Přechodné kovy

Prvky 3. až 12. skupiny se označují jako přechodné kovy. Všechny mají vlastnosti kovů a elektrony v orbitalu d (proto se také označují jako „d-prvky“). Jejich valenční elektrony se liší jen lehce, což znamená že přechodné kovy mají spoustu možných oxidačních čísel, mnoho z nichž je nestabilních. Prvky ve sloupcích (skupinách) a v řadách (periodách) mívají podobné vlastnosti. Přechodné kovy mají obecně relativně vysoké teploty tání a tvoří komplexní sloučeniny.

hubKONTEXT

Obecné vlastnosti a reakce kovů najdete v kapitole Kovy.

IV.B skupina – Ti, Zr, Hf

• oxidační číslo nejčastěji IV

TITAN

• stálý, odolný vůči korozi, vyleštěný je odolný i vůči kyselinám
• kloubní náhrady, konstrukce raket a letadel
• TiO₂ – titanová běloba, velmi stálá
• TiCl₄ – katalyzátor při polymeraci

V.B skupina – V, Nb, Ta

VANAD

• oxidační číslo V
• povrchová pasivace – odolný vůči korozi, vodě i kyselinám
• přidává se do oceli (hlavně do rychlořezné), neboť zvyšuje její mechanické vlastnosti a výdrž za vysokých teplot
• V₂O₅ – katalyzátor při oxidačních reakcích (třeba při výrobě H₂SO₄)

VI.B skupina – Cr, Mo, W

CHROM

• vyskytuje se v Cr₂O₃, stopově v rubínu a smaragdu
• nejstálejší je oxidační číslo III, tvoří v něm spoustu komplexních sloučenin
• silná oxidační činidla s oxidačním číslem VI
• pasivace vrstvou Cr₂O₃ → odolný vůči korozi
• ke galvanickému pochromování
• vyrábí se aluminotermicky
• Cr₂O₃ – chromová zeleň, pigment do vodovek
• Cr(OH)₃ – šedozlatá barva, amfoterní charakter
• CrO₃ – červená pevná látka, silně hygroskopický, s vodou reaguje na kyselinu chromovou
• H₂CrO₄ – soli této kyseliny (chromany) jsou žluté – nositelem barevnosti je anion, využití v koželužství
• dichromany mají oranžovou barvu

MOLYBDEN

• teplota tání: 2617°C
• oxidační číslo: VI
• využití: legování oceli

WOLFRAM

• chemicky odolný, hustý
• přidává se do rychlořezné oceli a dalších slitin odolných teplu
• wolframová vlákna v žárovkách
• karbid wolframu WC – extrémně tvrdý materiál

VII.B skupina – Mn, Tc, Re

• vysoké teploty tání
• oxidační číslo většinou VII, mangan je nejstabilnější s oxidačním číslem II

MANGAN

• přidává se do oceli, aby byla houževnatá a nárazuvzdorná
• MnCl₂ – bez vody je bílý, tetrahydrát je růžový
• MnO₂ – černý prášek „burel“, používá se jako katalyzátor se silnými oxidačními účinky, do galvanických článků, ve sklářství odstraňuje zelenost skla
• KMnO₄ – hypermangan, černo–šedá látka, která se dobře rozpouští ve vodě za vzniku fialového roztoku, snadno redukuje, a proto se používá jako oxidační činidlo, s některými látkami může zreagovat ve velmi nestabilní látky a s nějakými látkami se může i vznítit (glycerol), použití v lékařství jako antiseptikum (dezinfekce ran na těle), v laboratořích se používá jako univerzální oxidační činidlo, také v analytické chemii

VIII.B skupina – Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt

• železo Fe, kobalt Co a nikl Ni = „triáda železa“

ŽELEZO

• ryzí jen v meteoritech
• vázané v rudách a železitých vodách
  • magnetit Fe₃O₄
  • pyrit FeS₂
• hlavní součást zemské kůry
• biogenní – v hemoglobinu
• stříbrolesklý měkký kov
• 3 alotropické modifikace – alfa, beta, gama
• oxidační čísla: nejčastěji III, občas II
• s koncentrovanou kyselinou sírovou a dusičnou se pasivuje
• zelená skalice FeSO₄ . 7H₂O – ke konzervování dřeva, jelikož je jedovatá
• Fe₂O₃ – červenohnědý pigment na magnetické pásce
• žlutá krevní sůl K₄[Fe(CN)₆]
• červená krevní sůl K₃[Fe(CN)₆]

Výroba železa redukcí kyslíkatých rud koksem a CO

• ve vysoké (50 m) peci
• suroviny: upravená ruda železa, koks (C), struskotvorné přísady (vápenec) bránící zpětné oxidaci, předehřátý vzduch a O₂
• produkty: surové železo, struska a kychtové plyny (např. CO)
• C + O₂ → CO₂ prostupuje vzhůru a redukuje se na CO
• ve vyšší části pece nepřímá redukce (činidlem je CO):
  • 3 Fe₂O₃ + CO ( → 2 Fe₃O₄ + CO₂ )
  • ( Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂ )
  • ( FeO + CO ) → Fe + CO₂
• v nižší části pece: přímá redukce koksem (C):
  • Fe₂O₃ + C → … → Fe + CO „kychtové plyny“ – CO (využívá se na předehřátí kyslíku), CO₂, malé množství H₂, CH₄, N₂

surové železo stéká do nístěje, obsahuje 2–4% uhlíku; po 4–6 hodinách se železo odpíchne do forem, odlitky = housky
další zpracování – litina (křehká vlivem uhlíku), ocel

Zpracování oceli

ocel = slitina železa a uhlíku (< 2%), vyšší obsah uhlíku = litina
surové železo není kujné ani pružné, musí se zušlechtit – odstranění příměsí, snižování obsahu uhlíku
ocel se vyrábí v konvertorech – nádoba, kterou je možno naklopit, dole jsou trubky, které přivádí vzduch
konvertor naplníme železem, roztavíme jej, zespodu vháníme kyslík, který zoxiduje uhlík a nežádoucí příměsi – jen na 15 minut, železo nestihne zoxidovat
Fe₃C + O₂ + 3Fe + CO₂
vyzdívka konvertoru je zásaditá, odstraní i příměsi fosfor a síru
dnes se kyslík vhání zezhora

druhý způsob – elektrická oblouková pec
kyslík se dodává jako součást železného šrotu Fe₂O₃ nebo Fe(OH)₃, surového železa je méně → výhodnější

Druhy oceli

< 1,4% C = oceli měkké a tvárné
> 1,4% C = oceli tvrdé a pružné
opět se odlévá do ingotů

Zušlechťování oceli

• kalení = ocel se hodně zahřeje a prudce ochladí → tvrdá, ale křehká ocel
• popouštění = zakalená ocel se zahřeje a pomalu ochladí → zůstane tvrdá, ale už není křehká
• legování = přísady kovů zlepšující vlastnosti

konstrukční oceli = nelegované, pro stavebnictví
nástrojové oceli = přidává se Ni, Mo, W, Cr, V…
pružinové oceli = vyšší obsah uhlíku + Mn, Cr
nerezové oceli = přídavek Cr, Ni
damascénská ocel = dva druhy oceli spojené překládáním a svařováním

KOBALT

tvrdý, pevný kov
tvoří mnoho komplexních sloučenin, součást vitaminu B12
získává se aluminotermií z oxidů kobaltu
využití: žáruvzdorné slitiny, trvalé magnety, výroba hygroskopických silikátů a barviv, ⁶⁰Co = radioaktivní beta zářič, používá se na léčbu rakoviny
sloučeniny:

• CoCl₂ – modrá látka, hydrát je růžový → přidává se do silikagelu pro indikaci vlhkosti, čím je vlhčí, tím je růžovější
• CoO – zelená barva, používá se k barvení porcelánu

NIKL

spolu se železem se vyskytuje v zemském jádru
vyrábí se z oxidu niklu
chová se jako katalyzátor
využití: nikl-kadmiové akumulátory
slitiny:

• alpaka = Ni + Cu + Zn
• konstantin = Ni (40%) + Cu (60%)

sloučeniny:

• NiO – zelený prášek, používá se na barvení keramiky a skla

PLATINA

měkký, tažný kov
ox. čísla II a IV
nejdražší kov, cennější než zlato
kvůli své ceně se získává zpět z výrobků
využití: velmi dobrý katalyzátor, ochranný povlak (odolává kyselinám), šperky, zdravotnictví, elektrody

I.B skupina – Cu, Ag, Au

ušlechtilé kovy, málo reaktivní
výborné vodiče tepla a elektrického proudu
kujné, tažné, slévatelné

MĚĎ

ryzí se vyskytuje vzácně, většinou vázaná
rudy: kuprit Cu₂O, chalkopyrit CuFeS₂, chalkosin Cu₂S
měkký, načervenalý kov
na vzduchu koroduje, vzniká měděnka CuCO₃ . Cu(OH)₂
rozpustná v oxidujících kyselinách
ox. čísla I, II
využití: vodiče, okapy, střechy historických budov
slitiny:

• bronz = Cu + Sn
• mosaz = Cu + Zn
• alpaka = Cu + Ni + Zn

sloučeniny:

• Cu₂O – načervenalý prášek, využívá se v organické chemii – vzniká při použití Fehlingova činidla
• CuO – černý prášek
• CuSO₄ . 5H₂O = modrá skalice

STŘÍBRO

ryzí se vyskytuje vzácně, u nás dříve na Příbramsku a u Kutné Hory
vázané v argentitu Ag₂S
bílý, lesklý kov, kujné, tažné, slévatelné
nejvyšší tepelná a elektrická vodivost
na vzduchu černá při reakci s H₂S, vzniká Ag₂S
koloidní stříbro (nanočástice ve vodě) ničí bakterie – používá se k čištění vody
ox. čísla: hlavně I, dále III
využití: šperkařství, mince, vodiče v měřicích přístrojích, výroba CD a DVD, zrcadla, černobílé fotografie
sloučeniny:

• všechny s výjimkou AgNO₃ jsou ve vodě nerozpustné
• jsou citlivé na světlo, černají
• Ag₂S – černá látka, AgCl – bílý, AgBr – nažloutlý, AgI – žlutý
• AgNO₃ – použití v analytické chemii pro důkaz halogenidů, dříve k odstraňování bradavic, leptavé účinky

ZLATO

• ryzí v JAR, Austrálii, Rusku
• vázané v různých nerostech (křemen, pyrit), v telluridech, …
• žlutý, těžký, měkký, vodivý kov
• rozpustný v kyanidech a lučavce královské (3 HCl : HNO₃)
• dobře tvárné, lze z něj vytepat velmi tenkou fólii
• získávání dříve rýžováním z potoků nebo dolováním zlatých žil
• dnes se získává z ložiska rozpuštěním v kyanidu: KCN + O₂ → Au se převede na rozpustný komplex, který se pak vylouží a redukuje se zinkem; použití kyanidu není nejvhodnější pro životní prostředí
• využití ve šperkařství, zubařství, elektrotechnice (kontakty procesorů), výroba mincí, zlacení, barvení skla a porcelánu do červena (nanočástice zlata jsou rubínově červené)

Ryzost zlata

• „karáty“ u zlata určují ryzost, u diamantů se stejný termín používá pro hmotnost
• žluté zlato = Au + Ag
• bílé zlato = Au + Ni
• čerevné zlato = Au + Cu

II.B skupina – Zn, Cd, Hg

• ns² (n-1)d¹⁰
• oxidační číslo II

ZINEK

• v přírodě jen vázaně v hornině sfalerit ZnS
• výroba pražně redukčním pochodem 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂, ZnO + C → Zn + CO, zinek vznikne jako pára, tu necháme kondenzovat – prudce za vzniku prachu, pomalu za vzniku granulí
• stříbrolesklý kov
• koroduje na zoxidovaný šedý ZnO vlivem CO₂ na ZnCO₃ nebo vlivem H₂O na Zn(OH)₂
• amfoterní
• využití na výrobu mosazi (Cu + Zn) a alpaky (Cu + Ni + Zn), k výrobě galvanických článků, pozinkování ocelových plechů
• ZnO – zinková běloba
• ZnSO₄ . 7 H₂O – bílá skalice, konzervační účinek
• ZnS, Zn(OH)₂ – bílé, používané v analytické chemii

KADMIUM

• vázaně v CdS
• kadmium i všechny jeho sloučneiny jsou kumulutavní jedy – shromažďují se v organismu, opakované malé dávky se hromadí v ledvinách a játrech
• nikl-kadmiové akumulátory jsou dnes méně časté kvůli jedovatosti Cd
• CdS – kadmiová žluť jako malířský pigment

RTUŤ

• za pokojové teploty kapalná
• těžký ušlechtilý kov
• oxidační čísla I, II
• v přírodě v rudě rumělce (cinabarit) HgS, oxidačním pražením rovnou vzniká rtuť
• páry a rozpustné sloučeniny jsou velmi jedovaté
• páry rtuti se používají v zářivkách
• využití v teploměrech, zářivkách, amalgámech (dentálních výplních), rtuťová kapková elektroda v polarografii (J. Heyrovský)
• sloučeniny
  • kalomel Hg₂Cl₂
  • HgS – červený pigment
  • sublimát HgCl₂ je jed na hlodavce, mořilo se jím obilí

Lanthanoidy a aktinoidy – vnitřně předchodné kovy

• 6. a 7. perioda
• další slupka valenčních orbitalů (n-2)f
• v přírodě se vyskytují ²³²Th, ²³⁸U a ²³⁵U
• nejčastěji oxidační číslo III, uran častěji IV a VI, thalium IV
• neušlechtilé kovy
• reakce s H₂O na H₂
• oxidy ve tvaru kov₂O₃ jsou bazické
• samovolné štěpení jádra, přičemž se uvolňuje záření
• v jaderné elektrárně se do uranu ²³⁵U střílí neutrony