úvod
Zlatý prsteň, strieborná retiazka, medené drôty v stene, titánový rám bicykla, pochrómovaný kohútik aj katalyzátor vo výfuku auta. Za všetkým sú kovy zo strednej časti periodickej tabuľky, prechodné kovy. Ich zlúčeniny dávajú farbu sklu, porcelánu aj maliarskym farbám a železo, meď a zinok potrebuje aj naše telo. V tejto lekcii zistíš, čo majú tieto kovy spoločné a prečo sú také rozmanité.
teória
Kde sú v periodickej tabuľke
Prechodné kovy vypĺňajú strednú časť periodickej tabuľky, 3. až 12. skupinu, medzi kovmi 2. skupiny a prvkami 13. skupiny. Tvoria štyri riadky po desať prvkov. Hovorí sa im aj d-prvky, lebo ich atómy postupne zapĺňajú orbitály d (lekcia Bloky prvkov). Pod tabuľkou sú ďalšie kovy, lantanoidy a aktinoidy, ktoré voláme vnútorne prechodné prvky.
Prechodné kovy 4. periódy:
| značka | názov | kde ho stretneme |
|---|---|---|
| Sc | skandium | ľahké zliatiny do bicyklov a lietadiel |
| Ti | titán | implantáty, hodinky, biela farba TiO₂ |
| V | vanád | pevná oceľ na náradie, katalyzátor |
| Cr | chróm | pochrómované povrchy, nehrdzavejúca oceľ |
| Mn | mangán | oceľ, batérie, manganistan |
| Fe | železo | oceľ, liatina, hemoglobín |
| Co | kobalt | batérie, modré sklo, vitamín B₁₂ |
| Ni | nikel | nehrdzavejúca oceľ, mince, niklovanie |
| Cu | meď | elektrické vodiče, bronz, mosadz |
| Zn | zinok | pozinkovanie, mosadz, batérie |
Najznámejším prechodným kovom je železo, meď, striebro, zlato a zinok opisuje lekcia Meď, striebro, zlato a zinok.
teória
Spoločné vlastnosti
- Sú to kovy, väčšinou tvrdé a pevné, s veľkou hustotou a vysokou teplotou topenia. Rekordy drží volfrám, ktorý sa topí až pri 3 422 °C, a osmium, najhustejší prvok: liter osmia by vážil 22,6 kg. Výnimkou je ortuť, jediný kov kvapalný pri izbovej teplote.
- Dobre vedú elektrický prúd a teplo. Najlepšími vodičmi zo všetkých kovov sú striebro a meď.
- Tvoria farebné zlúčeniny. Na rozdiel od zlúčenín sodíka, horčíka alebo hliníka, ktoré sú väčšinou biele, sú zlúčeniny prechodných kovov modré, zelené, fialové, oranžové či ružové.
- Mnohé majú viac oxidačných čísel. Železo tvorí zlúčeniny železnaté aj železité, mangán má v zlúčeninách oxidačné čísla od +II až po +VII.
- Sú výborné katalyzátory.
- Tvoria komplexné zlúčeniny, v ktorých je atóm kovu obklopený molekulami alebo iónmi.
- Železo, kobalt a nikel priťahuje magnet.
Atómy d-prvkov majú konfiguráciu valenčných elektrónov od (n − 1)d¹ ns² po (n − 1)d¹⁰ ns². V 4. perióde sa po zaplnení orbitálu 4s zapĺňajú orbitály 3d, ležiace v predposlednej vrstve. Preto sa susedné d-prvky líšia menej ako susedné prvky hlavných skupín: nový elektrón pribudne do vnútornej vrstvy a vonkajšia vrstva zostáva podobná. Chróm ([Ar] 3d⁵ 4s¹) a meď ([Ar] 3d¹⁰ 4s¹) sú výnimky, polovične a úplne zaplnené orbitály d sú stálejšie (lekcia Výnimky a ióny).
Pri vzniku katiónov odovzdávajú atómy najprv elektróny 4s a až potom 3d. Energie orbitálov 4s a 3d sú blízko seba, preto môže atóm odovzdať rôzny počet elektrónov a má viac oxidačných čísel. Najvyššie oxidačné číslo sa rovná počtu elektrónov 4s a 3d, do mangánu vrátane:
| oxidačné číslo mangánu | zlúčenina | farba |
|---|---|---|
| +II | síran manganatý MnSO₄ | bledoružová |
| +IV | oxid manganičitý MnO₂ | hnedočierna |
| +VI | manganan draselný K₂MnO₄ | zelená |
| +VII | manganistan draselný KMnO₄ | fialová |
Zmenu farby mangánu s oxidačným číslom ukazuje pokus Chemický chameleón.
teória
Farebné zlúčeniny
Farby prechodných kovov poznáš z bežného života. Modrá skalica je sýto modrá, hrdza hnedočervená a manganistan fialový. Zlúčeninami prechodných kovov sa farbí sklo a porcelán a vyrábajú sa z nich pigmenty do farieb: kobaltová modrá, chrómová zelená, titánová biela z oxidu titaničitého a hnedé a žlté okre z oxidov železa. Jeden a ten istý kov môže mať pritom rôzne farby podľa oxidačného čísla a podľa toho, čo ho obklopuje.
vyskúšaj si
Farebné zlúčeniny
Ku každej zlúčenine priraď jej farbu.
0 / 0zlúčenina
farba
Klikni na zlúčeninu a potom na jej farbu. Na úrovni SŠ pribudne aj zlúčenina, ktorá je bezfarebná.
Farba vzniká tak, že zlúčenina pohltí časť viditeľného svetla a my vidíme zvyšok. Katión kovu v zlúčenine obklopujú molekuly vody alebo anióny, ktoré rozdelia energie orbitálov d. Elektrón d pohltí svetlo s energiou, ktorá zodpovedá rozdielu medzi rozštiepenými orbitálmi, a preskočí vyššie. Hydratovaný katión Cu²⁺ pohlcuje červené a oranžové svetlo, preto sa javí modrý.
Katióny s prázdnymi orbitálmi d (Sc³⁺, Ti⁴⁺) alebo s úplne zaplnenými orbitálmi d¹⁰ (Zn²⁺, Ag⁺) nemajú elektróny, ktoré by mohli takto preskakovať, a ich zlúčeniny sú bezfarebné. Sýtu farbu manganistanu či dichrómanu spôsobuje iný dej, presun elektrónu z kyslíka na kov.
teória
Katalyzátory
Katalyzátor urýchľuje chemickú reakciu a sám sa pri nej nespotrebuje. Prechodné kovy a ich zlúčeniny patria medzi najdôležitejšie katalyzátory:
- železo urýchľuje výrobu amoniaku Haberovou syntézou (lekcia Dusík),
- oxid vanadičný urýchľuje výrobu kyseliny sírovej (lekcia Síra),
- nikel urýchľuje stužovanie rastlinných olejov vodíkom,
- oxid manganičitý urýchľuje rozklad peroxidu vodíka (lekcia Kyslík),
- platina, paládium a ródium v katalyzátoroch áut menia oxid uhoľnatý, nespálené palivo a oxidy dusíka na oxid uhličitý, vodu a dusík.
Aj mnohé enzýmy v našom tele majú vo svojom strede atóm prechodného kovu, napríklad zinku, medi alebo železa.
Prechodné kovy katalyzujú preto, lebo ich atómy majú voľné alebo čiastočne zaplnené orbitály d a ľahko menia oxidačné číslo. Na povrchu kovu sa molekuly reaktantov naviažu, ich väzby sa oslabia a reakcia prebehne s nižšou aktivačnou energiou. V roztokoch katión kovu prijme alebo odovzdá elektrón a na konci cyklu sa vráti do pôvodného stavu.
teória
Komplexné zlúčeniny
Prechodné kovy ochotne tvoria komplexné zlúčeniny. Centrálny atóm alebo ión kovu v nich obklopujú molekuly alebo anióny, ktorým hovoríme ligandy. Keď do bledomodrého roztoku modrej skalice prilejeme amoniak, roztok sa zafarbí sýto tmavomodro, lebo vznikne komplex medi s amoniakom. Pozri pokus Výroba komplexu amoniaku z medenej mince.
Komplexy sú aj v živých organizmoch. Hemoglobín má v strede atóm železa, vitamín B₁₂ atóm kobaltu a chlorofyl atóm horčíka.
Ligandy majú voľné elektrónové páry, ktoré poskytnú centrálnemu atómu do jeho voľných orbitálov, a vznikne koordinačná väzba. Počet väzieb centrálneho atómu je jeho koordinačné číslo, najčastejšie 4 alebo 6. Napríklad v katióne tetraamínmeďnatom [Cu(NH₃)₄]²⁺ je meď obklopená štyrmi molekulami amoniaku, v hexakyanoželeznatanovom anióne [Fe(CN)₆]⁴⁻ šiestimi kyanidovými aniónmi. Ako sa komplexy pomenúvajú, vysvetľuje lekcia Komplexné zlúčeniny.
teória
Využitie prechodných kovov
Každý prechodný kov má svoje výnimočné vlastnosti, a preto aj svoje použitie. Priraď ku kovu a jeho vlastnosti, na čo sa používa.
vyskúšaj si
Prechodné kovy v praxi
Ku každému kovu a jeho vlastnosti priraď použitie.
0 / 0kov a vlastnosť
použitie
Niektoré prechodné kovy sú nevyhnutné pre život: železo v hemoglobíne, zinok a meď v enzýmoch, kobalt vo vitamíne B₁₂ a molybdén v enzýme, ktorým baktérie viažu dusík zo vzduchu. Iné sú jedovaté. Ortuť a kadmium sa hromadia v tele a poškodzujú nervy a obličky a zlúčeniny chrómu s oxidačným číslom +VI spôsobujú rakovinu.
rozšírenie Rubín a smaragd: jedna prímes, dve farby
Rubín je červený a smaragd zelený, a predsa im farbu dáva ten istý katión Cr³⁺. Rubín je korund, oxid hlinitý, v ktorom asi jeden katión hlinitý zo sto nahradil chróm. Smaragd je minerál beryl, kremičitan berýlia a hliníka, v ktorom chróm tiež nahrádza časť hliníka.
Rozdiel je v tom, čo katión chrómu obklopuje. Atómy kyslíka sú okolo neho v rubíne nahustené tesnejšie a orbitály d sa rozštiepia viac. Chróm v rubíne pohlcuje zelené a žlté svetlo a prepúšťa červené, v smaragde pohlcuje skôr červené a prepúšťa zelené. Chróm v rubíne navyše pohltenú energiu vyžaruje späť ako červené svetlo. Preto rubín pod UV lampou žiari a preto z neho v roku 1960 zostrojili prvý laser.
Najpozoruhodnejší je alexandrit. Farbí ho tiež chróm, ktorý je v ňom práve na hranici medzi rubínom a smaragdom. Na dennom svetle, v ktorom je viac modrej a zelenej, je alexandrit zelený, pri svetle sviečky alebo žiarovky s prevahou červenej sa mení na fialovočervený.
teória
Časté chyby
- „Všetky kovy sú prechodné kovy.“ Prechodné kovy sú len d-prvky v 3. až 12. skupine. Sodík, vápnik, hliník, cín ani olovo medzi ne nepatria.
- „Zlúčeniny prechodných kovov sú vždy farebné.“ Zlúčeniny zinku, kadmia, skandia a titánu s oxidačným číslom +IV sú bezfarebné alebo biele, lebo ich katióny majú orbitály d prázdne alebo úplne zaplnené.
- „Každý prechodný kov priťahuje magnet.“ Za bežnej teploty priťahuje magnet len železo, kobalt a nikel a niektoré ich zliatiny.
- „Katalyzátor sa pri reakcii spotrebuje.“ Katalyzátor reakciu urýchli a na konci ho zostane rovnako veľa ako na začiatku. Preto stačí jeho malé množstvo.
- „Ortuť je kvapalina, preto nie je kov.“ Ortuť má kovový lesk, vedie prúd aj teplo a je kov, len s veľmi nízkou teplotou topenia.
Najdôležitejší prechodný kov opisuje ďalšia lekcia Železo, po nej nasleduje lekcia Meď, striebro, zlato a zinok. Prečo sa orbitály d zapĺňajú až po 4s, vysvetľuje lekcia Orbitály d a f.