Најважније из лекције
Калај (\(\text{Sn}\)) и олово (\(\text{Pb}\)) су метали 14. групе са оксидационим бројевима \(+2\) и \(+4\).
Алотропија: Бели калај (\(\beta\text{-Sn}\)) је стабилан метал на собној температури; испод \(13\ ^\circ\text{C}\) прелази у крти сиви калај (\(\alpha\text{-Sn}\)) - „калајна куга”.
Оксиди: Хидроксиди и оксиди су амфотерни. Најзначајнији оксиди олова су \(\text{PbO}\) (жут), \(\text{PbO}_2\) (црн, јак оксиданс) и \(\text{Pb}_3\text{O}_4\) (минијум, мешовити \(2\text{PbO}\cdot\text{PbO}_2\)).
Руде и легуре: Главне руде су каситерит (\(\text{SnO}_2\)) и галенит (\(\text{PbS}\)). Важне легуре су бронза (\(\text{Cu}-\text{Sn}\)), лем (\(\text{Sn}-\text{Pb}\)) и штампарско олово (\(\text{Pb}-\text{Sb}-\text{Sn}\)).
Оловни акумулатор: Састоји се од аноде (\(\text{Pb}\)), катоде (\(\text{PbO}_2\)) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\) (\(w \approx 20\%\)), са укупним напоном \(12\text{ V}\) (\(6 \times 2\text{ V}\)). Током пражњења на обе електроде се формира \(\text{PbSO}_4\).
Алотропија: Бели калај (\(\beta\text{-Sn}\)) је стабилан метал на собној температури; испод \(13\ ^\circ\text{C}\) прелази у крти сиви калај (\(\alpha\text{-Sn}\)) - „калајна куга”.
Оксиди: Хидроксиди и оксиди су амфотерни. Најзначајнији оксиди олова су \(\text{PbO}\) (жут), \(\text{PbO}_2\) (црн, јак оксиданс) и \(\text{Pb}_3\text{O}_4\) (минијум, мешовити \(2\text{PbO}\cdot\text{PbO}_2\)).
Руде и легуре: Главне руде су каситерит (\(\text{SnO}_2\)) и галенит (\(\text{PbS}\)). Важне легуре су бронза (\(\text{Cu}-\text{Sn}\)), лем (\(\text{Sn}-\text{Pb}\)) и штампарско олово (\(\text{Pb}-\text{Sb}-\text{Sn}\)).
Оловни акумулатор: Састоји се од аноде (\(\text{Pb}\)), катоде (\(\text{PbO}_2\)) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\) (\(w \approx 20\%\)), са укупним напоном \(12\text{ V}\) (\(6 \times 2\text{ V}\)). Током пражњења на обе електроде се формира \(\text{PbSO}_4\).
14. (IVA) група ПСЕ: Калај (\(\text{Sn}\), \(Z=50\)) и олово (\(\text{Pb}\), \(Z=82\)) су тешки метали \(p\)-блока. У истој групи се налазе неметал угљеник (\(\text{C}\)), металоиди силицијум (\(\text{Si}\)) и германијум (\(\text{Ge}\)), као и синтетички елемент флеровијум (\(\text{Fl}\)).
Оксидациони бројеви у једињењима: \(+2\) и \(+4\). Стабилни катјони у растворима су \(\text{M}^{2+}\) (\(\text{Sn}^{2+}\) и \(\text{Pb}^{2+}\)).
Алотропија калаја:
- Бели калај (\(\beta\text{-Sn}\)): Стабилна метална модификација на собној температури (изнад \(13\ ^\circ\text{C}\)), мекан, кован и растегљив; пресовањем се извлачи у танке листиће (станиол).
- Сиви калај (\(\alpha\text{-Sn}\)): Неметална модификација са дијамантском решетком, стабилна на температурама испод \(13\ ^\circ\text{C}\). Прелаз белог у сиви калај праћен је дробљењем у сиви прах, што се назива „калајна куга” (музејска болест).
Олово (\(\text{Pb}\)) је веома мекан и тежак метал сивкасте боје који се може сећи ножем. Разлог за мекоћу је слаба метална веза, јер у њој у просеку учествују само два валентна електрона по атому (не јонизују се сви валентни електрони).
Зашто се олово може лако сећи обичним лабораторијским ножем, за разлику од већине других метала?
У кристалној решетки олова нису делокализована сва четири валентна електрона, већ само два, због чега је метална веза знатно слабија него код већине других метала.
Пасивизација: Оба метала су релативно постојана на ваздуху на собној температури јер се на њиховој површини формира компактан заштитни слој:
- Код калаја: слој оксида \(\text{SnO}_2\).
- Код олова: слој оксида и базног карбоната \((\text{PbOH})_2\text{CO}_3\).
Калај и олово су слаба редукциона средства. Калај лагано реагује са разблаженом хлороводоничном киселином ослобађајући водоник:
\[ \text{Sn(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{SnCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Олово при СТП практично не реагује са хлороводоничном киселином због површинске пасивизације и ниског електродног потенцијала.
Амфотерност: Оксиди и хидроксиди калаја и олова (\(\text{SnO}\), \(\text{SnO}_2\), \(\text{PbO}\), \(\text{Pb(OH)}_2\)) имају амфотеран карактер - растварају се и у киселинама и у јаким базама градећи комплексне соли (станите/станате, односно плумбите/плумбате).
Најважнији оксиди олова:
- Олово(II)-оксид (\(\text{PbO}\)): Жут неоргански пигмент (глет).
- Олово(IV)-оксид (\(\text{PbO}_2\)): Тамносмеђи/црни прах; изразито јако оксидационо средство. У реакцији са \(\text{HCl}\) оксидује хлоридне јоне у елементарни хлор: \[ \text{PbO}_2\text{(s)} + 4\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{PbCl}_2\text{(s)} + \text{Cl}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
- Минијум (\(\text{Pb}_3\text{O}_4\)): Јарконаранџасти мешовити оксид састава \(2\text{PbO} \cdot \text{PbO}_2\), у којем се олово истовремено налази у оксидационим стањима \(+2\) и \(+4\). Користи се као антикорозивни премаз за гвожђе и у индустрији оптичког стакла.
Олово и његова једињења су кумулативни отрови (таложе се у костима и меким ткивима), те је њихова употреба у широј потрошњи строго ограничена.
Одредити оксидационе бројеве свих атома у једињењу минијум (\(\text{Pb}_3\text{O}_4\)).
Минијум је мешовити оксид \(2\text{Pb}^{\text{+II}}\text{O} \cdot \text{Pb}^{\text{+IV}}\text{O}_2\). Два атома олова имају оксидациони број \(+2\), један атом олова има оксидациони број \(+4\), док сви атоми кисеоника имају оксидациони број \(-2\).
Руде: У природи се не налазе у елементарном стању. Најважније руде су:
- Каситерит (\(\text{SnO}_2\)) - калајни каменац
- Галенит (\(\text{PbS}\)) - оловни сјајник
Добијање калаја редукцијом каситерита (коксом или алуминотермијом):
\[ 3\text{SnO}_2\text{(s)} + 4\text{Al(s)} \longrightarrow 3\text{Sn(s)} + 2\text{Al}_2\text{O}_3\text{(s)} \]
| Легура / Материјал | Састав | Примена |
|---|---|---|
| Бронза | \(\approx 80\%\ \text{Cu} + \approx 20\%\ \text{Sn}\) | Израда лежајева, зупчаника, статуа, звона. |
| Лем (легура за лемљење) | \(\text{Sn} + \text{Pb}\) | Спајање електричних контаката и металних цеви. |
| Штампарско олово | \(\text{Pb} + \text{Sb} + \text{Sn}\) | Ливење слова и клишеа за штампарске пресе. |
| Бели лим | Челични лим превучен слојем \(\text{Sn}\) | Амбалажа у прехрамбеној индустрији (конзерве). |
Зашто се за израду конзерви у прехрамбеној индустрији користи калајисани челик (бели лим), а не оловни премаз?
Калај је неотрован и хемијски постојан на дејство органских киселина из хране, док су олово и његова једињења изузетно токсични за људски организам.
Оловни акумулатор је реверзибилни секундарни хемијски извор једносмерне струје који се састоји од шест серијски повезаних галванских спрегова (напон појединачне ћелије је \(2\text{ V}\), укупан напон \(12\text{ V}\)).
Састав и сумарна редокс реакција акумулатора:
• Анода (\(-\)): сунђерасто олово (\(\text{Pb}\))
• Катода (\(+\)): олово(IV)-оксид (\(\text{PbO}_2\))
• Електролит: водени раствор сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\), \(w \approx 20\%\)) \[ \text{Pb(s)} + \text{PbO}_2\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \underset{\text{пуњење}}{\overset{\text{пражњење}}{\rightleftarrows}} 2\text{PbSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
• Анода (\(-\)): сунђерасто олово (\(\text{Pb}\))
• Катода (\(+\)): олово(IV)-оксид (\(\text{PbO}_2\))
• Електролит: водени раствор сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\), \(w \approx 20\%\)) \[ \text{Pb(s)} + \text{PbO}_2\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \underset{\text{пуњење}}{\overset{\text{пражњење}}{\rightleftarrows}} 2\text{PbSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Сулфатизација (старење акумулатора): Током пражњења на обе електроде настаје олово(II)-сулфат (\(\text{PbSO}_4\)). Уколико акумулатор дуго стоји испражњен или се користи на ниским температурама, таложе се крупни кристали \(\text{PbSO}_4\) који се не могу разградити при пуњењу, што трајно смањује капацитет акумулатора.
Шта се дешава са густином и концентрацијом сумпорне киселине у акумулатору током његовог пражњења?
Током пражњења, сумпорна киселина се троши, а настаје вода, па се концентрација и густина електролита (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) смањују.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који оксидациони број има калај у каситериту, а који олово у галениту?
У каситериту (\(\text{SnO}_2\)) калај има оксидациони број \(+4\).
У галениту (\(\text{PbS}\)) олово има оксидациони број \(+2\) (јер је сулфидни јон \(\text{S}^{2-}\)).
У галениту (\(\text{PbS}\)) олово има оксидациони број \(+2\) (јер је сулфидни јон \(\text{S}^{2-}\)).
Задатак 2 (средњи): Напишите једначине хемијских реакција које доказују амфотерни карактер олово(II)-хидроксида:
а) реакција са азотном киселином;
б) реакција са натријум-хидроксидом при чему настаје натријум-тетрахидроксоплумбат(II).
а) реакција са азотном киселином;
б) реакција са натријум-хидроксидом при чему настаје натријум-тетрахидроксоплумбат(II).
а) Реагујући као база са киселином гради со и воду:
\[ \text{Pb(OH)}_2\text{(s)} + 2\text{HNO}_3\text{(aq)} \longrightarrow \text{Pb(NO}_3)_2\text{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
б) Реагујући као киселина са јаком базом гради комплекс:
\[ \text{Pb(OH)}_2\text{(s)} + 2\text{NaOH(aq)} \longrightarrow \text{Na}_2[\text{Pb(OH)}_4]\text{(aq)} \]
Задатак 3 (средњи): Олово(IV)-оксид је снажно оксидационо средство. Одредите оксидационо и редукционо средство у следећој реакцији:
\[ \text{PbO}_2\text{(s)} + 4\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{PbCl}_2\text{(s)} + \text{Cl}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
• Олово мења оксидациони број са \(+4\) (у \(\text{PbO}_2\)) на \(+2\) (у \(\text{PbCl}_2\)) - олово се редукује, па је \(\text{PbO}_2\) оксидационо средство.
• Хлор из хлороводоничне киселине мења оксидациони број са \(-1\) (у \(\text{HCl}\)) на \(0\) (у \(\text{Cl}_2\)) - хлор се оксидује, па је \(\text{HCl}\) редукционо средство.
• Хлор из хлороводоничне киселине мења оксидациони број са \(-1\) (у \(\text{HCl}\)) на \(0\) (у \(\text{Cl}_2\)) - хлор се оксидује, па је \(\text{HCl}\) редукционо средство.
Задатак 4 (тежак): Изједначите оксидо-редукциону реакцију одређивањем броја отпуштених и примљених електрона:
\[ \text{KMnO}_4 + \text{HCl} + \text{SnCl}_2 \longrightarrow \text{KCl} + \text{MnCl}_2 + \text{SnCl}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
1. Оксидациона стања која се мењају:
\(\text{Mn}^{+7} \longrightarrow \text{Mn}^{+2}\) (прима \(5\text{ e}^-\), редукција)
\(\text{Sn}^{+2} \longrightarrow \text{Sn}^{+4}\) (отпушта \(2\text{ e}^-\), оксидација)
2. НЗС за пренете електроне је 10:
\(2 \cdot \text{Mn}^{+7} + 10\text{ e}^- \longrightarrow 2\text{Mn}^{+2}\)
\(5 \cdot \text{Sn}^{+2} - 10\text{ e}^- \longrightarrow 5\text{Sn}^{+4}\)
3. Постављање стехиометријских коефицијената: \[ 2\text{KMnO}_4 + 16\text{HCl} + 5\text{SnCl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + 2\text{MnCl}_2 + 5\text{SnCl}_4 + 8\text{H}_2\text{O} \]
\(\text{Mn}^{+7} \longrightarrow \text{Mn}^{+2}\) (прима \(5\text{ e}^-\), редукција)
\(\text{Sn}^{+2} \longrightarrow \text{Sn}^{+4}\) (отпушта \(2\text{ e}^-\), оксидација)
2. НЗС за пренете електроне је 10:
\(2 \cdot \text{Mn}^{+7} + 10\text{ e}^- \longrightarrow 2\text{Mn}^{+2}\)
\(5 \cdot \text{Sn}^{+2} - 10\text{ e}^- \longrightarrow 5\text{Sn}^{+4}\)
3. Постављање стехиометријских коефицијената: \[ 2\text{KMnO}_4 + 16\text{HCl} + 5\text{SnCl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + 2\text{MnCl}_2 + 5\text{SnCl}_4 + 8\text{H}_2\text{O} \]
