Hemija elemenatanerecenzirana skripta za internu upotrebu

dr Tatjana akovi-Sekuli

1

2

Sadraj Uvod 1. METALI 1.1. Metali u prirodi 1.2. Dobijanje metala 1.3. Redoks hemija prelaznih metala 2. s-metali Alkalni metali 1. grupa Zemnoalkalni metali 2. grupa 3. p-metali Metali 13. grupe Aluminijum 14. grupa germanijum, kalaj i olovo Kalaj Olovo 15. grupa - bizmut 4. d-metali Prelazni elementi Metali 6. grupe Metali 7. grupe Metali 8, 9. i 10. grupe - trijada gvo a Metali 11. grupe Bakar Srebro Zlato Metali 12. grupe Cink Kadmijum iva 5. NEMETALI 5.1. Nalaenje i dobijanje 6.1. Vodonik 6.2. Nemetali 14. grupe ugljenik i silicijum Ugljenik Silicijum 6.3. 15. grupa azot i fosfor, arsen i antimon Azot Fosfor Arsen Antimon 6.4. 16. grupa kiseonik i sumpor Kiseonik Sumpor 6.5. Nemetali 17. grupe halogeni 6.6. Elementi 18. grupe plemeniti gasovi Literatura 3 4 4 5 11 13 13 17 21 21 21 25 26 27 30 32 32 34 37 40 43 44 46 46 48 49 49 50 51 52 53 56 57 58 63 64 66 67 67 69 70 71 74 79 81

3

4

UvodZastupljenost hemijskih elemenata u prirodi je razliita. Zemljin omota (atmosfera, hidrosfera i litosfera (Zemljina kora do dubine oko 16 km)) najvie sadri kiseonika (45,5 mas.%), iza kog slede: silicijum, aluminijum, gvo e, kalcijum i dr, vidi tabelu 1. Naime, samo deset elemenata ini 99,5 mas.% Zemljine kore, dok na ostale otpada preostalih 0,5 mas.%.Tabela 1. Sadraj deset najzastupljenijih elemenata na Zemlji u masenim procentima Elemenat Kiseonik Silicijum Aluminijum Gvo e Kalcijum % 45,5 27,2 8,32 6,2 4,60 Elemenat Magnezijum Natrijum Kalijum Titan Vodonik % 2,74 2,27 1,84 0,632 0,152

Najvei broj hemijskih elemenata u prirodi je u obliku jedinjenja. Jedan manji broj elemenata javlja se u elementarnom obliku, i to samo oni koji pokazuju slabu tenju da se jedine (azot, platina, zlato, plemeniti gasovi). Znaaj nekog hemijskog elementa ne odre uje njegova rasprostranjenost u prirodi, ve uloga koju taj element ima u ivom svetu. S obzirom na razliitu zastupljenost, ali i znaaj elemenata, vea panja bie posveena osobinama pojedinih metala i nemetala, kao i njihovim najvanijim jedinjenjima.

5

6

1. METALI1.1. Metali u prirodiMetal ine blizu 80% elemenata u Periodnom sistemu. Od 20 najzastupljenijih elemenata Zemljine kore polovina su metali. Slobodnih metala ima veoma malo. Veinom su u obliku jedinjenja (minerala). Najzastupljeniji minerali u Zemljinoj kori su silikati i alumosilikati. Me utim, silikati i alumosilikati nisu znaajni u komercijalnom smislu jer se teko koncentriu i redukuju. Daleko su znaajniji oksidi i sulfidi, kao na primer, hematit (Fe2O3), rutil (FeO2), cinabarit (HgS) i dr. Pregled karakteristinih minerala pojedinih elemenat koji se mogu nai u prirodi prikazan je na slici 1.1.

Slika 1.1. Jedinjenja u kojima se metali najee nalaze u prirodi.

Minerali iz kojih je proizvodnja metala ekonomina nazivaju se rude. Vaniji minerali koji ulaze u sastav ruda data su u tabeli 1.1.Tabela 1.1. Tipovi vaniji minerala koji ulaze u sastav ruda Vrsta minerala Elementarni Oksidi Sulfidi Hloridi Karbonati Sulfati Silikati Primer minerala Au, Ag, Pt, Os,Ir, Ru, Rh, Pd, As, Sb, Bi, Cu Hematit (Fe2O3), megnetit (Fe3O4), boksit (Al2O3), kasiterit (SnO2), periklas (MgO), kvarc (SiO2) Halkopirit (CuFeS2), halozin (Cu2S), sfalerit (ZnS), galenit (PbS), pirit (FeS2), cinabarit (HgS) Kamena so (NaCl), silvin (KCl), karnalit (KClMgCl26H2O) Mermer (CaCO3), magnezit (MgCO3), dolomit (MgCO3 CaCO3), rodohrozit (MnCO3) Gips (CaSO42H2O), gorka so (MgSO47H2O), barit (BaSO4) Beril (Be3Al2Si6O18), kaolinit (Al2(Si2O8)(OH)4), spodumen (LiAl(SiO3)2)7

Menerali su u rudama esto izmeani sa peskom, zemljom, glinom, i slino. Ove neistoe nazivaju se zajednikim imenom jalovina. Rude sa niskim sadrajem minerala obino se pre prerade obogauju tako to se uklanja nejveig deo jalovine. Postupci obogaivanja, kao i dobijanja metala mogu biti razliiti, i oni zavise od tipa samih minerala koji ulaze u sastav rude.

1.2. Dobijanje metalaMetali u jedinjenjima (mineralima) imaju pozitivne oksidacione brojeve. Sam proces dobijanja svodi se na prevo enje metala u elementarno stanje. Dugim reima, dobijanje metala podrazumeva smanjenje njegovog oksidacionog broja, tj. redukciju. Dakle, metali se dobijaju procesom redukcije (izuzev onih koji se u prirodi javljaju u elementarnom stanju), to se moe predstaviti uopteno polureakcijom: Mn+ + ne M(s). Redukcija metala mogua je na dva naina: hemijskom reakcijom ili elektrolizom. Koji postupak e se primenjivati zavisi od aktivnosti metala koja se izraava pomou standardnog redukcionog potencijala. to je standardni redukcioni potencijal metala pozitivniji lake se redukuje, pa samim tim lake i dobija. I obrnuto, to je standardni redukcioni potencijal metala negativniji on se tee dobija. Najtee se dobijaju metali iji je standardni redukcioni potencijal jako negativan (manji od -1,5 V). To su natrijum, magnezijum ili aluminijum. S obzirom na to da su oni najjaa redukciona sredstva za njihovu redukciju moraju se primeniti i najdrastiniji redukcioni uslovi. Pri tom se, pre svega, misli na katodnu redukciju rastopa odgovarajue soli metala. Katodna redukcija vodenog rastvora nije mogua poto bi se, zbog izrazito negativnog redoks potencijala ovih metala, na katodi redukovao vodonik iz vode.Dobijanje Na iz NaCl Zbog velike reaktivnosti natrijuma proces njegovog dobijanja spada u najdelikatnije u itavoj metalurgiji. Sam postupak dobijanja natrijuma svodi se na elektrolizu rastopa natrijum-hlorida(slika 1.2). Proces se sastoji od sledeih reakcija koje se odvijaju na elektrodama:

Slika 1.2. ema elektrolitikog procesa dobijanja natrijuma8

na katoda: anoda:

2Na+(l) + 2e 2Na(l) 2Cl(l) Cl2(g) + 2e___ 2NaCl(l) 2Na(l) + Cl2(g)

Na anodi se kao proizvod dobija gasoviti hlor, a na katodi natrijum koji je u tenom stanju (temperatura topljenja natrijuma 98C). Da bi se dobio rastop natrijum-hlorida potrebno ga je zagrejati na 801C (to je temperatura topljenja natrijum-hlorida). U praksi se ne koristi ist natrijum-hlorid ve smea NaCl i CaCl2 u odnosu 2:3. Zato ba ova smea, a ne ist NaCl? Zato to je njena temperatura topljenja 580C, a to je svakako manje od temperatura topljenja istog natrijum-hlorida. Samim tim za prevo enje smee NaCl i CaCl2 u teno stanje potrebno je znatno manje energije.

Dobijanje Mg iz morske vode Kao i natrijum, i magnezijum spada u metale koji su veoma zastupljeni u prirodi (2,1%). Velike koliine magnezijuma sadri morska voda (0,13%) odakle se i dobija. U morskoj vodi magnezijum je u obliku Mg2+ jona. Da bi se izdvojio magnezijum se prvo taloi u obliku Mg(OH)2. Za taloenje se koristi Ca(OH)2 koji se dobija arenjem CaCO3 (nastaje CaO, koji se zatim mea sa odre enom koliinom vode): CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(s). Ca(OH)2 i Mg reaguju: Ca(OH)2(s) + Mg2+(aq) Ca2+(aq) + Mg(OH)2(s). Do reakcije dolazi jer je proizvod rastvorljivosti Mg(OH)2 (1,51011) mnogo manji od proizvoda rastvorljivosti Ca(OH)2 (7,9106). Talog Mg(OH)2 se odvoji filtracijom, a zatim neutralie (hlorovodoninom kiselinom). Nakon uparavanja zaostaje vrst magnezijum-hlorid (MgCl2) iz ijeg rastopa se elektrolizom u inertnoj atmosferi dobija magnezijum. ist magnezijum-hlorid nije pogodan za elektrolizu poto mu elektrina provodljivost nije naroito velika. Zato mu se dodaju hloridi natrijuma, kalijuma i kalcijuma. Poto magnezijum ima najmanji negativni elektrodni potencijal od svih prisutnih katjona, iskljuivo se ovaj elemenat izdvaja na katodi koja je nainjena od gvo a. Mg2+(l) + 2e Mg(l) Dobijeni magnezijum je u tenom stanju, i zbog male gustine pliva na povrini. Kako bi rastopljena smea imala veu gustinu od samog magnezijuma (1,74 g/cm3), treba da sadri 20-40% kalcijum-hlorida (gustina CaCl2 je 2,07 g/cm3). Na anodi, kao i kod natrijuma, nastaje elementarni hlor. Taj hlor se moe dalje upotrebiti za proizvodnju HCl.2+

Dobijanje Al iz Al2O3 Aluminijum je trei elemenat koji se dobija elektrolizom. Ruda iz koje se dobija aluminijum je boksit (dobio ime po francuskom mestu Bo (Les Baux), gde je otkriven 1821 godine). Po hemijskom sastavu boksit je smea kristalnog i amorfnog aluminijum-hidroksida. Me utim, boksit sadri Fe2O3, SiO2, kao i druge neistoe. Boksit sa veim sadrajem gvo e(III)-oksida, obojen je crveno, i naziva se crveni boksit. Boksit koji sadri manje9

gvo e(III)-oksida, bele je boje, pa se naziva beli boksit. Pre samog postupka elektrolize potrebno je iz boksita prethodno ukloniti glavne neistoa (gvo e i silicijum). Zato se boksit prvo samelje, a zatom mu se doda 3550% rastvor natrijum-hidroksida (NaOH). Smea se mea 6-8 asova u zatvorenim elinim autoklavima na temperaturi od 160-170C i pritisku 3,5 MPa. Za to vreme aluminijum prelazi u rastvorni oblik natrijumaluminata: AlO(OH)(s) + 2NaOH(l) + 2H2O(l) 2Na[Al(OH)4](aq). Sem aluminijuma rastvara se i kiseo oksid SiO2 (nastaje natrijum-silikat). Gvo e, koje se ne rastvara zaostaje kao talog koji se od rastvora odvoji ce enjem. Zatim se kroz rastvor produvava CO2 usled ega poinje taloenje aluminijum-hidroksida, dok natrijum-silikat zaostaje u rastvoru. 2Na[Al(OH)4](aq) Al(OH)3(s) + NaOH(aq) Nakon toga hidroksid se odvoji filtracijom, ispere vodom, i ari na 1200C pri emu prelazi do oksida, Al2O3. 2Al(OH)3(s) 2Al2O3(l) + 3H2O(g) Aluminijum se iz oksida dobija elektrolitikim putem. Elektrolizi se ne podvrgava rastop istog aluminijumoksida poto je njegova temperatura topljenja 2064C. Znatno nia radna temperatura postie se meanjem Al2O3 i kriolita (Na3AlF6). Elektroliza se izvodi na od 950C, u gvozdenoj kadi koja je obloena iznutra grafitnim ploama (katoda), slika 1.3.

Slika 1.3. ematski prikaz elektrolitike elije za proizvodnju aluminijuma Na anodi, koja je tako e od grafita, redukuju se joni Al3+ do elementarnog aluminijuma: katoda: anoda: Al3+(l) + 3e Al(l) C(s) 2O2(l) CO2(g) + 4e 2Al2O3(l) + 3C(s) 4Al(l) + 3CO2(g) Otopljeni aluminijum izdvaja se na dnu elektrolitike elije odakle se povremeno vadi. istoa ovako dobijenog aluminijuma je 99,70-99,85%. Tokom elektrolize anoda se troi poto i ona sama reaguje (oksiduje se do CO2). Zato se anoda mora esto menjati, pa predstavlja jednu od veih stavki u trokovima proizvodnje aluminijuma.

Industrijsko dobijanje aluminijuma iz boksita, zbog velikog utroka energije, spada u skupe industrijske procese. Zbog toga se sve ee pribegava reciklai ve korienog aluminijuma. Ovaj proces je znatno jeftiniji. Pore enja radi, proces reciklae zahteva samo 10% od ukupne energije koja je potrebna za proizvodnju ovoga metala iz rude. Danas polovinu ukupne svetske proizvodnje ini reciklirani aluminijum.

10

Metali iji redoks potencijal nije ekstremno negativan, ali jo uvek manji od 1,2 V, osim elektrolizom, mogu se dobiti redukcijom uz pomo natrijuma, magnezijuma ili aluminijuma. Ukoliko se kao redukciono sredstvo koristi aluminijum polazi se od oksida: M2O3(s) + 2Al(s) 2M(l) + Al2O3(s) Proces dobijanja metala redukcijom pomou aluminijuma naziva se aluminotermija. Aluminotermijski se dobijaju vanadijum, hrom, i mangan. Natrijumom ili magnezijumom redukuju se hloridi metala: MCl4(s) + 2Mg(s) M(l) + MgCl2(s) MCl4(s) + 4Na(s) M(l) + 4NaCl(s) Na ovaj nain se dobijaju, na primer, titan, cirkonijum i hafnijum. Metali koji nemaju ni suvie negativan, niti pozitivan redoks potencijal redukuju se ugljenikom (iz koksa). Reakcija redukcije moe se predstaviti jednainom: MO(s) + C(s) M(l) + CO(g), odnosno, 2MO(s) + C(s) 2M(l) + CO2(g). Me utim, kao redukciono sredstvo ee se koristi ugljenik(II)-oksid: 2MO(s) + CO(g) M(l) + CO2(g). Redukcija ugljenik(II)-oksidom odvija se na visokim temperaturama, 1000-1400C. Na temperaturama niim od 600C ravnotea: CO2(g) + C(s) 2CO(s)

je pomerena u levo ka razlaganju CO, to ima isti efekat kao da se redukcija vri ugljenikom. Redukcijom pomou ugljenika ili ugljenik(II)-oksida dobijaju se gvo e, kobalt, nikal, cink i kadmijum.Dobijanje Fe iz Fe2O3 Najvaniji proces u metalurgiji u kojem se koristi ugljenik kao redukciono sredstvo je dobijanje gvo a iz oksidnih ruda. Rude pored gvo e(III)-oksida obino sadre silicijum(IV)-oksid (pesak). Redukcija se odvija u visokim peima koje su obino visoke 30 m, 10 m prenika. Visoke pei pune se sa vrha naizmenino rudom gvo a, koksom i krenjakom (CaCO3). Proces zapoinje uduvavanjem komprimovanog vazduha, zagrejanog na 500C, (ili istog kiseonika) kroz dizne koje se nalaze u donjem delu pei. Pri tom se odigrava vie reakcija tokom kojih koks sagoreva prvo do ugljenik(IV)-oksida, CO2 koji kreui se prema gore, dalje reaguje sa koksom i gradi ugljenik(II)-oksid, CO. Zbirna reakcija je: 2C(s) + O2(g) 2CO(g) Ugljenik(II)-oksid reaguje sa gvo e(III)-oksidom iz rude: Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g) Poto je reakcija sagorevanja koksa egzotermna temperatura u donjem delu pei je visoka, oko 1600C. Na tako visokoj temperaturi gvo e je otopljeno, a poto ima veu gustinu od ostalih supstanci skuplja se pri dnu pei.11

H = 221 kJ

Slika 1.4. ematski prikaz visoke pe za proizvodnju sirovog gvo a. 4. pe

Termikim razlaganjem krenjaka do kog dolazi na ovako visokim temperaturama koj vladaju u visokoj pe a ama pei nastaju CaO i CO2. Kalcijum-oksid kao bazni oksid reaguje sa SiO2 iz rude (kiseo oksid) i obrazuje ljaku ili zguru koju ini kalcijum-silikat, CaSiO3: CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l) ljaka, ima manju gustinu i pliva iznad istopljenog gvo a. Povremeno se odvodi uz pei kroz otvor koji se i nalazi neto vilje od otvora kroz koji se istae gvo e. ljaka se koristi za izradu cementa ili se dodaje u ista nta asfaltnu bazu od koje se prave putevi. Ovako dobijeno gvo e naziva se sirovo gvo e. Ono je krto i ne moe se obra ivati jer sadri oko 4,5% ugljenika vezanog u obliku karbida, Fe3C. Ukoliko bi se uklonio sav ugljenik dobilo bi se sko isto gvo e skoro koje je meko, srebrnasto-bele boje i nema neku naroito veliku primenu. bele naro Deliminim uklanjanjem ugljenika i dodatkom manje koliine drugih metala poput Mn, Cr, Ni, W, Mo ili V, ine poboljavaju se znatno mehanike osobine, a dobija se elik. Postoji mnogo tipova elika koji se razlikuju po ke elika sasatvu, ali za sve je zajedniko da sadre manje od 1,7% ugljenika. Ner ajui elik ima veliku vrstinu i ko elik izuzetno veliku otpornost prema koroziji. Najee sadri 14-18% hroma i 7-9% nikla. Naj

Neki metali iz ove grupe, kao to su molibden i volfram, sa ugljenikom grade karbide. Stoga se oni ne mogu redukovati koksom. U tom sluaju se za njihovu redukciju koristi vodonik. i slu MO(s) + H2(g) M(l) + H2O(g). Me utim, redukcija vodonikom se retko primenjuje, samo onda kada je potrebno dobiti male koli primen je, koliine izuzetno istog metala, poto je proces veoma skup. Metali koji imaju pozitivan redoks potencijal u prirodi se nalaze ve u elementarnom obliku. Takvi su zlato, platina i platinski metali.12

Metali sa neto manjim standardnim pozitivnim redoks potencijalom, kao to su srebro, bakar i iva, u prirodi se nalaze u obliku sulfida. Prenjem deo sulfida prelazi u oksid: MS(s) + 3/2 O2(g) MO(s) + SO2(g). Ukoliko se nastavi sa prenjem odigrava se reakcija izme u oksida i sulfida: MS(s) + 2MO(s) 3M(l) + SO2(g). U stvari, metal se redukuje sulfidnim jonom. Joni metala sa pozitivnim redoks potencijalom mogu se redukovati i drugim metalom (koji se u naponskom nizu nalazi ispred): M2+(aq) + Zn(s) Najee se za tu svrhu koristi metalni cink.Dobijanje Cu iz Cu2S Bakar je metal koji je ovek upoznao od davnina. Usled dugotrajne eksploatacije, nekada bogata nalazita danas su u prilinoj meri iscrpljena, a rezerve bakra na Zemlji su na izmaku. Ukoliko se nastavi eksploatacija ruda bakra dosadanjim tempom, procenjuje se da e se rezerve bakra iscrpiti tokom prve polovine 21. veka. Danas se bakar dobija najee iz sulfidnih ruda koje pored bakar(I)-sulfida sadre i puno neistoa, a udeo bakra u rudi je 1%, ili jo manje. Zbog toga je potrebno prethodno koncentrisati (obogatiti) rudu. Proces se naziva flotacija. Nakon obogaivanja sadraj bakra u rudi je izme u 20 i 40%. Obogaena ruda se zagreva uz produvavanje vazuha. Sulfid se okisduje do SO2, a bakar(I)-jon redukuje do elementarnog bakra: Cu2S(s) + O2(g) 2Cu(s) + SO2(g). Ovako dobijeni bakar zove se sirovi ili blister bakar. Blister bakar je upljikav poto se iz njega hla enjem izdvaja rastvoreni SO2. Ovaj bakar nije ist i potrebno ga je preistiti, elektrolitikim putem. Elektroliza se odvija u rastvoru CuSO4, koncentracije 0,5-1,0 mol/dm3, ija pH vrednost je podeena da bude oko 0 dodatkom sumporne kiseline da bi se spreila hidroliza bakar(II)-jona. Anodu ini debela ploa od sirovig bakra, a katoda je od istog bakarnog lima, debljine 0,5-0,7 mm.

M(s) + Zn2+(aq)

Slika 1.5. Elektrolitko preiavanje blister bakra. Pod dejstvom elektrine struje bakar sa anode prelazi u rastvor, a na katodi se izdvaja ist bakar: A: K: oksidacija: redikcija: Cu(s,blister) Cu2+(aq) + 2e Cu2+(aq) + 2e Cu(s, ist)_____ Cu(s, neist) Cu(s, ist)13

Ukupan efekat elektrolize je da metalni bakar pre e iz oneienog blister bakra koji se koristi kao jedna elektroda do istog bakra (druga elektroda). Ovako dobijeni bakar ima istou 99,95%. Sve ostale primese taloe se na dnu elektrolitike elije i nazivaju se anodni mulj. Anodni mulj sadri srebro i zlato koji se odatle izdvajaju na razliite naine.

Metali koji su slabo reaktivni, kao to su srebro i zlato, mogu se nai u prirodi kao samorodni, u elementarnom obliku kao komadi razliite teine. Vei komadi zlata retko se mogu nai u prirodi, jer je ono rasejano, uprskano u stene (zlatonosne stene) ili u pesku (zlatonosni pesak). Dobijanje Au iz rude Oko 4/5 svetske proizvodnje zlata dobija se iz anodnog mulja koji zaostaje nakon elektrolitikog preiavanja bakra ili olova. Preostala 1/5 zlata koje se proizvodi potie iz ruda. Me utim, rude zlata (uglavnom teluridi) sadre ovaj metal u toliko maloj koliini da ga je nemogue efikasno izdvojiti prostim mehanikim odvajanjem. Stoga se primenjuje cijanidni postupak. Usitnjena ruda se tretira veoma razblaenim rastvorom natrijum-cijanida (0,01 mol/dm3) kroz koji se produvava vazduh. Tokom procesa dolazi do spore oksidacije zlata koje prelazi iz elementarnog u rastvorni kompleks [Au(CN)2] u kom je Au oksidacionog stanja +1: 4Au(s) + 8CN(aq) + O2(g) + 2H2O 4[Au(CN)2](aq) + 4OH(aq) Nakon filtracije zlato se iz kompleksa istiskuje pomou cinka i izdvaja u elementarnom obliku. Zn(s) + 2[Au(CN)2](aq) [Zn(CN)4]2(aq) + 2Au(s) Ni za ovaj postupak se ne moe rei da je u potpunosti bezbedan, poto je cijanidni jon, tako e, opasan. Pomor ribe koji je pre desetak godina zadesio Tisu nastao je usled izlivanja vee koliine industrijskih otpadnih voda postrojenja za preradu zlata u Rumuniji.

1.3. Redoks hemija prelaznih metalaZa razliku od alkalnih i zemnoalkalnih elemenata, za prealazne metale je karakteristino da se u jedinjenjima mogu javiti u vie oksidacionih stanja. Zbog toga je njihova redoks-hemija komplikovanija (i obojenija). Samo kada su u niim oksidacionim stanjima (+1, +2, +3) prelazni metali mogu da grade pojedinane katjone (Ag+, Zn2+, Fe3+). U viim oksidacionim stanjima (od +4 do +7) atomi prelaznih metali su vezani za atome nemetala, najee kiseonika, u obliku anjona.

Reakcije prelaznih metala sa kiselinamaSvaki metal koji ima negativan standardni redukcioni potencijal moe se oksidovati H+ jonom koji je prisutan u 1 mol/dm3 rastvoru bilo koje jake kiseline. Svi prelazni metali koji su ispred vodonika reaguju spontano sa razblaenim rastvorima jakih kiselina kao to su HCl, HBr ili H2SO4. Proizvodi reakcije su gasoviti vodonik i odgovarajui katjon metala: Ni(s) + 2H+(aq) Ni2+(aq) + H2(g)

14

Metali koji mogu da grade vie od jednog katjona, kao to je gvo e, proizvod reakcije sa H+ u odsustvu vazduha obino je katjon nieg naelektrisanja, to jest, Fe2+: Fe(s) + 2H+(aq) Fe2+(aq) + H2(g) Metali sa pozitivnim standardnim redukcionim potencijalom, suvie su slabo reaktivni da bi reagovali sa hlorovodoninom kiselinom. Drugim reima, H+ jon nije dovoljno jako oksidaciono sredstvo da bi prevelo metal kao to je bakar u katjon. Me utim, bakar se moe oksidovati azotnom kiselinom. Tu je oksidaciono sredstvo nitratni anjon, NO3, koji sa redukuje u zavisnosti od koncentracije kiseline do NO2 ili NO: 3Cu(s) + 8H+(aq) + 2NO3(aq) 3Cu2+(aq) + 2NO(g) + 4H2O Cu(s) + 4H+(aq) + 2NO3(aq) Cu2+(aq) + 2NO2(g) + 2H2O Zlato ne moe oksidovati ak ni azotna kiselina. Zlato se rastvara u carskoj vodi (smea 3:1 ccHCl i ccNHO3) Au(s) + 4H+(aq) + 4Cl(aq)+ NO3(aq) [AuCl4](aq) + NO(g) + 2H2O Nitratni jon azotne kiseline je oksidaciono stredstvo. Uloga hlorovodonine kiseline je da Cl jon sa jonom zlata nagradi veoma stabilan kompleksni jon [AuCl4].

15

2.

s-metali

Alkalni metali 1. grupaNaziv ove grupe elemenata ukazuje i na njihovu najznaajniju osobinu, da sa vodom grade jake baze alkalije. Druga njihova zajednika osobina je da su svi metali. Za razliku od natrijum (2,30%) i kalijuma (2,09%), koji su veoma zastupljeni u Zemljinoj kori, ostali elementi 1. grupe su prisutni samo u tragovima.Tabela 2.1. Zastupljenost alkalnhi metala na Zemlji i njihovi najznaajniji minerali Element Li % na Zemlji 0,0018 Mineral LiAlSi4O10 NaCl Na2SO410H2O Na 2,27 Na3AlF6 Na2B4O710H2O Razliiti alumosilikati KNO3 K2CO3 K 1,84 KCl KClMgCl26H2O KMnO4 alitra Potaa Silvin Karnalit Kalijum-permanganat Razliiti alumosilikati Rb Cs Fr 0,0078 0,00026 u tragovima Nalaze se u obliku silikata uz Li Vrlo radioaktivan Naziv Petalit Kuhinjska so Glauberova so Kriolit Boraks

Alkalni metali se u prirodi javljaju iskljuivo u obliku jedinjenja. Najee u obliku hlorida, kao ogromne slane naslage koje su nastale isparavanjem nekadanjih mora (kamena so). Tako e, velike koliine soli alkalnih metala, posebno natrijum-hlorida, nalaze se rastvorene u morskoj vodi. Dobijaju se najee elektrolizom rastopa njihovih soli. Alkalni metali su srebrnasto sjajni (izuzev cezijuma koji je ukast). Za razliku od veine tipinih metala, na primer gvo a, svi alkalni metali su meki (tabela 2.2). Mogu se sei ak i tupim noem. Imaju niske temperature topljenja i male gustine. Veoma su laki (litijum je generalno najlaki metal). Litijum, natrijum i kalijum imaju manju gustinu ak i od vode, to je vrlo neobino za metale.16

Poslednji, i najtei elemenat u grupi, francijum je radioaktivan. Izuzetno je nestabilan tako da ga je gotovo nemogue dobiti u istom stanju. Zato podataka o njegovim osobinama, do kojih se dolazi direktno posmatranjem, ima malo.Tabela 2.2. Fizike osobine alkalnih metala Li Spoljanji energeski nivo Temperatura topljenja (C) Temperatura kljuanja (C) Gustina (g/cm3) na 20C Tvrdoa po Mosu Atomski radijus (pm) Jonski radijus, M+ (pm)

Na 3s1 97.8 883 0,971 0,4 186 102 0,9 -2,71 495,8 -435 33,2

K 4s1 63.6 759 0,862 0,5 227 138 0,8 -2,94 418,8 -341 22,0

Rb 5s1 39,3 688 1,532 0,3 248 147 0,8 -2,94 403,0 -293 12,4

Cs 6s1 28.4 671 1,873 0,2 265 167 0,8 -2,94 375,7 -264 7,76

Fr 7s1 27 677 0,7 400 -

2s1 180,5 1342 0,534 0,6 152 68 1,0 -3,04 520,2 -544 17,1

Elekronegativnost Elektrodni potencijal E0 (V): M+(aq) + e M(s) En.joniz. (kJ/mol): M(g) M+(g) + e

H0hidratacije (kJ/mol): M+(g) + xH2O M+(aq) Elektrina provodljivost*

Osnovna emisiona vidljiva linija (nm) 610,67 589 405,77 780,79 456,46 Elektrina provodljivost skala je relativna, u odnosu na srebro kome je dodeljena provodljivost 100 kao najboljem provodniku.

Relativno niske temperature topljenja i kljuanja alkalnih metala posledica su slabe metalne veze u kojoj uestvuje samo jedan elektron. Sposobnost otputanja elektrona je velika, a raste sa porastom atomske mase, tako da je za otputanje elektrona kod cezijuma dovoljna energija fotona svetlosti (fotoelektrini metal). Lakoa otputanja elektrona direktno je povezana sa njihovom reaktivnou. Naime, alkalni metali su veoma reaktivni i uvaju se u petroleumu ili nekom drugom nepolarnom tenom rastvarau. Na taj nain spreava se da do u u dodir sa kiseonikom ili vlagom iz vazduha. U jedinjenjima uvek imaju oksidacioni broj +1. Me utim, nisu svi alkalni metali po ednako reaktivni. Njihova reaktivnost raste sledeim redom:

Li < Na < K < Rb < CsReaktivnost raste Opada energija jonizacijeto je u direktnoj vezi sa promenom energije jonizacije. Alkalni metali reaguju burno sa halogenim elementima, pri emu nastaju soli, halogenidi: 2 M(s) + X2(g) 2MX(s) Pri reakciji alkalnih elemenata sa vodonikom nastaju hidridi: 2 M(s) + H2(g) 2 MH(g) 17

zagrevanje

Ovi hidridi su jonskog karaktera, odnosno u kristalnoj reetki sadre H jon. Svi alkalni metali reaguju lako sa kiseonikom, pri emu nastaju razliiti proizvodi (oksidi, peroksidi ili superoksidi). Litijum, kao prvi elemenat u grupi, razlikuje se u svom ponaanju od ostalih lanova grupe. esto se moe uoiti, a posebno kod elemenata druge periode, da prvi elemenat iz jedne grupe pokazuje slinost u hemijskim i fizikim osobinama sa drugim elementom iz naredne grupe. Moe se rei da se javlja dijagonalna slinost kao to je prikazano:Grupa 1. 2. 13. 14.

Li Naslino magnezijumu, gradi oksid:

Be Mg

B Al

C Si

Osobina dijagonalne slinosti manifestuje se i u reakciji alkalnih metala i kiseonika. Tako, litijum, 4 Li(s) + O2(g) 2 Li2O(s) Ostali elementi iz ove grupe pri sagorevanju daju perokside (Na2O2) ili super-okside (KO2): 2 Na(s) + O2(g) Na2O2(s) K(s) + O2(g) 2 KO2(s) Oksidi alkalnih metala su jonska jedinjenja. Sa vodom grade jake baze hidrokside. Alkalni metali (sem litijuma) reaguju burno sa vodom. Pri tome se osloba a znaajna koliina energije i izdvaja vodonik koji se obino zapali. 2M(s) + H2O 2 M+(aq) + 2 OH(aq) + H2(g)

H