Најважније из лекције
Метали: Елементи левог и средишњег дела ПСЕ који отпуштањем валентних електрона лако граде катјоне.
Физичка својства: Кристална чврста тела високе електропроводљивости и топлотне проводљивости, ковна (изузетак: течна \(\text{Hg}\)).
Хемијска својства: Граде оксиде, хидроксиде и соли. Реактивни метали са киселинама ослобађају \(\text{H}_2\) (нпр. \(\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\)), док бакар не реагује са разблаженом \(\text{HCl}\).
Базе и неутрализација: Оксиди алкалних/земноалкалних метала са водом дају хидроксиде (\(\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2\)). Базе неутралишу киселине дајући со и воду (\(\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}\)).
Легуре и заштита: Челик (\(\text{Fe}+\text{C}\)), бронза (\(\text{Cu}+\text{Sn}\)), месинг (\(\text{Cu}+\text{Zn}\)), дуралуминијум (\(\text{Al}+\text{Cu}/\text{Mg}\)). Корозија се спречава поцинковањем, бојењем и легирањем.
Физичка својства: Кристална чврста тела високе електропроводљивости и топлотне проводљивости, ковна (изузетак: течна \(\text{Hg}\)).
Хемијска својства: Граде оксиде, хидроксиде и соли. Реактивни метали са киселинама ослобађају \(\text{H}_2\) (нпр. \(\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\)), док бакар не реагује са разблаженом \(\text{HCl}\).
Базе и неутрализација: Оксиди алкалних/земноалкалних метала са водом дају хидроксиде (\(\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2\)). Базе неутралишу киселине дајући со и воду (\(\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}\)).
Легуре и заштита: Челик (\(\text{Fe}+\text{C}\)), бронза (\(\text{Cu}+\text{Sn}\)), месинг (\(\text{Cu}+\text{Zn}\)), дуралуминијум (\(\text{Al}+\text{Cu}/\text{Mg}\)). Корозија се спречава поцинковањем, бојењем и легирањем.
Метали чине више од 90 хемијских елемената и заузимају леви и средишњи део Периодног система елемената (ПСЕ).
Подела метала у ПСЕ:
- 1. група: Алкални метали (\(\text{Li}, \text{Na}, \text{K}...\))
- 2. група: Земноалкални метали (\(\text{Be}, \text{Mg}, \text{Ca}...\))
- 3-12. група: Прелазни метали (\(\text{Fe}, \text{Cu}, \text{Zn}, \text{Ag}, \text{Au}...\))
- 13-18. група: Метали главних група (\(\text{Al}, \text{Sn}, \text{Pb}...\))
- Издвојени низови: Лантаноиди и актиноиди
Формирање катјона: Атоми метала имају мали број валентних електрона које лако отпуштају како би стекли стабилну електронску конфигурацију, чиме прелазе у позитивно наелектрисане јоне - катјоне.
\[ \text{Na} \xrightarrow{-1\text{e}^-} \text{Na}^+ \qquad \text{Mg} \xrightarrow{-2\text{e}^-} \text{Mg}^{2+} \qquad \text{Al} \xrightarrow{-3\text{e}^-} \text{Al}^{3+} \]
Заступљеност у природи:
- Земљина кора: Најзаступљенији метал је алуминијум (\(\text{Al}\)), а следи га гвожђе (\(\text{Fe}\)). Већина се налази у облику руда (нпр. боксит за \(\text{Al}\), хематит и магнетит за \(\text{Fe}\)). Племенитији метали (\(\text{Au}, \text{Ag}, \text{Cu}\)) налазе се и у елементарном стању.
- Живи свет: Калцијум (\(\text{Ca}^{2+}\)) у костима, зубима и љускама; магнезијум (\(\text{Mg}^{2+}\)) у хлорофилу (фотосинтеза); гвожђе (\(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}\)) у хемоглобину (пренос кисеоника); натријум (\(\text{Na}^+\)) и калијум (\(\text{K}^+\)) у телесним течностима.
Напишите електронски распоред по нивоима за атом натријума (\(Z=11\)) и објасните како настаје његов јон.
Распоред електрона је \(K(2), L(8), M(1)\). Атом натријума отпушта један валентни електрон из \(M\) нивоа и постаје стабилан катјон \(\text{Na}^+\) са распоредом \(K(2), L(8)\).
Општа физичка својства:
- Чврстог агрегатног стања на собној температури (изузетак: жива \(\text{Hg}\) је течна).
- Кристалне структуре, сребрнастосиве боје (изузеци: бакар \(\text{Cu}\) је црвен, злато \(\text{Au}\) је жуто).
- Добри проводници електричне струје и топлоте.
- Ковност и пластичност (могу се ковати, ваљати у лимове и извлачити у жице).
- Високе температуре топљења (изузеци: \(\text{Hg}\), галијум \(\text{Ga}\) се топи на температури длана, алкални метали).
Хемијска својства: Метали лако реагују са неметалима градећи једињења јонске структуре:
\[ 2\text{Na} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{NaCl} \quad (\text{хлорид}) \]
\[ 2\text{Ca} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{CaO} \quad (\text{оксид}) \]
\[ \text{Fe} + \text{S} \longrightarrow \text{FeS} \quad (\text{сулфид}) \]
Реакција метала са киселинама: Већина метала истискује водоник из разблажених киселина градећи со:
\[ \text{метал} + \text{киселина} \longrightarrow \text{со} + \text{водоник} \; (\text{H}_2\uparrow) \]
\[ \text{Zn} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \]
Бакар (\(\text{Cu}\)), сребро (\(\text{Ag}\)) и злато (\(\text{Au}\)) не реагују са разблаженом хлороводоничном киселином уз издвајање водоника.
Типични (изразити) метали обухватају елементе 1. групе (1 валентни електрон) и 2. групе (2 валентна електрона). Веома су меки (могу се сећи ножем) и изузетно хемијски реактивни.
Због бурне реакције са кисеоником и влагом из ваздуха, алкални метали и већина земноалкалних метала чувају се уроњени у петролеј (изузеци су \(\text{Be}\) и \(\text{Mg}\)).
Реакције изразитих метала са водом: Граде се одговарајући хидроксиди уз ослобађање гасовитог водоника и велике количине топлоте:
\[ 2\text{K} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{KOH} + \text{H}_2\uparrow \]
\[ \text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow \]
Магнезијум са хладном водом реагује врло споро, док са топлом водом реагује брже. На ваздуху гори блештавим пламеном:
\[ 2\text{Mg} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{MgO} \]
Важна једињења у свакодневном животу:
- \(\text{NaCl}\) - кухињска (морска/камена) со
- \(\text{NaHCO}_3\) - сода бикарбона (натријум-хидрогенкарбонат)
- \(\text{CaCO}_3\) - кречњак, мермер, креда
- \(\text{KNO}_3\) - шалитра
| Метал | Специфична својства | Понашање на ваздуху | Реакција са разблаженом \(\text{HCl}\) |
|---|---|---|---|
| Гвожђе (\(\text{Fe}\)) | Магнетично, крто, валенце II и III | Рђа (не формира заштитни слој) | \(\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\) |
| Алуминијум (\(\text{Al}\)) | Лаган метал (мала густина), стална валенца III | Пасивизира се слојем \(\text{Al}_2\text{O}_3\) | \(2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\) |
| Бакар (\(\text{Cu}\)) | Црвене боје, одличан проводник, валенце I и II | Прекрива се зеленом патином | Не реагује |
| Олово (\(\text{Pb}\)) | Велика густина, меко, штити од зрачења, токсично | Формира заштитни површински слој | \(\text{Pb} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{PbCl}_2 + \text{H}_2\) |
| Цинк (\(\text{Zn}\)) | Стална валенца II, користи се за поцинковање | Формира заштитни слој оксида/карбоната | \(\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\) |
Значајни минерали и оксиди:
- Корунд (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)): Изузетно тврд минерал. Драги варијетети су рубин (црвен) и сафир (плав).
- Рђа (\(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}\)): Порозна смеша која омогућава да се пропадање гвожђа настави у дубину.
- Патина: Базна со бакра зелене боје која штити бакарне кровове и споменике.
Легура је хомогена смеша настала мешањем и хлађењем растопљених метала са другим металима или неметалима (поступак се назива легирање), чиме се побољшавају механичка и хемијска својства.
Најважније легуре:
- Челик: Легура гвожђа са угљеником (\(\text{C} \le 1{,}7\%\)). За разлику од чистог гвожђа, челик је тврд и еластичан (црна металургија).
- Дуралуминијум: Алуминијум са додатком \(\text{Cu}, \text{Mg}, \text{Mn}\) - лак и чврст, користи се у авио-индустрији.
- Силумин: Легура алуминијума и силицијума (\(\text{Al} + \text{Si}\)) - отпорна на влагу, за ауто-моторе.
- Бронза: Легура бакра и калаја (\(\text{Cu} + \text{Sn}\)) - за споменике, новчиће, медаље, звона (не варничи).
- Месинг: Легура бакра и цинка (\(\text{Cu} + \text{Zn}\)) - златне боје, отпорна на хабање (инструменти, браве, кваке).
Корозија је физичко-хемијско пропадање метала под утицајем спољашње средине (кисеоник, влага, угљен-диоксид). Најпознатији облик корозије је рђање гвожђа.
Методе заштите укључују: премазивање лаковима и бојама, легирање (нпр. нерђајући челик) и поцинковање (превлачење гвоздених лимова танким слојем цинка).
Базни оксиди су оксиди метала који у реакцији са киселинама дају со и воду:
\[ \text{базни оксид} + \text{киселина} \longrightarrow \text{со} + \text{вода} \]
\[ \text{CaO} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{MgO} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Оксиди алкалних и земноалкалних метала реагују са водом градећи хидроксиде:
\[ \text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 \]
(\(\text{CaO}\) - негашени креч; \(\text{Ca(OH)}_2\) - гашени креч; водена суспензија - кречно млеко).
Електролитичка дисоцијација хидроксида: Растварањем у води, хидроксиди дисосују на катјоне метала и хидроксидне анјоне (\(\text{OH}^-\)), што чини њихове растворе базним (лакмус хартија плави):
\[ \text{NaOH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
\[ \text{Ca(OH)}_2 \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Ca}^{2+} + 2\text{OH}^- \]
Реакција неутрализације: Реакција између базе и киселине при чему настају со и вода:
\[ \text{база} + \text{киселина} \longrightarrow \text{со} + \text{вода} \]
\[ \text{NaOH} + \text{HCl} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \]
Примена база: \(\text{NaOH}\) (жива/каустична сода) користи се за сапуне и одмашћивање; \(\text{Ca(OH)}_2\) у грађевинарству (малтер); \(\text{Al(OH)}_3\) за сузбијање вишка желудачне киселине.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који је једини метал који се на собној температури налази у течном агрегатном стању и по чему се његова боја разликује од злата и бакра?
Једини течни метал на собној температури је жива (\(\text{Hg}\)). Она је сребрнастосиве боје, док је бакар црвене, а злато жуте боје.
Задатак 2 (средњи): Напишите једначине следећих хемијских реакција:
а) Реакција калијума са водом
б) Реакција цинка са хлороводоничном киселином
в) Неутрализација калцијум-хидроксида хлороводоничном киселином
а) Реакција калијума са водом
б) Реакција цинка са хлороводоничном киселином
в) Неутрализација калцијум-хидроксида хлороводоничном киселином
а) \( 2\text{K} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{KOH} + \text{H}_2\uparrow \)
б) \( \text{Zn} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \)
в) \( \text{Ca(OH)}_2 + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{CaCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \)
б) \( \text{Zn} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \)
в) \( \text{Ca(OH)}_2 + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{CaCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \)
Задатак 3 (средњи): Одредите о којим легурама је реч на основу њиховог састава:
а) Легура бакра и калаја
б) Легура гвожђа са масеним уделом угљеника до \(1{,}7\%\)
в) Легура бакра и цинка
а) Легура бакра и калаја
б) Легура гвожђа са масеним уделом угљеника до \(1{,}7\%\)
в) Легура бакра и цинка
а) Бронза
б) Челик
в) Месинг
б) Челик
в) Месинг
Задатак 4 (тежак): У две епрувете са разблаженом хлороводоничном киселином убачене су по једнака трака метала: у прву алуминијум, а у другу бакар.
а) Шта ће се уочити у свакој епрувети?
б) Напишите једначину реакције за епрувету у којој долази до промене.
в) Зашто је алуминијум на ваздуху заштићен од корозије иако је хемијски врло реактиван метал?
а) Шта ће се уочити у свакој епрувети?
б) Напишите једначину реакције за епрувету у којој долази до промене.
в) Зашто је алуминијум на ваздуху заштићен од корозије иако је хемијски врло реактиван метал?
а) У првој епрувети (са \(\text{Al}\)) долази до бурне реакције уз издвајање мехурића гаса (водоника). У другој епрувети (са \(\text{Cu}\)) нема видљиве реакције јер бакар не реагује са разблаженом \(\text{HCl}\).
б) \( 2\text{Al} + 6\text{HCl} \longrightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow \)
в) Алуминијум у додиру са кисеоником из ваздуха гради компактан, танак и чврст слој алуминијум-оксида (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) који га пасивизира и физички спречава даљи контакт унутрашњости метала са кисеоником и влагом.
б) \( 2\text{Al} + 6\text{HCl} \longrightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow \)
в) Алуминијум у додиру са кисеоником из ваздуха гради компактан, танак и чврст слој алуминијум-оксида (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) који га пасивизира и физички спречава даљи контакт унутрашњости метала са кисеоником и влагом.
