Apendix - Hemija elemenata

  • Published on
    06-Jul-2015

  • View
    3.740

  • Download
    1

Embed Size (px)

Transcript

<p>Hemija elemenatanerecenzirana skripta za internu upotrebu</p> <p>dr Tatjana akovi-Sekuli</p> <p>1</p> <p>2</p> <p>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</p> <p>3</p> <p>4</p> <p>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</p> <p>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.</p> <p>5</p> <p>6</p> <p>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.</p> <p>Slika 1.1. Jedinjenja u kojima se metali najee nalaze u prirodi.</p> <p>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</p> <p>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.</p> <p>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:</p> <p>Slika 1.2. ema elektrolitikog procesa dobijanja natrijuma8</p> <p>na katoda: anoda:</p> <p>2Na+(l) + 2e 2Na(l) 2Cl(l) Cl2(g) + 2e___ 2NaCl(l) 2Na(l) + Cl2(g)</p> <p>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.</p> <p>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+</p> <p>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</p> <p>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.</p> <p>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.</p> <p>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.</p> <p>10</p> <p>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)</p> <p>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</p> <p>H = 221 kJ</p> <p>Slika 1.4. ematski prikaz visoke pe za proizvodnju sirovog gvo a. 4. pe</p> <p>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</p> <p>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</p> <p>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...</p>