Metale

Spośród 115 pierwiastków chemicznych, 91 stanowią metale. W większości występują w przyrodzie, inne otrzymano sztucznie. Metale stanowią 10% masy pierwiastków występujących w przyrodzie. Niektóre z nich występują w stanie wolnym – metale szlachetne i inne w stanie związanym, np. w postaci tlenków, soli, wodorotlenków. Naturalne związki chemiczne metali nazywa się rudami.

Właściwości metali:
a) Podobieństwa
- stały stan skupienia(wyjątek Hg)
- barwa srebrzystoszara(oprócz miedzi i złota)
- połysk metaliczny
- kowalność i ciągliwość
- dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

b) Różnice
- twardość
- temperatura topnienia
- gęstość
- aktywność chemiczna (metal aktywne, np. Na, K, Ca, metale nieaktywne, np. Cu, Ag, Au)

Otrzymywanie metali:

1. Metoda hutnicza- żelazo możemy otrzymać z rud Fe₂O₃ lub Fe₃O₄ w reakcji utlenienia- redukcji. Rolę reduktora pełni koks i CO:

Fe₂O₃ +  3CO → Fe + 3CO₂

2Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO₂

Analogicznie możemy otrzymywać inne metale np.: ołów, cyna, miedź.

1. Metoda elektrolityczna- metale otrzymuje się na drodze elektrolizy. Elektroliza jest to proces zachodzący w układzie składającego się z dwóch elektrod na skutek przepływu prądu przez elektrolit, w wyniku którego wydzielają się określone substancje np.:

Elektroliza CuCl₂: CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl⁻

Katoda (redukcja): Cu²⁺ +  2 e⁻ → Cu⁰

Anoda (utlenienie):2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Ruda- skałą lub miedź, z której uzyskuje się jeden lub więcej składników.

W życiu codziennym rzadko stosuje się metale o stanie czystym. Używa się stopów metali. Są to mieszaniny jednorodne najczęściej samych metali, stopionych w odpowiednich proporcji. Znane są też stopy metali z niemetalami, np. stal to stop żelaza z 1%-2% węgla. Stopy mają inne właściwości niż ich składniki. Wprowadzenie niewielkiej ilości jakiegoś pierwiastka powoduje znaczne, pożądane zmiany.

Określanie właściwości fizycznych stopów metali:
Mosiądz – stop miedzi z cynkiem – ma większą twardość niż miedź i cynki.
Brąz – stop cyny z miedzią – stosuje się go do wyrobu części maszyn, aparatury chemicznej, bicia monet.
Duraluminium – stop glinu z niewielkimi dodatkiem miedzi, manganu, magnezu oraz krzemu. Odznacza się małą gęstością i dużą wytrzymałością chemiczną.

Przykłady stopów:
- stopy łożyskowe
- stopy czcionkowe
- stop Wooda
- stop Rosego
- stop lutowniczy itp.

Zad. Napisz równania reakcji otrzymywania metali z ich rud według schematów, wykorzystując jeden z reduktorów: wodór, tlenek węgla (II), węgiel lub magnez:

2. Cr₂O₃ → Cr

3. Fe₂O₃→Fe

4. ZnO → Zn

5. Al₂O₃ → Al

Reakcje metali z tlenem: reakcje utlenienia (łączenie się pierwiastka chemicznego z tlenem):

Metal + tlen → tlenek metalu

Niemetal + tlen→ tlenek niemetalu

2 Mg + O₂ → 2MgO

4Na + O₂ → 2 Na₂O

4Al + O₂ → 2Al₂O₃

Reakcje metali z kwasem – powstawanie soli:

Metal + kwas →sól

2 Na + 2 HCl → NaCl + H₂

Mg + 2  HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + H₂

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

Reakcja metali z wodą- powstawanie wodorotlenków (tylko litowce i berylowce)

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

szkło

Składniki szkła:

Soda ( Na₂CO₃), wapień ( CaCO₃), krzemionka (SiO₂)

Otrzymywanie szkła: Na₂CO₃ → Na₂)+CO₂

CaCO₃ → Ca + CO₂

Tlenki Na₂O i CaO reagują z krzemionką, tworząc krzemiany.

Rodzaje szkła: optyczne, okienne, laboratoryjne, budowlane, szkło stołowe, na opakowania, wodne, elektrotechniczne, kwarcowe ,trudnotopliwe

Właściwości: Szkło jest substancją bezpostaciową., nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej, nie posiada określonej (stałej) temperatury topnienia. Szkło źle przewodzi ciepło i nie przewodzi prądu elektrycznego. Jest odporne na działanie kwasów z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego HF.

Zalety szkła:

- nie wchodzi w reakcje, co powoduje, z może być używane praktycznie wszędzie ;

- z powodu wielu rodzajów szkła wykorzystywane jest w wielu przemysłach;

- odporne na wysoką temperaturę ;

- źle przewodzi ciepło (okna).

Wady szkła:

- jest kruche, łatwo można stłuc ;

- można je porysować ;

- kaleczy;

- jest ciężkie;

- nieprzetworzone się nie rozkłada.

Gleba

Zewnętrzna, biologicznie czynna warstwa skorupy ziemskiej, powstająca w wyniku wietrzenia skał i rozkładu organizmów żywych.

Czynniki kształtujące glebę:

- klimatyczne;

- czynniki nawodnienia ;

- działalność człowieka;

- czas powstawania gleby;

- teren, na którym powstaje gleba ;

- skała macierzysta.

Wietrzenie - wszelkie zmiany zachodzące w skałach pod wpływem różnych czynników i prowadzące do powstania gleby:

- Fizyczne - polega na rozkruszaniu skał pod wpływem mechanicznego działania wody, temp. i wiatru

- chemiczne - polega na rozkładzie chemicznym pod wpływem wody, dwutlenku węgla, tlenu, kwaśnych deszczów

- biologiczne - zachodzi podczas rozrastania się systemu korzeniowego roślin oraz pod wpływem mikroorganizmów

Poziomy glebowe :

Sorpcja gleby - polega na zatrzymaniu przez najmniejsze cząsteczki gleby innych cząstek gazu cieczy i innych ciał stałych np. chłonność gąbki (z wodą), chłonność skóry (z kremami), chłonność tkanin naturalnych.

Gleba:
- część stała – cząstki zwietrzałych minerałów i próchnica stanowią tzw. kompleks sorpcyjny gleby
- część ciekła – woda z rozpuszczonymi solami mineralnymi stanowi tzw. roztwór glebowy
- część gazowa – powietrze i dwutlenek węgla, które wnikają w głąb gleby.

Pierwiastki warunkujące żyzność gleb to głównie: azot, fosfor, potas, wapń, magnez i tlen.

Skorupa ziemska, skały wapienne i gipsowe

Skorupa ziemska to zewnętrzna część litosfery mająca grubość od 10 do 70 km. Zbudowana jest ze skład i minerałów. Są to pierwiastki w stanie wolnym i związki chemiczne, które wytworzyły się w przyrodzie bez udziału człowieka. Mogą występować:
a) w stanie wolnym, np. złoto, platyna
b) w stanie związanym w postaci związków chemicznych, np. kwarc, anhydryt.

Skały - naturalne skupiska minerałów

Surowce mineralne - minerały i skały wykorzystywane przez człowieka w różnych dziedzinach życia

Minerały - pierwiastki w stanie wolnym i związki chemiczne powstałe w przyrodzie. Minerały mogą łączyć się w większe grupy – zespoły, tworząc skały, np. granit. Skały są więc naturalnie powstałym zbiorem minerałów.

Pierwiastkowy skład skorupy ziemskiej:

- tlen 45%	- wapń 5%
- krzem 27%	- magnez 3%
- glin 8%	- sód 3%
- żelazo 6%	- potas 2%

Surowce mineralne

* Energetyczne- węgiel kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny

* Budowlane - wapń, gips, piasek

* Chemiczne - sól kuchenna, saletra indyjska, siarka

* Metalurgiczne - rudy żelaza, rudy ołowiu, rudy miedzi

* Zdobnicze - złoto, ametyst, srebro, agat

PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ METALI I NIEMETALI:

MIEDŹ- doskonały przewodnik elektryczności,  składnik wielu stopów wytwarza się z niej przewody elektryczne.

KADM-jego zw. chemiczny - selenek kadmu- ma intensywnie czerwoną barwę. dzięki której stosuje sie  go jako barwnik.

SÓD-miękki metal stosowany do produkcji lamp sodowych wykorzystywanych do oświetlania ulic

PLATYNA-Metal szlachetny stosowany (w stopie z palladem) do unieszkodliwiani spalin samochodowych (jko katalizator)

ŻELAZO-kowalny metal o najwiekszej liczbie zastosowań. Rozwój motoryzacji nie byłby możliwy bez wykorzystania jego stopu-stali

KSENON-lampy wypełnione ksenonem dają światło o barwie zbliżonej do swiatła dziennego

KRZEM-pod względem rozpowszechnienia drugi pierwiastek chemiczny na ziemi. jego tlenek stosuje sie do produkcji szkła i porcelany.

FLUOR-najbardziej aktywny chemicznie niemetal. w profilaktyce próchnicyzębów stosuje sie jego zw. chemiczny- fluorek sodu.

SIARKA-niemetal stosowany do wulkanizacji kauczuku, wykorzystywany też do produkcji preparatów stosowanych w leczeniu chorób skóry

Chronienie zasobów naturalnych:

- wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii

- oszczędzanie ich wykorzystywania

- segregowanie tworzyw sztucznych

- używanie urządzeń energooszczędnych

SKAŁY WAPIENNE

Skały wapienne to wapień, kreda i marmur. Wapień i kreda są to skały osadowe. Powstały one na dnie mórz i oceanów. W Polsce zbudowana jest z niego Wyżyna Krakowsko-Częstochowska. Marmur jest skałą o budowie krystalicznej. Ma zastosowanie głownie jako materiał dekoracyjny. Podstawowym związkiem chemicznym tworzącym wszystkie skały wapienne, jest minerał, kalcyt, o wzorze sumarycznym CaCO₃.

Kalcyt (CaCO₃) - podstawowy składnik skał wapiennych

Mętnienie wody wapiennej - rekcja charakterystyczna na obecność CO₂

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

Prażenie wapieni - rozkład pod wpływem wysokiej temp.

CaCO₃ → CaO + CO₂

Gaszenie wapnia palonego

CaO + H₂O → Ca(OH)₂  + ciepło

Tlenek wapnia-

o nazwie potocznej wapno palone, stosuje się go do produkcji cementu i zapraw murarskich oraz w laboratoriach jako środek osuszający ciecze i gazy . Wykorzystywany jest też do produkcji nawozów sztucznych ,farb wapiennych, karbidu, a w leśnictwie jako środek owadobójczy.

Właściwości wapna palonego CaO: - substancja stała; - biała; - budowa krystaliczna; - silnie higroskopijna.

Właściwości wapna gaszonego Ca(OH)₂ :

- ciało stałe;

- substancja słabo rozpuszczalna w wodzie;

- żrąca.

Wapno gaszone zmieszane z piaskiem i wodą daje tzw. zaprawę murarską.

Zastosowanie wapieni w budownictwie:
Wapień (CaCO₃) -> Wapno palone (CaO) -> Wapno gaszone Ca(OH)₂

Zastosowanie wapna gaszonego: nawozy, stosowany do zmiękczania wody, stosowany w budownictwie, stosowany do bielenia, stosowany do dezynfekcji

Twardnienie zaprawy murarskiej:

Dwutlenek węgla powoduje twardnienie zaprawy. Wapno gaszone pod wpływem dwutlenku węgla zamienia się w wapno palone

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Tlenek krzemu (IV) łącząc się z wapnem gaszonym daje krzemian wapnia, który nadaje porowatość

Ca(OH) + SiO₂ → CaSiO₃ + H₂O

 

SKAŁY GIPSOWE

Składnikiem wszystkich skał gipsowych jest siarczan(VI) wapnia: CaSO₄. W przyrodzie są dwa minerały zawierające siarczan(VI) wapnia. Są nimi: anhydryt oraz gips krystaliczny inaczej alabaster o wzorze sumarycznym CaSO₄ * 2 H₂O co czytamy dwuwodny siarczan(VI) wapnia. Mówi się, że dwuwodny siarczan(VI) wapnia jest solą uwodnioną, czyli hydratem.

Hydraty - sól uwodniona zawierająca w swojej sieci krystalicznej cząsteczki wody

CuSO4 ∙ 5 H2O - pięciowodny siarczan (VI) miedzi (II)

Prażenie gipsu krystalicznego

2 (CaSO₄ ∙ 2 H₂O) → (CaSO₄)₂ ∙ H₂O + 3H₂O

gips krystaliczny                 gips palony

hydrat                                                   półhydrat

Zastosowanie gipsu palonego:

- budownictwo

- medycyna (usztywnianie) Zaprawa gipsowa nie ma właściwości żrących jak zaprawa wapienna, dlatego znalazła zastosowanie w medycynie do sporządzania bandaży chirurgicznych i usztywniania złamanych kości.

- cele artystyczne (odlewy, posągi, rzeźby)

 

TLENEK ŻELAZA(III)

występuje w przyrodzie m.in. w postaci minerałów o nazwie hematyt, ma barwę czarną z połyskiem, natomiast tlenek żelaza (III) otrzymany w warunkach laboratoryjnych ma barwę czarną. Stosuje się go do polerowania szkła i stali. Ze względu na piękną czarną barwę jest głównym składnikiem pigmentu używanego m.in. do produkcji farb , lakierów oraz wyrobów ceramicznych.

TLENEK GLINU

występuje w przyrodzie pod postacią minerału  o nazwie korund. Jeśli kryształ korundu zostaną zabarwione przez inne metale to powstają m,in, czerwone rubiny lub niebieskie szafiry. Te piękne kamienie szlachetne stosuje się w jubilerstwie . Ze względu na dużą twardość , tlenek glinu po rozdrobnieniu, jest używany jako materiał ścierny i polerski do metali oraz do produkcji aluminium i sztucznych kamieni jubilerskich.

TLENKI NIEMETLI (występujące w przyrodzie)

tlenek wodoru (woda),

tlenek siarki,

tlenek węgla,

tlenek azotu

Bardzo popularnym tlenkiem jest też tlenek krzemu (4), potocznie nazywany krzemionką (piasek).

TLENEK KRZEMU (IV)

Krzem jest twardym i kruchym ciałem stałym i budowie krystalicznej i pięknej szaro-fioletowej barwie. Jest półmetalem i mało aktywny chemicznie. Ma właściwości półprzewodnikowe. Krzem stosuje się do stopów, np. stopu żelaza.

Krzem zajmuje po tlenie drugie miejsce w rozpowszechnieniu jego w skorupie ziemskiej. Stanowi on 27 % całej jej powierzchni. Nie występuje w stanie wolnym lecz w postaci związków: głownie jako dwutlenek krzemu SiO₂ oraz jako krzemiany i glinokrzemiany.

Dwutlenek krzemu – tlenek krzemu(IV) - Sio₂ - inaczej krzemionka – występuje w postaci kilku odmian krystalicznych. Najczęściej spotykaną jest kwarc. Zabarwiony na fioletowo to ametyst, na żółto cytryn. Są pięknymi kamieniami używanymi często w jubilerstwie.

Pokruszony kwarc tworzy piasek. Krzemionka wchodzi też w skład skał zwanych krzemieniami. Są one bardzo twarde. Jest bardzo odporna na czynniki chemiczne. Nie reaguje z kwasami, tlenem, wodą. Reaguje tylko z jednym kwasem – kwasem fluorowodorowym – HF.

Krzemionka w postaci piasku znalazła zastosowanie w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej oraz cementu.

Krzemiany są to sole kwasów krzemowych. Krzemianów jest bardzo wiele, bo aż około 800 rodzajów o bardzo różnorodnej strukturze. Wzór sumaryczny najprostszego krzemianu ma postać Na₂SiO₃ - to krzemian sodu. Obok krzemianów w przyrodzie występują glinokrzemiany, czyli takie krzemiany, w których cząsteczkach niektóre atomy krzemu zostały zastąpione atomami glinu. Najważniejsze w przyrodzie są glinokrzemiany sodu, potasu i wapnia, czyli skalenie – składniki granitów.

Substancja krystaliczna - atomy w substancji ustawione są w jednakowych odległościach od siebie, rozmieszczone regularnie, substancja ma stałą temp. wrzenia i topnienia.

Substancja bezpostaciowa - atomy są chaotycznie ułożone, nie ma stałej temp. wrzenia i topnienia.

KOROZJA

niszczenie metali i ich stopów przez czynniki występujące w środowisku przyrodniczym- pod wpływem tlenu znajdującego się w powietrzu, innych czynników atmosferycznych oraz roztworów zasad i soli. Korozja jest procesem bardzo szkodliwym. Jest przyczyną niszczenia wielu konstrukcji i przedmiotów użytkowych. Korozja rozpoczyna się na powierzchni metalu i postępuje w głąb, zmieniając jego właściwości. Jedynie metale szlachetne są odporne na korozję. Istnieją specjalne dodatki chroniące metale przed korozją, dzięki którym otrzymuje sie np. stal nierdzewną, kwsoodporną. Dodatek niklu lub chromu do żelaza, krzemu do glinu, glinu do cynku umożliwia uzyskanie stopów odpornych na korozję. Korozja to szkodliwy proce który przyczynia się do niszczenia konstrukcji i przedmiotów użytkowych,

METODY OCHRONY METALI PRZED KOROZJĄ:

1. POWŁOKI OCHRONNE: czyli pokrywanie metali cienką warstwą np. cynku (cynkowanie), chromu (chromowanie), niklu (niklowanie) lub malowanie farbą, emalią czy lakierowanie.

2. osłabienie agresywności środowiska

3. stosowanie stopów odpornych na korozję- np. stal nierdzewną uzyskuje się przez dodanie do stali manganu niklu.

Węgiel

W przyrodzie węgiel występuje w stanie wolnym i w stanie związanym. Surowce energetyczne, a więc ropa naftowa, gaz ziemny i węgle kopalne są przykładami stanu związanego. Węgiel w stanie wolnym występuje w trzech odmian, zwanych odmianami alotropowymi. Odmiany te różnią się między sobą właściwościami oraz aktywnością chemiczną. Różnice we właściwościach wynikają z różnej budowy wewnętrznej (struktury) tych minerałów.
Odmianami alotropowymi węgla są diament, grafit i fulereny.

Diament:

- najtwardszy ze znanych minerałów,
- przezroczyste ciało stałe,
- bezbarwny lub błękitny, niebieski, żółty, brunatny do czarnego,
- gęstość w przybliżeniu = 3,5 g/cm³,
- ma właściwości półprzewodnikowe,
- jest dobrym przewodnikiem ciepła,
- jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad,
- spala się w wysokiej temperaturze.

Każdy atom węgla krysztale diamentu połączony jest z czterema innymi atomami węgla mocnymi wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi).

Zastosowanie diamentu:
- oszlifowany diament to brylant stosowany w jubilerstwie,
- wyrób narzędzi wiertniczych (końcówki wierteł),
- noże do cięcia twardych materiałów i szkła,
- materiały ścierne.

Grafit

- jest nieprzezroczystym, miękkim, łupliwym minerałem o stalowoszarej barwie,
- gęstość w przybliżeniu = 2,3 g/cm³,
- dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło,
- jest odporny na wysoką temperaturę.

Atomy węgla w krysztale grafitu tworzą warstwy. Każdy atom w danej warstwie jest połączony z trzema innymi atomami mocnymi wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi).
Wiązania węgiel-węgiel między warstwami są dłuższe i znacznie słabsze niż w danej warstwie.

Zastosowanie grafitu:
- wyrób cegieł ogniotrwałych,
- grafit do ołówków,
- czarne farby, chroniące żelazo przed korozją,
- „suchy” smar, zmniejszający tarcie,
- naczynia (np. tygle) ognioodporne,
- elektrody,
- w reaktorach jądrowych.

Fulereny

Fulereny to najnowsza poznana odmiana alotropowa pierwiastka węgla. Została odkryta w 1985 roku przez dwóch uczonych amerykańskich: Roberta Curla i Richarda Smalleya oraz uczonego brytyjskiego sir Harolda Kroto. Za to odkrycie w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla. W 1990 roku dwóch niemieckich badaczy W.Kratschmar i D.Huffman po raz pierwszy uzyskali syntetycznie fulereny.

Fulereny składają się z parzystej liczby atomów węgla, przy czym cząsteczka najmniejsza ma 28 atomów węgla a największa do dziś otrzymana zawiera 1500 atomów węgla.

Najczęściej występują w postaciach C₆₀ (futbolan) i C₇₀.

Właściwości fulerenów:
- C₆₀ jest półprzezroczystym, brązowym ciałem stałym o metalicznym połysku, fullereny w stanie stałym są barwy żółtej,
- gęstość = 1,65 g/cm³,
- wykazują właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe,
- C₆₀ nie rozpuszcza się w wodzie ani eterze,
- C₆₀ rozpuszcza się w węglowodorach i czterochlorku węgla (fulereny rozpuszczane w benzenie przyjmują czerwone zabarwienie).

Atomy węgla w fulerenach łączą się z sobą, tworząc kryształy w kształcie piłek futbolowych lub tzw. nanorurek:
- nano – bo przyjmują rozmiary rzędu nanometrów,
- rurki – bo mają kształt rurek.