ A: 6O2- - 12e- → 3O
3. Gal na skalę przemysłową otrzymuje się z boksytu jako produkt uboczny przy produkcji cynku i aluminium.
Ga
6
4. Ind jest otrzymywany jako produkt uboczny z blendy cynkowej.
5. Tal otrzymuje się jako produkt uboczny przy przeróbce pirytów, metaliczny powstaje w wyniku elektrolizy stopionego TlCl.
Własności chemiczne i fizyczne
Bor należy rozpatrywać oddzielnie, ponieważ jest on pierwiastkiem niemetalicznym, podczas gdy pozostałe pierwiastki grupy 13 są metalami.
Bor występuje w trzech odmianach alotropowych: romboedrycznej α,
romboedrycznej β oraz tertragonalnej. Podstawową komórką sieci
krystalicznej każdej z tych odmian alotropowych jest dwudziestościan (iksoaedr) zawierający w narożach 12 atomów boru.
Z wodorem tworzy borowodory o ogólnym wzorze BnHn+4 lub BnHn+6 -substancje toksyczne, o nieprzyjemnym zapachu. Lekkie borany są bardzo łatwopalne - diboran B2H6 samorzutnie zapala się w powietrzu wydzielając dwukrotnie więcej ciepła niż spalanie takiej samej masy węglowodorów, bardzo gwałtownie reaguje z wodą, w wyniku reakcji tworząc kwas ortoborowy:
8
B2H6 + 6H2O = 6H2 + 2H3BO3
Z metalami tworzy borki MnBm, które charakteryzują się dużą odpornością na czynniki chemiczne, wysokimi temperaturami topnienia (na ogół
powyżej 2300K), a w niektórych przypadkach także dobrym
przewodnictwem elektrycznym.
Tlenek boru ma własności amfoteryczne:
Glin jest kowalnym, ciągliwym, dającym się łatwo rozwalcować srebrzystym metalem. Posiada bardzo duże powinowactwo do tlenu, w związku z czym utlenia się na powietrzu, ulegając pasywacji.
Reaguje z rozcieńczonymi kwasami wypierając wodór: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑
W reakcji ze stężonymi kwasami utleniającymi wydziela tlenki niemetali: W reakcji ze stężonymi kwasami utleniającymi wydziela tlenki niemetali:
Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO + 2H2O W stężonym kwasie azotowym ulega pasywacji.
Tlenek glinu ma własności amfoteryczne:
Al2O3 + 6NaOH → 2Al(OH)3 + 3Na2O Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Gal , Ind i Tal są srebrzystymi metalami miekkimi metalami. Ich tlenki i i wodorotlenki mają charakter amfoteryczny.
Związki talu są silnie trujące.
Zastosowanie
Bor – w postaci wolnego pierwiastka stosuje się jako domieszkę do
półprzewodników, natomiast związki boru znajdują zastosowanie w postaci lekkich materiałów, nietoksycznych środków owadobójczych i konserwantów oraz odczynników dla syntezy chemicznej.
Glin – czysty, krystaliczny jest kruchy i łamliwy, sproszkowany używany
jest w hutnictwie do redukcji tlenków metali (aluminotermia). Pył aluminiowy używany jest do produkcji materiałów wybuchowych oraz jako dodatek do farb. Ogromne znaczenie, ze względu na małą gęstość i wysoką odporność na korozję mają stopy aluminium. Stopy Al z Cu i Mo (duraluminium) są używane do wyrobu szerokiej grupy produktów - od puszek do napojów do części statków kosmicznych. Siluminy (stopy z Si), wykorzystywane są w przemyśłe motoryzacyjnym i lotniczym.
Gal - tworzy stopy użytkowe z licznymi metalami. W farbach świecących
spełnia rolę aktywatora. Służy do produkcji termometrów
wysokotemperaturowych. Niektóre związki galu jak np. arsenek i antymonek galu GaAs znajdują szerokie zastosowanie do produkcji półprzewodników oraz baterii słonecznych. Izotop 6Ga używany jest do
12
scyntygraficznego diagnozowania nowotworów układu limfatycznego i tkanek miękkich.
Ind - bywa stosowany w stopach dentystycznych, składnik powłok
antykorozyjnych, stosowany w produkcji tranzystorów.
Tal - Tal znajduje zastosowanie jako składnik stopów, szkieł optycznych,
elementów półprzewodnikowych, fotoogniw, katalizatorów, pestycydów (trucizn na szczury), termometrów.
Najważniejsze związki
H3BO3 kwas ortoborowy zwany potocznie kwasem bornym – służy do
produkcji boraksu, jako nawóz oraz lekki środek dezynfekujący.
BnHn+4 lub BnHn+6 borany (borowodory) – dawniej stosowane jako
paliwo rakietowe, zaniechane z powodu trujących produktów reakcji.
Al O trójtlenek glinu – występuje w dwóch odmianach: α-Al O Al2O3 trójtlenek glinu – występuje w dwóch odmianach: α-Al2O3
(korund) stosowany do wytwarzania materiałów szlifierskich i
ogniotrwałych, w konstrukcji laserów oraz w jubilerstwie, γ-Al2O3 – surowiec do otrzymywania metalicznego glinu metodą elektrochemiczną
LiAlH4 tetrahydroglinian litu – silny środek redukujący w chemii
organicznej.
GaAs arsenek galu – drugi po krzemie najczęściej stosowany materiał
w mikro- i optoelektronice oraz technice mikrofalowej. Procesory oparte na GaAs mogą pracować z częstotliwościami przekraczającymi 250 GHz
WĘGLOWCE
Symbol C Si Ge Sn Pb
Nazwa węgiel krzem german cyna ołów
Konfiguracja 2s2p2 3s2p2 4s23d104p2 5s24d105p2 6s25d104f14 6p2 Stopień utlenienia +2,+4 +4 +2,+4 +2,+4 +2,+4 Masa atomowa 10,81 26,98 69,72 114,82 204,38 Temp. topnienia [K] 3820 1680 1220 505 600 Temp. wrzenia [K] 5100 2750 3103 2960 2024 Gęstość [g/cm3] 2,1–2,3 2,33 5,32 7,28 11,34 Elektroujemność 2,55 1,9 2,01 1,78 2,33 Promień atom. [pm] 77 118 122 140 133 Promień jonowy [pm] 30 40 53 83 79 Potencjał stand. [V] –0,14 –0,13
Występowanie w przyrodzie:
C 0,08%; Si (II miejsce po O) 27,7% ; Ge 2×10-3%; Sn 4×10-3%;
Pb 2×10-4%.
Węgiel występuje przede wszystkim w postaci tlenku węgla (IV) CO2
(0,03% obj. powietrza), węglanów: CaCO3 (wapień, marmur, kreda),
MgCO3 (magnezyt), CaCO3⋅MgCO3 (dolomit), FeCO3 (syderyt), w materii
16
ożywionej oraz w złożach pochodzenia biologicznego: węgiel kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny. W stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach w postaci grafitu i diamentu.
największy diament „Gwiazda Afryki”
530.2 karatów (106.04 g) antracyt
Krzem występuje w postaci glinokrzemianów: kaolinit [Al4(OH)8][Si4O10], silimanit Al2SiO5, albit Na[AlSi3O8], ortoklaz K[AlSi3O8], a także w postaci tlenku krzemu (IV) SiO2 – krzemionki (piasek) oraz kwarcu.
agat ametyst jaspis krzemień krzemień pasiasty
kryształ
German występuje jako domieszka w niektórych gatunkach węgla
kamiennego. Podstawową rudą germanu jest germanit Cu3(Ge, Fe)S4.
Cyna występuje w postaci kasyderytu SnO2.
Ołów posiada kilka znaczących minerałów: PbS (galena), PbCO2
(cerusyt), PbCrO4 (krokoit) oraz PbSO4 (anglezyt).
Węgiel
Węgiel posiada trzy odmiany alotropowe: grafit, diament, fuleren (odkryty w 1985 roku), występuje także w postaci nanorurek oraz w formie bezpostaciowej (sadza, węgiel aktywny).
grafit diament fuleren C60 nanorurka
grafen
Najważniejsze związki węgla
Chemia związków węgla to ogromna liczba związków organicznych oraz kilka, niezwykle ważnych związków nieorganicznych:
CO tlenek węgla (II), czad – bezwonny, bezbarwny, palny, silnie trujący
gaz (w hemoglobinie zajmuje miejsce cząsteczki tlenu). Stosowany w metalurgii jako reduktor:
Stosowany w metalurgii jako reduktor:
FeO + CO → Fe + CO2
W obecności węgla aktywnego, jako katalizatora tworzy fosgen: CO + Cl2 → COCl2
Mieszanina CO i H2 jest surowcem wyjściowym do produkcji syntetycznej benzyny.
CO jak ligand tworzy kompleksowe karbonylki M1[M2(CO) n]
CO2 tlenek węgla (IV), dwutlenek węgla – bezbarwny, bezwonny,
niepalny gaz. Odpowiedzialny za „efekt cieplarniany”.
CO2 w reakcji z wodą tworzy słaby kwas węglowy H2CO3: CO2 + H2O → H2CO3
M2(CO3)n węglany – najczęściej spotykane minerały (wapienie,
dolomity...)
22
dolomity...)
Mn(HCO
CS2 dwusiarczek węgla – substrat w syntezie CCl4, oraz sztucznego jedwabiu.
HCN cyjanowodór (kwas pruski) bardzo toksyczny gaz, ziemia
okrzemkowa nasycona HCN – Cyklon B.
NaCN cyjanek sodu stosowany w ekstrakcji złota i srebra oraz NaCN cyjanek sodu stosowany w ekstrakcji złota i srebra oraz
galwanotechnice (powstają kompleksowe cyjanki metali ciężkich).
SiC węglik krzemu (karborund) o twardości zbliżonej do diamentu stosuje
się jako materiał szlifierski.
Krzem
Krzem elementarny ma strukturę grafitu. Wykazuje własności
półprzewodnikowe.
Domieszkowanie zwiększa jego przewodnictwo elektryczne. W zależności od rodzaju domieszkowania półprzewodnik typu n lub p.
Najważniejsze związki krzemu
SiO2 tlenek krzemu (IV), kwarc. Jest stosowany przy produkcji materiałów
ściernych, w przemyśle ceramicznym, szklarskim, budowlanym,
optycznym, w elektronice (piezokwarc, wyświetlacz ciekłokrystaliczny), służy do wyrobu detergentów, farb, pasty do zębów, kamień ozdobny.
Szkło – amorficzny przechłodzony ciekły SiO2 – materiał otrzymywany w
26
2
wyniku stopienia krzemionki z różnymi dodatkami, a następnie szybkiego ochłodzenia tak, aby nie doszło do pełnej krystalizacji i, lecz aby w strukturze pozostało jak najwięcej fazy amorficznej.
H2nSimO2m+n kwasy krzemowe i ich sole krzemiany – ponad 90% skał tworzących skorupę ziemską (60% stanowią skalenie, 12% kwarc, 15% oliwin, pirokseny i amfibole, 3% to miki i inne).
krzemiany
RnSiXmOy żywice silikonowe – stosowane jako: hydrożele stosowane jako implanty tkanek miękkich (np: sztuczne piersi), jako gumy silikonowe, jako oleje hydrauliczne, dodatki do farb, środki smarujące
Własności chemiczne i fizyczne Ge, Sn, Pb
German - fluorki i arsenki germanu, podobnie jak galu wykazują
własności półprzewodnikowe i elektroluminescencyjne.
Cyna posiada dwie odmiany alotropowe: α (cyna szara) szary proszek o
sieci krystalicznej w układzie regularnym, trwała poniżej 13,2°C oraz β (cyna biała) ciągliwa, kowalna, odporna na korozję, krystalizująca w układzie tetragonalnym.
Ołów miękki, plastyczny metal o barwie szarej, krystalizuje w układzie
regularnym. Wszystkie związki ołowiu są trujące. Na powietrzu pokrywa się warstewką tlenku, chroniącą go przed dalszą korozją. Tlenek ołowiu (II) wykazuje własności amfoteryczne. Metaliczny ołów pochłania promieniowanie roentgenowskie oraz promieniowanie gamma.
Zastosowanie
German metaliczny nie ma większego zastosowania, służy jako
domieszka półprzewodników krzemowych
Cyna - kiedyś szeroko stosowana do wyrobu naczyń (XIV - XVI wiek).
Obecnie - do pokrywania metali warstwą antykorozyjną. np. puszek do konserw. Stop Sn i Pb stosowany jest jako stop lutowniczy, do wyrobu
30
czcionek drukarskich. Stopy Sn i Cu - brązy używane są na elementy sprężyste, tuleje i panwie łożyskowe, monety, elementy pracujące w wodzie morskiej, armaturę, odlewy artystyczne.
Ołów dawniej był stosowany do produkcji rur w akweduktach. Obecnie w
akumulatorach, do produkcji odpływowych rur kanalizacyjnych, śrutu, amunicji, osłon w reaktorach jądrowych i aparatach rentgenowskich, pojemników do transportu izotopów radioaktywnych.
Najważniejsze związki
Ge3N2 azotek germanu - półprzewodnik, obecnie rzadko stosowany.
Pb3O4 (PbO2⋅⋅⋅⋅2PbO), minia ołowiana, tlenek diołowiu(II) ołowiu(IV), pigment
o barwie pomarańczowoczerwonej stosowany w zabezpieczeniach
antykorozyjnych, kitów uszczelniających oraz w hutnictwie szkła.
Pb(N3)2 azotek ołowiu - detonator
Pb(C2H5)4 tetraetyloołów środek przeciwstukowy w benzynach silnikowych (obecnie coraz rzadziej stosowany - benzyna bezołowiowa).
PbS siarczek ołowiu - w pierwszej połowie XX w. stosowany jako materiał
półprzewodnikowy w konstrukcji odbiorników radiowych niewymagających zasilania (detektor kryształkowy).
AZOTOWCE
Symbol N P As Sb Bi
Nazwa azotl fosfor arsen antymon bizmut
Konfiguracja 2s2p3 3s2p3 4s23d104p3 5s24d105p3 6s25d104f14 6p3 Stopień utlenienia –1÷+5 –3,+3,+5 –3,+3,+5 –3,+3,+5 +3,+5 Masa atomowa 14,00 30,97 74,92 121,75 208,98 32 Temp. topnienia [K] 62,29 317,3 1090 903,7 544,5 Temp. wrzenia [K] 77,4 553,7 889 1908 1854 Gęstość [g/cm3] 1,25 1,82 5,72 6,69 9,78 Elektroujemność 3,07 2,06 2,20 1,82 1,68 Promień atom. [pm] 75 110 122 143 146 Promień jonowy [pm] 69 92 108 Potencjał stand. [V]
Występowanie w przyrodzie:
N (V miejsce pod względem rozpowszechnienia we Wszechświecie), 78,09% obj. powietrza; P 0,11%; As 5×10-4%; Sb 2×10-5%; Bi 1,7×10-5%.
Azot główny składnik atmosfery ziemskiej, w postaci związków
występuje przeważnie w organizmach żywych, wydobywany w postaci NaNO3 - saletry chilijskiej, rzadziej KNO3 - saletry indyjskiej.
⋅
Fosfor występuje w postaci minerałów - apatytów, np. 3Ca3(PO4)2⋅CaF2,
ważny składnik muszli, kości i zębów - apatyt węgłanowy
3Ca3(PO4)2⋅CaCO3⋅H2O oraz hydroksylowy 3Ca3(PO4)2⋅Ca(OH)2.
Arsen występuje sporadycznie w postaci siarczków: As2S3aurypigment, As4WS4 realgar, FeAsS arsenopiryt.
Antymon i bizmut występują w postaci siarczków i tlenków: Sb2S3 antymonit, Bi2S3 bizmutyn, Sb2O3 walentynit, Bi2O3 ochra bizmutowa.
Otrzymywanie
1. Azot otrzymuje się przez frakcjonowaną destylację skroplonego powietrza.
2. Fosfor otrzymuje się przez ogrzewanie fosforanu wapnia z piaskiem i koksem bez dostępu powietrza w piecu elektrycznym w temp. 1570-1720K:
→
34
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C → 3CaSiO3 + 5Co + 1/2P4
3. Arsen otrzymuje się z rozkładu arsenopirytu bez dostępu powietrza: FeAsS → FeS + As
4. Antymon i bizmut otrzymuje się przez prażenie siarczków, a następnie redukcję otrzymanych tlenków węglem:
Sb2S3 + 5O2 → Sb2O4 + 3SO2 Sb2O4 + 4C → 2Sb + 4 CO
Własności chemiczne i fizyczne
Azot - bezbarwny, bezwonny, niepalny gaz, skroplony po raz pierwszy
przez Wróblewskiego i Olszewskiego. Występuje w postaci
dwuatomowych cząsteczek z potrójnym wiązaniem kowalencyjnym. Niezbędny do rozwoju większości roślin i organizmów żywych.
Fosfor występuje w czterech odmianach alotropowych: fosfor biały
-P4, silnie trujący, w temp. pokojowej ulega powolnemu utlenianiu emitując światło (chemiluminescencja), skrajnie łatwopalny, dawniej produkowano z niego zapałki, obecnie stosowany jest jako broń zapalająca i trutka na szczury; fosfor czerwony - bezpostaciowy, nietoksyczny, niepalny, używany do oświetlenia tarcz zegarków; fosfor fioletowy- powstaje w
36
używany do oświetlenia tarcz zegarków; fosfor fioletowy- powstaje w wyniku ogrzewania fosforu czerwonego w próżni w temperaturze 800 K; fosfor czarny - najtrwalsza odmiana fosforu, otrzymywany przez ogrzewanie fosforu białego w próżni w temp. 490 K i pod ciśnieniem 12 GPa, przewodzi prąd elektryczny.
Antymon występuje w czterech odmianach a lotropowych: antymon
żołty, srebrzystobiały antymon mataliczny, antymon czarny i antymon wybuchowy. Znany jest od starożytności.
Zastosowanie
Azot cząsteczkowy stosowany jest jako gaz inertny w przemyśle,
surowiec wyjściowy do produkcji amoniaku i kwasu azotowego, związki azotu mają zastosowanie jako nawozy sztuczne, materiały wybuchowe oraz tworzywa syntetyczne. Ciekły - chłodziwo.
Fosfor czerwony służy do wyrobu zapałek. P elementarny jest surowcem
do syntezy licznych związków, w metalurgii służy jako dodatek do brązów fosforowych.
Arsen wolny nie ma większego zastosowania.
Antymon i bizmut stosowane są jako dodatki stopowe: Sb - stop
łożyskowy i czcionkowy, Bi - stop Rosego, Wooda (temp. top. 70oC). Stop
Najważniejsze związki
NH3 amoniak otrzymywany w syntezie Habera-Boscha: 3H2 + N2→ 2NH3
substrat do produkcji nawozów sztucznych, materiałów wybuchowych, cyjanowodoru, tkanin syntetycznych i tworzyw sztucznych.
N2O tlenek azotu (I) (podtlenek azotu) - gaz rozweselający, dawniej
38
środek znieczulający, dodatek do żywności E-942 (chipsy), rozpuszczalny tłuszczach, wykorzystywany do tworzenia piany (bitej śmietany w spreayu), stosowany w tuningu samochodowym,wtryskiwany do cylindrów zamiast tlenu gwałtownie zwiększa szybkość spalania mieszanki.
NO tlenek azotu (II) odgrywa ważną rolę w organiźmie: reguluje ciśnienie
tętnicze krwi, hamuje agregację płytek krwi i leukocytów, wpływa na pamięć), lokalny przepływ krwi, Nobel 1998.
NO2 tlenek azotu (IV) brunatny, silnie toksyczny gaz, posiada silne własności utleniające, tlenia np. Fe i Cu, tworząc odpowiednie tlenki tych metali i NO, z halogenami tworzy nitryle np: NO2Cl i NO2F, używane jako oddczyniki do otrzymywania organicznych nitrozwiązków, np. trotylu.
NaNO2, KNO2 azotany (III) sodu i potasu stosowane m.in. Do diazowania i konserwacji żywności.
39
i konserwacji żywności.
HNO3 kwas azotowy (V) służy do produkcji azotanów, estrów
(nitrogliceryna), związków nitrowych (trójnitrotoluen - TNT), silny utleniacz,
wykorzystywany w przemyśle farmaceutycznym, służy także do
oczyszczania powierzchni metali. W mieszaninie z HCl (w stosunku 1:3) -woda królewska, roztwarzająca prawie wszystkie metale.
NaNO3 saletra chilijska, NH4NO3 saletra amonowa, KNO3 saletra indyjska (składnik czarngo prochu), Ca(NO3)2 saletra norweska - nawozy sztuczne.
P4O10 dimer tlenku fosforu (V) skłądnik nawozu sztucznego -supertomasyny.
Ca(H2PO4)2 dwuwodorofosforan (V) wapnia - główny składnik nawozów sztucznych - superfosfatów.
NaNH4HPO4 4H2O wodoroortofosforan(V) sodowo-amonowy służy do
sporządzania barwnych pereł.
40
sporządzania barwnych pereł.
Na3PO4 fosforan (V) sodu - składnik proszków do prania, służy do zmiękczania wody.
As2O3 tlenek arsenu (III) arszenik, dawniej służył do wyrobu szkła (o zielonym zabarwieniu), emalii i farb (tzw. zieleń arszenikowa), konserwacji skór i drewna, jako trucizna na gryzonie. Obecnie wycofany z użytku.
