Најважније из лекције
- Алуминијум (\( \mathrm{Al} \)): Најзаступљенији метал Zemljine коре (руда боксит); валенца III; пасивизира се слојем \( \mathrm{Al_2O_3} \); са \( \mathrm{HCl} \) гради \( \mathrm{AlCl_3} \) и \( \mathrm{H_2} \); легура: дуралуминијум.
- Гвожђе (\( \mathrm{Fe} \)): Руде (магнетит, хематит); валенце II и III; рђа на влажном ваздуху (\( \mathrm{Fe_2O_3 \cdot nH_2O} \)) и не штити се само; прерадом сировог гвожђа добија се челик; улази у састав хемоглобина.
- Бакар (\( \mathrm{Cu} \)): Црвенкаст метал; валенце I и II; на ваздуху гради зелену патину; не реагује са \( \mathrm{HCl} \), реагује са конц. \( \mathrm{H_2SO_4} \) и \( \mathrm{HNO_3} \); легуре: бронза (\( \mathrm{Cu+Sn} \)) и месинг (\( \mathrm{Cu+Zn} \)).
- Цинк (\( \mathrm{Zn} \)) и Олово (\( \mathrm{Pb} \)): Цинк (валенца II) служи за поцинковање гвожђа; олово (руда галенит, велика густина) служи за заштиту од зрачења и акумулаторе, али је изузетно токсично.
Најзаступљенији метал у Земљиној кори (трећи елемент по маси, после кисеоника и силицијума). У природи се налази искључиво у облику једињења, а најважнија руда из које се добија јесте боксит (\( \mathrm{Al_2O_3 \cdot nH_2O} \)).
Валенца: У свим својим једињењима алуминијум има сталну валенцу III.
Физичка својства: Светлосиве боје, металног сјаја, мале густине (лак метал), добар проводник топлоте и електричне струје. Веома је мек, лако се извлачи у жице и ваља у танке фолије. Одбија 95 % топлотног зрачења и 99 % видљиве светлости.
Пасивизација: У контакту са ваздухом на површини алуминијума брзо настаје веома танак, чврст и компактан слој оксида (\( \mathrm{Al_2O_3} \)) који га штити од даљег дејства ваздуха и воде.
Реакција алуминијума са хлороводоничном киселином (киселина раствара заштитни оксидни слој):
\[ \mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow} \]
Примена: Због мале густине и проводљивости користи се за далеководе, делове авиона, грађевинске профиле, конзерве, кухињско посуђе и фолије. За израду компакт-дискова (CD) користи се алуминијум чистоће 99,999 %, а за огледала због високе рефлексије светлости.
Четврти елемент по заступљености у Земљиној кори. Индустријски се добија у високој пећи из руда: магнетит (\( \mathrm{Fe_3O_4} \)), хематит (\( \mathrm{Fe_2O_3} \)), лимонит (\( \mathrm{FeO(OH) \cdot nH_2O} \)), сидерит (\( \mathrm{FeCO_3} \)) и пирит (\( \mathrm{FeS_2} \)).
Валенца: У једињењима има променљиву валенцу – гради јоне \( \mathrm{Fe^{2+}} \) (валенца II) и \( \mathrm{Fe^{3+}} \) (валенца III), због чега се валенца обавезно наводи у називу једињења.
Физичка својства: Сив метал, металног сјаја, велике густине и високих температура топљења и кључања. Добар је проводник топлоте и струје. У магнетном пољу се привремено магнетише.
Рђање (корозија): На влажном ваздуху (у присуству воде и раствореног кисеоника) гвожђе рђа и ствара хидратисани гвожђе(III)-оксид (\( \mathrm{Fe_2O_3 \cdot nH_2O} \)). Овај слој је растресит и не штити метал од даљег пропадања.
Реакције са хлороводоничном и разблаженом сумпорном киселином:
\[ \mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow} \]
\[ \mathrm{Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow} \]
Сирово гвожђе и челик: Производ високе пећи је сирово гвожђе (садржи већи проценат угљеника и нечистоћа, крто је). Његовом прерадом смањује се садржај угљеника и добија се челик, који је тврђи и еластичнији. Додатком других метала добијају се легирани челици:
- са манганом (Mn) – за железничке шине (велика тврдоћа и еластичност);
- са хромом (Cr) – нерђајући челик (посуђе, бојлери);
- са кобалтом (Co) и никлом (Ni) – хируршки инструменти и специјални алати.
Метал карактеристичне црвенкасте боје. У природи се јавља као елементаран (самородан) и у рудама: халкозин (\( \mathrm{Cu_2S} \)), халкопирит (\( \mathrm{CuFeS_2} \)), куприт (\( \mathrm{Cu_2O} \)) и азурит (\( \mathrm{Cu_3(OH)_2(CO_3)_2} \)).
Валенца: У једињењима има валенцу I или II, што се обавезно наводи у називу.
Понашање на ваздуху: Дужим излагањем ваздуху бакар прво поцрни услед стварања \( \mathrm{CuO} \), а затим добија зелену заштитну превлаку – патину (базни карбонат бакра):
\[ \mathrm{2Cu + O_2 + CO_2 + H_2O \rightarrow Cu(OH)_2 \cdot CuCO_3} \]
Бакар не реагује са хлороводоничном киселином (\( \mathrm{HCl} \)), већ само са јаким оксидујућим киселинама (концентрована сумпорна и азотна киселина).
Реакције бакра са киселинама:
- Са концентрованом сумпорном киселином: \[ \mathrm{Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O} \]
- Са концентрованом азотном киселином (издваја се мрки гас \( \mathrm{NO_2} \)): \[ \mathrm{Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O} \]
- Са разблаженом азотном киселином настају \( \mathrm{Cu(NO_3)_2} \), вода и гас \( \mathrm{NO} \).
Примена: Израда електричних каблова, проводника, цеви, лимова и легура (бронза и месинг).
Цинк (\( \mathrm{Zn} \)): Сив метал металног сјаја. Најважније руде су сфалерит (\( \mathrm{ZnS} \)) и смитсонит (\( \mathrm{ZnCO_3} \)).
- Има сталну валенцу II.
- Постојан је на ваздуху јер ствара заштитни оксидни/карбонатни слој.
- Користи се за поцинковање (превлачење гвозденог лима и жица ради заштите од корозије) и за легуре (месинг).
Реакција цинка са хлороводоничном киселином:
\[ \mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow} \]
Олово (\( \mathrm{Pb} \)): Плавичастосив метал, веома мек и велике густине. Најважнија руда је галенит (\( \mathrm{PbS} \)).
- На ваздуху се превлачи заштитним танким слојем оксида и базног карбоната.
- Користи се за израду акумулатора, заштиту од рендгенског (\( \mathrm{X} \)) зрачења, облагање каблова и у хемијској индустрији.
Олово и његова једињења спадају у најотровније материје и тешке метале.
Легуре: Хомогене или хетерогене смеше два или више елемената (од којих је барем један метал) које имају својства метала, али су по правилу знатно тврђе, механички отпорније или отпорније на корозију од чистих метала.
| Легура | Састав | Главне особине и примена |
|---|---|---|
| Дуралуминијум | \( \mathrm{Al + Cu + Mg + Mn} \) | Мала густина, велика тврдоћа; авио, ауто и бродоградња. |
| Бронза | \( \mathrm{Cu + Sn} \) (бакар + калај) | Тврда, отпорна на хабање; скулптуре, лежајеви, звона. |
| Месинг | \( \mathrm{Cu + Zn} \) (бакар + цинк) | Лако се обрађује, леп изглед; музички инструменти, украси, цеви. |
| Челик | \( \mathrm{Fe + C} \) (+ \( \mathrm{Mn, Cr, Ni, Co} \)) | Велика чврстоћа и жилавост; грађевинарство, алат, хирургија. |
Биолошка улога метала:
- Гвожђе (\( \mathrm{Fe^{2+}} \)): Неопходан састојак хемоглобина у крви који везује и преноси кисеоник.
- Бакар и цинк: Есенцијални микроелементи, неопходни за функционисање ензима у ћелијама.
- Алуминијум и олово: Немају биолошку функцију; јони \( \mathrm{Al^{3+}} \) су токсични за корење биљака у киселим земљиштима, док је олово кумулативни отров за људе.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Зашто алуминијумски предмети на ваздуху не пропадају и остају сјајни дуги низ година, док гвоздени предмети брзо зарђају и пропадају?
Алуминијум у додиру са кисеоником из ваздуха веома брзо на својој површини формира компактан и чврст заштитни слој оксида (\( \mathrm{Al_2O_3} \)) који спречава даљи контакт унутрашњости метала са ваздухом и водом. За разлику од њега, рђа која се ствара на гвожђу (\( \mathrm{Fe_2O_3 \cdot nH_2O} \)) је растресита и порозна, пропушта влагу и кисеоник дубље у метал, те се процес корозије наставља све док метал потпуно не пропадне.
Задатак 2 (средњи): Напишите једначине хемијских реакција:
а) Цинка са сумпорном киселином (\( \mathrm{H_2SO_4} \))
б) Алуминијума са хлороводоничном киселином (\( \mathrm{HCl} \))
а) Цинка са сумпорном киселином (\( \mathrm{H_2SO_4} \))
б) Алуминијума са хлороводоничном киселином (\( \mathrm{HCl} \))
а) Цинк има сталну валенцу II, па замењује водоник у киселини:
\[ \mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow} \]
(производи су цинк-сулфат и гасовити водоник).
б) Алуминијум има валенцу III: \[ \mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow} \] (производи су алуминијум-хлорид и гасовити водоник).
б) Алуминијум има валенцу III: \[ \mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow} \] (производи су алуминијум-хлорид и гасовити водоник).
Задатак 3 (средњи): Да ли бакар реагује са разблаженом хлороводоничном киселином? Објасните како бакар реагује са концентрованом сумпорном киселином и напишите одговарајућу једначину.
Бакар не реагује са хлороводоничном киселином. Он реагује само са јаким оксидујућим киселинама као што је концентрована сумпорна киселина, при чему се не издваја водоник, већ настају бакар(II)-сулфат, гасовити сумпор(IV)-оксид и вода:
\[ \mathrm{Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O} \]
Задатак 4 (тежак): За израду конструкција авиона не користи се чист алуминијум иако има малу густину, већ његова легура дуралуминијум. Који елементи улазе у састав дуралуминијума и због чега ова легура има предност у односу на чист алуминијум?
Дуралуминијум је легура коју чине алуминијум (Al), бакар (Cu), магнезијум (Mg) и манган (Mn). Чист алуминијум је сувише мек и нема задовољавајућу механичку чврстоћу за носеће авионске конструкције. Додатком ових елемената легура задржава малу густину карактеристичну за алуминијум, али добија знатно већу тврдоћу, чврстоћу и механичку отпорност.
