Karakteristična svojstva i reakcije nekih metala i njihovih spojeva

Uvod

U Zemljinoj je kori zastupljenost kemijskih elemenata vrlo različita. Najviše ima kisika i silicija, a od metala najzastupljeniji je aluminij, kojega je maseni udio samo 8,13 %. Od 91 elementa u prirodi 81 je metal, a i svi elementi što ih je čovjek proizveo i oni koje će još otkriti bit će metali. U Zemljinoj kori metali su razmjerno slabo zastupljeni.

Samorodni su metali dosta rijetki. To su najčešće bakar, srebro, platina i zlato jer su male kemijske reaktivnosti. Ostale elemente nalazimo samo u kemijskim spojevima koje nazivamo minerali.

Svojstva metala

Metali su pri sobnoj temperaturi čvrste tvari, izuzev žive koja je tekućina. Atomi metala oblikuju pravilne kristalne strukture u kojima su međusobno povezani metalnom vezom. Kristalne strukture metala guste su slagaline koje najčešće kristaliziraju u kubičnom i heksagonskom sustavu.

Jačina metalne veze raste od prve do šeste skupine periodnog sustava elemenata, nakon koje ponovno opada. O jačini metalne veze ovise fizikalna i kemijska svojstva metala.

Ovisno o gustoći, metale dijelimo na:

  1. lake metale (gustoća manja od 5 g/cm3) - npr. alkalijski metali, Mg, Ca, Al i
  2. teške metale (gustoća veća od 5 g/cm3) - npr. olovo, željezo, živa, zlato.

Metale isto dijelimo, ovisno o otpornosti na atmosferska djelovanja, na: plemenite, poluplemenite i neplemenite. Zlato je plemeniti metal koji ne reagira s vlagom i kisikom iz zraka, dok je željezo neplemeniti metal koji na vlažnom zraku hrđa (oksidira).

Fizikalna svojstva metala

  • neprozirni su i metalnog sjaja (posljedica refleksije na pokretljivim (valentnim) elektronima)
  • većinom su bijele i sive boje osim crvenog bakra i žutoga zlata
  • većinom su velike gustoće i visokih tališta i vrelišta koja ovise o jakosti metalne veze
  • rastezljivi su i lako se izvlače u žice, kuju i prešaju
  • dobri su vodiči topline i elektriciteta
  • otapaju se u talinama drugih metala i daju legure ili slitine
  • imaju mali afinitet prema elektronima, niske energije ionizacije i male vrijednosti elektronegativnosti

Kemijska svojstva metala

  • lako otpuštaju elektrone i tvore katione
  • većinom imaju negativan standardni redukcijski potencijal  zato su dobra redukcijska sredstva za nemetale
  • u reakcijama s kisikom tvore okside metala koji s vodom stvaraju hidrokside
  • s nemetalima tvore ionske spojeve
  • metali s negativnim redukcijskim potencijalom u reakcijama s kiselinama daju sol i vodik
  • s vodikom tvore metalne hidride

Alkalijski metali

Alkalijski metali su elementi 1. skupine periodnog sustava kojima pripadaju litij, natrij, kalij, rubidij, cezij i francij. Svima je zajednička elektronska konfiguracija valentne ljuske ns1 zbog čega su jednovalentni u spojevima. Metalna veza je slaba i dodatno se smanjuje povećanjem broja ljusaka. Imaju niska tališta i vrelišta te malu gustoća i tvrdoću. Energija ionizacije im je mala stoga tvore katione nabojnog broja (1+). Standardni elektrodni potencijal im je najnegativniji stoga su najjači reducensi. Alkalijski metali burno reagiraju s vodom uz oslobađanje topline i plinovitog vodik. Reaktivnost im raste porastom atomske mase. 

Alkalijski metali

Pogledajte videozapise Natrij  i Kalij. Zaključite zašto su natrij i kalij vrlo reaktivni metali. Pritom zabilježite najvažnije pojmove vezane za primjenu natrijevih i kalijevih soli u različitim proizvodnim procesima kao i njihovoj ulozi za život na Zemlji.

Elementi: natrij

Kalij

Natrij se proizvodi elektrolizom taline natrijeva klorida.

Zemnoalkalijski metali

Zemnoalkalijski metali su elementi 2. skupine periodnog sustava kojima pripadaju: berilij, magnezij, kalcij, stroncij, barij i radij. Svim elementima druge skupine zajednička je elektronska konfiguracija valentne ljuske ns2 i zato su dvovalentni u spojevima. Metalna veza je još uvijek slaba, stoga još uvijek imaju niska tališta i vrelišta, malu gustoću i tvrdoću. Dobra su redukcijska sredstva radi negativnog elektrodnog potencijala. Zbog male energije ionizacije tvore katione nabojnog broja (2+). Vrlo su reaktivni iako manje od alkalijskih metala, a reaktivnost im raste porastom atomske mase. S nemetalima tvore ionske spojeve, izuzev berilija koji ima najmanji polumjer i tvori kovalentne spojeve (npr. BeCl2).

Pogledajte videozapis Zemnoalkalijski metali. Pritom zabilježite najvažnije pojmove vezane za ovu skupinu metala.

Zemnoalkalijski metali

Magnezij je kemijski reaktivan element. Pozorno pogledajte videozapis i zabilježite ključne pojmove o ovom metalu.

Elementi: magnezij

Kalcij je mekan srebrnobijeli metal kojega u prirodi nema u elementarnom stanju zbog velike reaktivnosti. Reagira s kisikom, vodom i klorovodičnom kiselinom.

2Ca(s) + O2(g) [latex]\longrightarrow[/latex] 2CaO(s)

Ca(s) + 2H2O(l) [latex]\longrightarrow[/latex] Ca(OH)2(aq) + H2(g)

Ca(s) + HCl(aq) [latex]\longrightarrow[/latex] CaCl2(aq) + H2(g)

Najznačajniji spojevi kalcija su kalcijev oksid (živo vapno) CaO, kalcijev hidroksid (gašeno vapno) Ca(OH)2, kalcijev karbonat (vapnenac) CaCO3 i kalcijev sulfat dihidrat CaSO4 [latex]\cdot[/latex]2H2O.

Tehnički važni metali

Željezo

Željezo je najznačajniji tehnički metal, srebrnobijele boje, kovak, relativno mekan i feromagnetičan. Dobar je vodič topline i elektriciteta. U prirodi ga nalazimo u sastavu različitih ruda, ali ga se može naći u elementarnom stanju kao telurno i meteorno željezo.

Elektronska konfiguracija željeza je [Ar] 4s2 3d6. Standardni redukcijski potencijal mu je negativan stoga ga ubrajamo u redukcijska sredstva. Visokog je tališta i vrelišta, a s obzirom na gustoću svrastavamo ga u teške metale.

Pogledajte videozapis i zaključite zašto je željezo najvažniji metal naše civilizacije, bez obzira što po svojstvima željezo pripada metalima koji na vlažnom zraku lako oksidiraju tj. korodiraju.

Željezo

Od svih metala po zastupljenosti u Zemljinoj kori željezo zauzima drugo mjesto. Najzastupljeniji je u oksidnim, karbonatnim, silikatnim i sulfidnim rudama. Dodavanjem malih količina drugih elemenata u proizvodnji legura željeza, znatno mu se poboljšavaju svojstva kao što su žilavost, tvrdoća, otpornost na koroziju.

Željezo je kemijski reaktivan metal. Reagira s različitim nemetalima. U spojevima može biti dvovalentno i trovalentno.

4Fe(s) + 3O2(g) [latex]\longrightarrow[/latex] 2Fe2O3(s)

2Fe(s) + 3Cl2(g) [latex]\longrightarrow[/latex] 2FeCl3(s)

Fe(s) + S(s) [latex]\longrightarrow[/latex] FeS(s)

Željezo reagira i s kiselinama koje nemaju oksidirajuće djelovanje.

Fe(s) + H2SO4(aq) [latex]\longrightarrow[/latex]  FeSO4(aq) + H2(g)

Fe(s) + 2HCl(aq) [latex]\longrightarrow[/latex]  FeCl2(aq) + H2(g)

Biološko djelovanje željezovih iona

Za gotovo sva živa bića željezo je esencijalni element, nužan za stvaranje hemoglobina – proteina koji prenosi kisik i mioglobina – proteina u kojemu se privremeno pohranjuje kisik u mišićima.

Nedostatak željezovih iona očituje se kao manjak hemoglobina u krvi, što može dovesti do anemije. Takvo stanje u žena često se javlja u vrijeme trudnoće. Da bi se manjak željezovih iona nadoknadio, uzimaju se preparati u čijem su sastavu ioni dvovalentnog željeza (obično je to željezov(II) sulfat). Osobito je bitno paziti na unos vitamina C koji osigurava redukciju trovalentnih iona željeza, kojih uglavnom ima u hrani, u dvovalentne ione čime se postiže optimalna apsorpcija i iskoristivost željezovih iona. Prevelika koncentracija željeza u prehrani može uzrokovati želučane smetnje i teško oboljenje jetre (cirozu jetre).

Bakar

Bakar je prijelazni metal 11.skupine. Samorodan dolazi u malim količinama. Metal je crvenkaste boje, žilav i rastezljiv, dobar vodič topline i elektriciteta. Postojan je na zraku jer na njegovoj površini nastaje zaštitini neprozirni sloj crvenkastoga bakrova(I) oksida. S vremenom na njemu i njegovim legurama nastaje zelena PATINA.

Metal je visokog tališta i vrelišta, a s obzirom na gustoću svarstavamo ga u teške metale. Elektronska konfiguracija mu je [Ar] 4s13d10.

Pogledajte videozapis i doznajte zašto je bakar poslije željeza najvažniji tehnički metal.

Bakar

Stajanjem bakra na zraku nastaje bazični bakrov(II) oksid crne boje.

2Cu(s) + O2(g) [latex]\longrightarrow[/latex] 2CuO(s)

Bakar reagira samo s kiselinama koje imaju jako oksidirajuće djelovanje.

Cu(s) + 2H2SO4(konc.) [latex]\longrightarrow[/latex] CuSO4(aq) + SO2(g) + 2H2O(l)

3Cu(s) + 8HNO3(raz.) [latex]\longrightarrow[/latex] 3Cu(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)

Cu(s) + 4HNO3(konc.) [latex]\longrightarrow[/latex] Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)

Najvažnija bakrova sol je MODRA GALICA, bakrov(II) sulfat pentahidrat (CuSO4 [latex]\cdot[/latex] 5H2O). Modra galica ima fungicidno djelovanje, a njenim miješanjem s gašenim vapnom dobiva se BORDOŠKA JUHA, najpoznatiji fungicid za suzbijanje peronospore vinove loze.

1. pokus: Reakcija bakra i sumpora

Zadatak:

reakcijom bakra i sumpora priredite bakrov(I) sulfid.

Aluminij

Prema rasprostranjenosti aluminij je treći element u Zemljinoj kori (w(Al) = 8,13 %). Zbog velike reaktivnosti nalazimo ga samo u spojevima. Najčešće dolazi u obliku alumosilikata. Od mnogobrojnih minerala aluminija važniji su boksit za dobivanje glinice i aluminija, korund (kristalizirani Al2O3), koji se zbog tvrdoće rabi za izradu brusnih ploha, i kriolit (Na3AlF6).

Aluminij je srebrnobijeli sjajni metal male gustoće. Odličan je vodič topline i elektriciteta te je otporan na koroziju. Jako je rastezljiv te se lako valjanjem izvlači u tanke folije.

Aluminij

Otporan je na koroziju jer tvori tanak neporozni oksidni sloj aluminijeva oksida. Zbog toga u normalnim uvjetima ne reagira s vodom i oksidirajućim kiselinama. Gori u kisiku svijetlim plamenom tvoreći aluminijev oksid. Aluminij i njegovi spojevi su amfoterni što znači da reagiraju s kiselinama i s lužinama.

Zbog male gustoće i vrlo dobrih mehaničkih i fizikalno-kemijskih svojstava aluminij i njegove legure našli su vrlo široku primjenu u suvremenoj tehnici.

Vanjski oklop zrakoplova uglavnom izrađen od aluminija i njegovih legura.

Završetak

1. aktivnost

U razvoju civilizacije metali su odigrali značajnu ulogu. Pojedina razdoblja u razvitku čovječanstva nazvana su prema metalima koji su se u to doba najviše upotrebljavali: bakreno, brončano i željezno doba. Rabili su se za izradu oruđa i oružja, a suvremene civilizacije bez primjene metala sigurno ne bi bilo.

  • Virtualnom šetnjom istražite Muzej vučedolske kulture te saznajte više o važnosti te kulture u napretku metalurgiji i proizvodnji legura bakra.  Služeći se alatom Tiki-Toki izradite lentu vremena u kojoj ćete istaknuti glavna obilježja bakrenoga, brončanoga i željeznoga doba koja su prepoznatljiva za područja koja danas pripadaju Republici Hrvatskoj. 

2. aktivnost

Novac je obračunska jedinica, spremnik vrijednosti i sredstvo razmjene kojim su se ljudi od davnine služili, u početku trampom hrane, stoke, oružja i oruđa, nakita, a poslije i kovanicama izrađenima od plemenitih materijala ili legura.

Prvi kovani novac javio se u 7. stoljeću prija Krista u Lidiji na području Male Azije. Novčić je bio okrugao i izrađen od plemenitog metala. Iako brojna nalazišta iz razdoblja Rimskog carstva govore o širokoj uporabi kovanica na našim prostorima, Hrvati kao narod su kovani novac počeli koristiti u 9. stoljeću. Bizantske i mletačke kovanice bile su u optjecaju sve do 13. st., kada se u Hrvatskoj pojavljuje i prva kovnica novca u Pakracu u kojoj se kovao prvi hrvatski novac Slavonski banovac.
  • Istražite vrste kovanog novca koji je na području Republike Hrvatske bio u uporabi od 9. stoljeća do 1990. s naglaskom na sastav legura iz kojih je kovan. Za istraživanje se poslužite online knjigom Povijest novca u Hrvatskoj. Zatim, istražite sastav legura iz kojih se izrađuju današnje kovanice na stranicama HNB-a.
  • Istražite od kojih se legura izrađuju eurokovanice od osam različitih apoena: 1 cent, 2 centa, 5, 10, 20 i 50 centi te 1 € i 2 €. Polazište istraživanja mogu vam biti informacije dostupne na mrežnim stranicama Europske središnje banke.
  • Svoja saznanja o kovanicama i njihovom sastavu objedinite u obliku prezentacije u digitalnom alatu BookCreator te prezentaciju podijelite na virtualnoj učionici svoga razreda.
  • U nastavku proučite zanimljivosti o novcu i zabavite se rješavanjem matematičkih zadataka i problema u članku Novac kroz povijest (online časopis Matka, Hrvatsko matematičko društvo).