Најважније из лекције
- Општа својства: Већина метала су сјајни, сиви, ковни, електропозитивни кристали високе тачке топљења који лако отпуштају електроне (редукциона средства).
- Пасивизација: Појава стварања заштитног оксидног слоја на ваздуху или у контакту са оксидујућим киселинама (\( \text{Al, Cr, Zn, Fe} \)).
- Легуре: Месинг (\( \text{Cu-Zn} \)), бронза (\( \text{Cu-Sn} \)), дуралуминијум (\( \text{Al-Cu-Mg-Mn} \)), лем (\( \text{Sn-Pb} \)), амалгами (са \( \text{Hg} \)).
- Редокс и pH зависност: Хром (\( \text{VI} \)) мења облик из жутог \( \text{CrO}_4^{2-} \) (базна) у наранџасти \( \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} \) (кисела средина). Калијум-перманганат (\( \text{KMnO}_4 \)) је најјачи оксиданс у киселој средини где прелази у \( \text{Mn}^{2+} \).
- Амфотерност: Цинк, његов оксид (\( \text{ZnO} \)) и хидроксид (\( \text{Zn(OH)}_2 \)) растварају се и у киселинама и у јаким базама (градећи хидроксидоцинкате).
- Племенити метали: Бакар и сребро не истискују водоник из киселина, растварају се само у оксидујућим киселинама (\( \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4 \)).
Физичка својства: Сви метали (осим живе која је течна) на собној температури су у чврстом агрегатном стању и кристалне структуре. Одликују се металним сјајем, сивом бојом (изузеци: бакар је црвен, злато жуто), добром топлотном и електричном проводљивошћу, ковношћу и пластичношћу (могу се ковати и извлачити у жице и фолије). Крти метали су бизмут и манган.
Подела по густини и тврдоћи:
- Лаки метали (\( \rho < 5\text{ g/cm}^3 \)): литијум, натријум, калијум (лакши од воде), магнезијум, алуминијум, берилијум.
- Тешки метали (\( \rho > 5\text{ g/cm}^3 \)): олово, жива, злато, платина.
- Меки метали: алкални метали, калај, олово.
- Тврди метали: хром, волфрам, никл.
Хемијска својства: Атоми метала имају малу енергију јонизације и ниске коефицијенте електронегативности, лако отпуштају електроне и граде катјоне (\( \text{M}^+, \text{M}^{2+}, \text{M}^{3+} \)). У хемијским реакцијама делују као редукциона средства.
Реактивност метала према кисеонику и води:
- Алкални и земноалкални метали: Бурно реагују са водом градећи хидроксиде и ослобађајући водоник: \[ 2\text{K(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2\text{KOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
- Пасивизација: Метали попут \( \text{Al, Zn, Cr, Pb} \) на ваздуху тренутно граде танак, компактан оксидни слој који зауставља даљу корозију/оксидацију.
- Племенити метали: Платина (\( \text{Pt} \)) и злато (\( \text{Au} \)) не реагују директно са кисеоником. Злато не реагује ни са сумпором.
Реакције са киселинама:
1. Метали негативнијег редокс-потенцијала од водоника истискују водоник из разблажених невалидних киселина: \[ \text{Mg(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{MgCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \] 2. Са оксидујућим киселинама (концентрована \( \text{H}_2\text{SO}_4, \text{HNO}_3 \)) реакцијом се не издваја водоник, већ оксиди неметала: \[ \text{Mg(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(conc.)} \longrightarrow \text{MgSO}_4\text{(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
1. Метали негативнијег редокс-потенцијала од водоника истискују водоник из разблажених невалидних киселина: \[ \text{Mg(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{MgCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \] 2. Са оксидујућим киселинама (концентрована \( \text{H}_2\text{SO}_4, \text{HNO}_3 \)) реакцијом се не издваја водоник, већ оксиди неметала: \[ \text{Mg(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(conc.)} \longrightarrow \text{MgSO}_4\text{(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Легуре су хомогене или хетерогене смеше добијене стапањем метала са другим металима, неметалима или металоидима. Легуре имају побољшана механичка и хемијска својства у односу на чисте метале (већа тврдоћа, отпорност на корозију, нижа тачка топљења).
| Легура | Састав | Особине и примена |
|---|---|---|
| Месинг | \( \text{Cu} + \text{Zn} \) | Тврђи од бакра, добро се лије и обрађује; машински делови, украсни предмети, цеви, музички инструменти. |
| Бронза | \( \text{Cu} + \text{Sn} \) | Тврда, отпорна на корозију, лако се лије; статуе, споменици, уметнички предмети, лежајеви. |
| Дуралуминијум | \( \text{Al} + \text{Cu} + \text{Mg} + \text{Mn} \) | Лака као алуминијум, чврста као челик; авио-индустрија, ауто-индустрија, грађевинарство. |
| Лем (лимарска легура) | \( \text{Sn} + \text{Pb} \) | Ниске температуре топљења, лако пријања уз метале; спајање проводника и металних цеви. |
| Амалгам | Легура живе (\( \text{Hg} \)) са другим металом | Амалгам сребра користи се у стоматологији за пломбирање зуба. |
| Челик | \( \text{Fe} + \text{C}\ (w(\text{C}) < 2\%) \) + легирајући елементи (\( \text{Cr, Mn, Ni} \)) | Велика тврдоћа и еластичност; грађевинске конструкције, шине, машине. |
Металуршки поступци:
- Пирометалургија: Пржење/жарење руде и редукција оксида помоћу угљеника (кокса), угљеник(II)-оксида или водоника.
- Алуминотермија: Редукција оксида метала помоћу алуминијума у праху: \[ 2\text{Al(s)} + 3\text{FeO(s)} \longrightarrow 3\text{Fe(s)} + \text{Al}_2\text{O}_3\text{(s)} \]
- Хидрометалургија: Растварање руде и истискивање метала помоћу реактивнијег метала из воденог раствора његове соли.
- Електролитички поступак: Електролиза растопа или водених раствора соли (за врло реактивне метале као што су алкални, земноалкални и алуминијум).
| Карактеристика | Галвански елемент | Електролитичка ћелија |
|---|---|---|
| Трансформација енергије | Хемијска \(\longrightarrow\) Електрична | Електрична \(\longrightarrow\) Хемијска |
| Спонтност процеса | Спонтан процес (долази до самопроизводње струје) | Неспонтан процес (захтева спољашњи извор струје) |
| Анода (\(\text{A}\)) – процес оксидације | Негативно наелектрисана (\(-\)) | Позитивно наелектрисана (\(+\)) |
| Катода (\(\text{K}\)) – процес редукције | Позитивно наелектрисана (\(+\)) | Негативно наелектрисана (\(-\)) |
Хром (\( \text{Cr} \)): Налази се у 6. групи d-блока. Сребрнастосив, тврд метал високе температуре топљења. На ваздуху се пасивизира. Најважнија руда је хромит (\( \text{FeCr}_2\text{O}_4 \)). Гради легуру ферохром директном редукцијом руде коксом:
\[ \text{FeO} \cdot \text{Cr}_2\text{O}_3 + 4\text{C(s)} \longrightarrow (\text{Fe} + 2\text{Cr})(s) + 4\text{CO(g)} \]
Манган (\( \text{Mn} \)): Налази се у 7. групи d-блока. Сивобео, тврд, али крт метал. Лако реагује са разблаженим киселинама дајући \( \text{Mn}^{2+} \) јоне. Најважнија руда је пиролузит (\( \text{MnO}_2 \)). Добија се у облику феромангана за легирање челика.
Зависност кисело-базног карактера од оксидационог броја:
Са порастом оксидационог броја метала, базни карактер оксида опада, а кисели расте:
Са порастом оксидационог броја метала, базни карактер оксида опада, а кисели расте:
- \( \text{CrO} \) (базан) \(\longrightarrow\) \( \text{Cr}_2\text{O}_3 \) (амфотеран, „хромно зелено”) \(\longrightarrow\) \( \text{CrO}_3 \) (кисели оксид).
- \( \text{MnO} \) (базан) \(\longrightarrow\) \( \text{MnO}_2 \) (амфотеран, катализатор и оксиданс) \(\longrightarrow\) \( \text{Mn}_2\text{O}_7 \) (кисели оксид).
Равнотежа хромата и дихромата:
\[ \underset{\text{наранџаст}}{\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \underset{\text{жут}}{2\text{CrO}_4^{2-}} + 2\text{H}^+ \]
У киселој средини (вишак \( \text{H}^+ \)) преовлађују дихромати (наранџасти). У базној средини (вишак \( \text{OH}^- \)) преовлађују хромати (жути). Једињења \( \text{Cr(VI)} \) су јака оксидациона средства.
Оксидациона моћ \( \text{KMnO}_4 \) у зависности од pH средине:
- Кисела средина (\( \text{pH} < 7 \)): \( \overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Mn}^{2+}} \) (прима \( 5e^- \), раствор се обезбојава): \[ 2\text{KMnO}_4 + 5\text{Na}_2\text{SO}_3 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow 2\text{MnSO}_4 + 5\text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 3\text{H}_2\text{O} \]
- Неутрална средина (\( \text{pH} \approx 7 \)): \( \overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+4}{\text{MnO}_2} \) (прима \( 3e^- \), настаје смеђи талог): \[ 2\text{KMnO}_4 + 3\text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{MnO}_2\text{(s)} + 3\text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{KOH} \]
- Базна средина (\( \text{pH} > 7 \)): \( \overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+6}{\text{MnO}_4^{2-}} \) (прима \( 1e^- \), раствор постаје зелен): \[ 2\text{KMnO}_4 + \text{Na}_2\text{SO}_3 + 2\text{KOH} \longrightarrow 2\text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Особине гвожђа (\( \text{Fe} \)): Чисто гвожђе је сребрнастобео, релативно мек и жилав метал са магнетним својствима. Други је најзаступљенији метал у Земљиној кори (после алуминијума). У живим организмима саставни је део хемоглобина (хем).
Руде гвожђа: Хематит (\( \text{Fe}_2\text{O}_3 \)), магнетит (\( \text{Fe}_3\text{O}_4 \)), пирит (\( \text{FeS}_2 \)). Добија се у високој пећи редукцијом оксидних руда помоћу кокса.
Хемијско понашање гвожђа:
- Реагује са разблаженим киселинама ослобађајући водоник: \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
- Пасивизација: Концентрована азотна (\( \text{HNO}_3 \)) и концентрована сумпорна киселина (\( \text{H}_2\text{SO}_4 \)) пасивизирају гвожђе, па се оне могу чувати и транспортовати у гвозденим цистернама.
- Сагоревањем у чистом кисеонику даје мешовити оксид: \[ 3\text{Fe(s)} + 2\text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s)} \quad (\text{FeO} \cdot \text{Fe}_2\text{O}_3) \]
Једињења \( \text{Fe(II)} \) и \( \text{Fe(III)} \):
Соли \( \text{Fe}^{2+} \) су светлозелене боје и на ваздуху лако прелазе у жућкасто-смеђе соли \( \text{Fe}^{3+} \).
Светлозелени талог \( \text{Fe(OH)}_2 \) на ваздуху брзо оксидује у црвеномрки талог \( \text{Fe(OH)}_3 \): \[ 4\text{Fe(OH)}_2\text{(s)} + \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 4\text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \] Зелена галица: \( \text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O} \) (користи се као мочило и за сузбијање штеточина).
Соли \( \text{Fe}^{2+} \) су светлозелене боје и на ваздуху лако прелазе у жућкасто-смеђе соли \( \text{Fe}^{3+} \).
Светлозелени талог \( \text{Fe(OH)}_2 \) на ваздуху брзо оксидује у црвеномрки талог \( \text{Fe(OH)}_3 \): \[ 4\text{Fe(OH)}_2\text{(s)} + \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 4\text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \] Зелена галица: \( \text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O} \) (користи се као мочило и за сузбијање штеточина).
Особине: Налазе се у 11. групи Периодног система. Спадају у племените/полуплемените метале (позитиван редокс-потенцијал). Сребро има највећу електричну и топлотну проводљивост од свих метала, а одмах иза њега је бакар.
Руде: Бакар: халкопирит (\( \text{CuFeS}_2 \)), халкозин (\( \text{Cu}_2\text{S} \)), ковелин (\( \text{CuS} \)), куприт (\( \text{Cu}_2\text{O} \)). Сребро: аргентит (\( \text{Ag}_2\text{S} \)) и самородно елементарно сребро.
Реактивност:
- Бакар и сребро не истискују водоник из разблажених киселина.
- Реагују искључиво са киселинама оксидационог дејства (\( \text{HNO}_3 \), конц. \( \text{H}_2\text{SO}_4 \)).
- Бакар на ваздуху дужим стајањем формира заштитну зелену патину (\( (\text{CuOH})_2\text{SO}_4 \) или базни карбонат). Сребро тамни у присуству \( \text{H}_2\text{S} \) градећи црни \( \text{Ag}_2\text{S} \).
Важна једињења бакра и сребра:
- \( \text{CuO} \) (црн, базан), \( \text{Cu}_2\text{O} \) (црвен, базан).
- \( \text{Cu(OH)}_2 \) – плавозелени талог настао дејством базе на соли \( \text{Cu}^{2+} \).
- Плави камен (плава галица): \( \text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O} \) – користи се као фунгицид у виноградарству.
- Лапис (сребро-нитрат, \( \text{AgNO}_3 \)): фотосензитивна со, користи се као реагенс за доказивање халогенидних јона: \[ \text{AgNO}_3\text{(aq)} + \text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{AgCl(s)} \downarrow (\text{бели талог}) + \text{HNO}_3\text{(aq)} \]
Цинк (\( \text{Zn} \)): Налази се у 12. групи d-блока. Сребрнастосив метал са плавичастим сјајем. На ваздуху се пасивизира стварањем заштитног слоја оксида и карбоната, због чега се употребљава за поцинковање гвожђа и челика. Најважнија руда је сфалерит (\( \text{ZnS} \)). Оксидациони број у једињењима је искључиво \( +2 \).
Амфотерност цинка и његових једињења:
Цинк, његов оксид и хидроксид реагују и са киселинама и са јаким базама:
Цинк, његов оксид и хидроксид реагују и са киселинама и са јаким базама:
- Реакција цинк-оксида са киселином: \[ \text{ZnO(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{ZnCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
- Реакција цинк-оксида са јаком базом: \[ \text{ZnO(s)} + 2\text{NaOH(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Na}_2[\text{Zn(OH)}_4]\text{(aq)} \quad (\text{натријум-тетрахидроксидоцинкат}) \]
Цинк-оксид (\( \text{ZnO} \)): Бели прах нерастворан у води. Користи се као пигмент (цинково белило), у медицини за израду кожних масти (цинкова маст) и у стоматологији за цементе.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који од наведених метала може да истисне водоник из хлороводоничне киселине: бакар, цинк или сребро? Написати одговарајућу једначину реакције.
Водоник може да истисне само цинк, јер има негативан редокс-потенцијал и налази се испред водоника у напонском низу (бакар и сребро не истискују водоник из хлороводоничне киселине):
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{ZnCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Задатак 2 (средњи): Шта се дешава када се воденом раствору калијум-хромата жуте боје дода разблажена сумпорна киселина, а шта када се том истом раствору након тога дода вишак натријум-хидроксида?
1. Додавањем сумпорне киселине (кисела средина, пораст концентрације \( \text{H}^+ \) јона), равнотежа се помера ка дихроматном јону и раствор мења боју из жуте у наранџасту:
\[ 2\text{K}_2\text{CrO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
2. Додавањем базе (\( \text{NaOH} \)), неутралишу се \( \text{H}^+ \) јони и дихромат поново прелази у хромат, па раствор поново постаје жут.
Задатак 3 (средњи): Како се мења оксидациони број мангана у реакцији \( \text{KMnO}_4 \) са редукционим средством у изразито киселој, а како у изразито базној средини? Навести боје насталих раствора.
- У киселој средини: \( \overset{+7}{\text{Mn}} \) се редукује до \( \overset{+2}{\text{Mn}^{2+}} \) (прима \( 5e^- \)), а раствор од љубичастог постаје безбојан (соли \( \text{Mn}^{2+} \)).
- У базној средини: \( \overset{+7}{\text{Mn}} \) се редукује до \( \overset{+6}{\text{Mn}} \) (прима \( 1e^- \)), настаје манганатни јон \( \text{MnO}_4^{2-} \) и раствор постаје зелен.
Задатак 4 (тежак): Зашто се концентрована азотна киселина може чувати и транспортовати у цистернама од гвожђа или алуминијума, иако су то реактивни метали? Шта се дешава ако се у исту цистерну сипа разблажена хлороводонична киселина?
Концентрована азотна киселина (\( \text{HNO}_3 \)) делује као изузетно јако оксидационо средство и на површини гвожђа и алуминијума тренутно ствара компактан, нерастворан заштитни слој оксида – процес пасивизације, који спречава даљи контакт метала са киселином.
Ако би се сипала разблажена хлороводонична киселина (\( \text{HCl} \)), она би растворила оксидни слој и бурно реаговала са гвожђем/алуминијумом уз растварање зидова цистерне и ослобађање запаљивог гаса водоника: \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Ако би се сипала разблажена хлороводонична киселина (\( \text{HCl} \)), она би растворила оксидни слој и бурно реаговала са гвожђем/алуминијумом уз растварање зидова цистерне и ослобађање запаљивог гаса водоника: \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
