A) A d-mező közös vonásai
Az átmenetifémek általános jellemzői
Az átmenetifémek (d-mező fémei) a periódusos rendszer közepén, a 3.–12. csoportban helyezkednek el. Nevük onnan ered, hogy „átmenetet" képeznek a tipikusan fémes s-mező és a változatos p-mező között. Vegyértékszerkezetük közös jellemzője, hogy a legkülső, lezáratlan héjuk a d-alhéj:
A döntő mozzanat, hogy a (n−1)d és az ns alhéj energiája egészen közeli. Ezért a kémiai kötések kialakításában mind a d-, mind az s-elektronok részt vehetnek — ebből a látszólag apró tényből vezethető le az átmenetifémek szinte minden jellegzetessége.
A közös jellemzők — és ami mögöttük áll
| Jellemző | Mit jelent? | Mi az oka? |
|---|---|---|
| Változó oxidációs szám | egy fém több vegyértékkel is szerepelhet (pl. Fe²⁺/Fe³⁺, Cu⁺/Cu²⁺, Mn²⁺…Mn⁷⁺) | a d- és s-elektronok közeli energiája miatt többféle számú elektron adható le |
| Színes ionok és vegyületek | az ionok és vizes oldataik gyakran színesek | a részben betöltött d-alhéjon belüli elektronátmenetek (látható fényt nyelnek el) |
| Katalitikus hatás | sok ipari folyamat katalizátora átmenetifém (vagy vegyülete) | változó oxidációs számukkal könnyen vesznek fel és adnak le elektront |
| Mágnesesség | paramágnesesség, néhánynál ferromágnesesség | párosítatlan d-elektronok |
| Fémes alaptulajdonságok | nagy sűrűség, magas olvadáspont, nagy keménység | erős fémes kötés (a d-elektronok is részt vesznek benne) |
| Komplexképzés | ligandumokkal komplex ionokat alkotnak | üres d-pályáikra a ligandumok elektronpárt adhatnak (datív kötés) |
Fizikai tulajdonságok
Az átmenetifémek tipikus fémek, de a fémes kötésben a d-elektronok is részt vesznek, ezért szélső értékeik vannak: nagy a sűrűségük (sok nehézfém van köztük), magas az olvadáspontjuk és keményebbek, mint az alkáli- vagy alkáliföldfémek. Jól vezetik a hőt és az elektromosságot.
Mágnesesség
A párosítatlan d-elektronok mágneses momentummal rendelkeznek. Ezért a legtöbb átmenetifém-ion paramágneses: külső mágneses tér gyengén vonzza. Három fém — a vas (Fe), a kobalt (Co) és a nikkel (Ni) — ennél több: ferromágneses, vagyis maradandóan mágnesezhető, és erősen vonzza a mágnes.
Színes ionok és változó oxidációs szám — interaktív
Az átmenetifémek egyik legszembetűnőbb tulajdonsága, hogy ionjaik és vegyületeik színesek, és ugyanaz a fém többféle oxidációs számmal — és ezzel együtt többféle színnel — is megjelenhet. A szín a részben betöltött d-alhéjon belüli elektronátmenetekből ered: az ion a látható fény egy részét elnyeli, a maradék (kiegészítő) színt látjuk.
Átmenetifém-ion színskála
Kattints egy ionra, és nézd meg a színét, oxidációs számát és jellemzőit! Figyeld meg, hogy ugyanaz a fém más-más oxidációs számban más színű (pl. Fe²⁺ ↔ Fe³⁺, Cr³⁺ ↔ Cr₂O₇²⁻, Mn²⁺ ↔ MnO₄⁻).
Egy fém, többféle oxidációs szám
A változó oxidációs szám oka, hogy a d- és s-elektronok energiája közeli, így a fém többféle számú elektront is leadhat. A legtöbb oxidációs számot a mangán mutatja (+2-től +7-ig). A magasabb oxidációs szám rendszerint erősebb oxidáló hatással jár.
| Fém | Tipikus oxidációs számok | Példák |
|---|---|---|
| Vas (Fe) | +2, +3 | FeCl₂ (Fe²⁺), FeCl₃ (Fe³⁺) |
| Réz (Cu) | +1, +2 | Cu₂O (Cu⁺), CuO (Cu²⁺) |
| Cink (Zn) | +2 | ZnO, ZnSO₄ (csak +2) |
| Króm (Cr) | +2, +3, +6 | Cr₂O₃ (+3), K₂Cr₂O₇ (+6) |
| Mangán (Mn) | +2, +4, +6, +7 | MnO₂ (+4), KMnO₄ (+7) |
A komplexkémia alapfogalmai — interaktív
Az átmenetifémeknek üres, energiailag elérhető d-pályáik vannak, amelyekre más részecskék elektronpárt adhatnak. Így jönnek létre a komplex ionok (komplexek) — az átmenetifémek kémiájának egyik legjellemzőbb jelensége.
A komplex közepén egy központi (centrális) fémion áll, amelyhez ligandumok kapcsolódnak. A ligandumok olyan ionok vagy molekulák, amelyek nemkötő elektronpárral kötődnek a központi ionhoz (datív, koordinatív kötés). A központi ionhoz kapcsolódó ligandumok száma a koordinációs szám.
Interaktív komplexképzés
Válassz egy komplex iont, és nézd meg, melyik a központi ion, mik a ligandumok, és mekkora a koordinációs szám!
B) A vas és a kohászat
A vas (Fe) és reakciói
A vas a legfontosabb fém: az emberiség legnagyobb tömegben felhasznált fémes szerkezeti anyaga. A földkéreg egyik leggyakoribb fémeleme. Vegyértékszerkezete 4s² 3d⁶, jellemző oxidációs számai a +2 és a +3. A tiszta vas ezüstfehér, jól megmunkálható, ferromágneses fém.
A vas reakciói
A vas közepesen reakcióképes fém. Nemfémekkel hevítve, savakkal és gőzzel is reagál — figyeld, hogy nemfémekkel (O₂, Cl₂) gyakran a +3, savakkal pedig a +2 oxidációs állapot keletkezik.
A vas ércei
A vas a természetben főként oxidos és karbonátos ércekben fordul elő:
| Ásvány | Képlet | Jellemző |
|---|---|---|
| Magnetit | Fe₃O₄ | nagy vastartalmú, mágneses (mágnesvasérc) |
| Hematit | Fe₂O₃ | vörös vasérc, fontos ipari érc |
| Limonit | FeO(OH) | barna vasérc (víztartalmú vas-oxid-hidroxid) |
| Sziderit | FeCO₃ | vaspát (karbonátos érc) |
| Pirit | FeS₂ | vaskovand; kéntartalma miatt kohászatra nem alkalmas |
A vas változó oxidációs számai — interaktív
A vas +2 és +3 állapota egymásba alakítható (oxidáció ↔ redukció). Böngészd végig a két állapotot, és nézd meg az ionok színét, csapadékaikat és tipikus vegyületeiket!
A vas kohászata — a nagyolvasztó
A vasércekből (oxidokból) redukcióval nyerik a fémvasat. Az ipari folyamat helyszíne a nagyolvasztó (kohó), amelybe felülről vasércet, kokszot (szén) és salakképzőt (mészkövet) adagolnak, alulról pedig forró levegőt fújnak be. A tényleges redukálószer a kokszból képződő szén-monoxid.
A folyamat lépései — interaktív stepper
Kövesd végig a nagyolvasztóban lejátszódó reakciókat lépésről lépésre!
A nagyolvasztó reakciói egyben
1. A levegő oxigénje elégeti a kokszot (ez a hőforrás):
2. A felfelé szálló szén-dioxid az izzó kokszon szén-monoxiddá alakul (ez a redukálószer):
3. A szén-monoxid redukálja a vas-oxidot fémvassá:
4. A mészkő hőre elbomlik, majd az égetett mész a kőzet kvarcával (SiO₂) folyékony salakot képez, amely elkülönül a vastól:
Nyersvas és acél
A nagyolvasztóból kikerülő termék a nyersvas: sok szenet (kb. 3–4 m/m%) tartalmaz, ezért kemény, de rideg, törékeny — nem alakítható. Ha a széntartalmát 1,7 m/m% alá csökkentik (a felesleges szén kiégetésével), acélt kapnak, amely már jól kovácsolható, hengerelhető szerkezeti anyag.
| Széntartalom | Tulajdonság | |
|---|---|---|
| Nyersvas | ≈ 3–4 m/m% | kemény, de rideg, törékeny; nem alakítható |
| Acél | < 1,7 m/m% | szívós, kovácsolható, hengerelhető szerkezeti anyag |
Vasvegyületek és a rozsdásodás
A vasionok színei és csapadékaik
A vas két oxidációs állapota jól megkülönböztethető szín alapján is. A vas(II)-ion levegőn lassan vas(III)-ionná oxidálódik.
| Részecske | Oxidációs szám | Szín |
|---|---|---|
| Fe²⁺ (vizes oldatban) | +2 | halványzöld |
| Fe(OH)₂ (csapadék) | +2 | szürkészöld |
| Fe³⁺ (vizes oldatban) | +3 | sárgás (sárgásbarna) |
| Fe(OH)₃ (csapadék) | +3 | vörösbarna |
A rozsdásodás
A vas a nedves levegőn korrodál: a folyamathoz egyszerre kell a levegő oxigénje és a víz (nedvesség). A keletkező rozsda laza, porózus, víztartalmú vas(III)-oxid-hidroxid, amely — szemben pl. az alumínium tömör oxidrétegével — nem véd, hanem leválva újabb felületet enged korrodálni. Ezért rágja át magát a rozsda fokozatosan az egész tárgyon.
A vas a biológiában
C) Az egyes fémek
A réz (Cu)
A réz vörös színű, jól nyújtható, kiváló hő- és elektromos vezető fém — ezért alapanyaga a vezetékeknek. Vegyértékszerkezete ns¹ (n−1)d¹⁰ (4s¹ 3d¹⁰), jellemző oxidációs számai a +1 és a +2. A réz(I)-vegyületek közül a Cu₂O vörös színű; a gyakoribbak azonban a réz(II)-vegyületek.
A réz reakciói
A réz a hidrogénnél kevésbé reakcióképes (a standardpotenciál-sorban a hidrogén után áll), ezért fontos tulajdonsága: híg, nem oxidáló savval nem reagál. Csak oxidáló savak (tömény kénsav, salétromsav) oldják.
Híg sósavval, híg kénsavval nem reagál (a hidrogén után áll a sorban). Oxidáló savakkal viszont igen:
Rézvegyületek és színek
A réz(II)-ion vizes oldatban — voltaképp a [Cu(H₂O)₄]²⁺ akvakomplex — halványkék. Lúggal kék csapadék, ammóniával pedig mély azúrkék komplex képződik:
- Rézgálic (réz(II)-szulfát-pentahidrát): CuSO₄·5 H₂O — kék kristályok. (A vízmentes CuSO₄ fehér, vízfelvételkor kékül → vízkimutatás.)
- Patina: a réz tárgyak (pl. szobrok, tetők) felületén a levegőn kialakuló zöld bevonat (réz-hidroxid-karbonát/szulfát), amely a továbboldódástól véd.
A réz ötvözetei
| Ötvözet | Összetétel | Jellemző |
|---|---|---|
| Sárgaréz | Cu + Zn | aranysárga, jól megmunkálható (szerelvények, hangszerek) |
| Bronz | Cu + Sn (ón) | kemény, korrózióálló (szobrok, harangok, csapágyak) |
A cink (Zn)
A cink kékesfehér fém, vegyértékszerkezete ns² (n−1)d¹⁰ (4s² 3d¹⁰); a betöltött d-alhéj miatt csak a +2 oxidációs számot mutatja, és ionjai színtelenek. Egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy amfoter: savval is és lúggal is reagál.
A cink reakciói
Savakkal hidrogénfejlődés közben oldódik (a hidrogénnél negatívabb fém):
Amfoter jelleg: a cink — kevés fémmel megosztva — lúgban is oldódik, hidroxokomplexet (cinkátot) képezve:
Felhasználás — horganyzás (korrózióvédelem)
A cink legfontosabb felhasználása a vas korrózióvédelme: a horganyzás során a vasat cinkréteggel vonják be. A cink akkor is megvédi a vasat, ha a réteg megsérül, mert a cink negatívabb standardpotenciálú — előbb oldódik fel, mint a vas (katódos védelem).
A króm (Cr)
A króm kemény, ezüstös, fényes fém, amelyet épp ezért díszítő és korrózióálló bevonatként (krómozás) használnak. Tipikus átmenetifém: változó oxidációs számokat mutat (+2, +3, +6), és vegyületei feltűnően színesek. A nevét is a görög „króma" (= szín) szóból kapta.
A króm oxidációs számai és színei
| Részecske | Ox. szám | Szín | Jellemző |
|---|---|---|---|
| Cr³⁺ | +3 | zöld / ibolya | a legstabilabb állapot; krómtimsó |
| Cr₂O₃ | +3 | zöld | króm(III)-oxid, zöld pigment |
| CrO₃ | +6 | sötétvörös | króm(VI)-oxid, erélyes oxidálószer |
| CrO₄²⁻ (kromát) | +6 | sárga | lúgos közegben stabil |
| Cr₂O₇²⁻ (dikromát) | +6 | narancs | savas közegben stabil; erős oxidálószer |
A kálium-dikromát (K₂Cr₂O₇) narancsszínű, +6-os oxidációs számú króm — erős oxidálószer, amelyet savas közegben redukálva zöld Cr³⁺-má alakul.
A kromát–dikromát egyensúly
A +6-os króm vizes oldatban a kémhatástól függően két formában létezik: lúgos közegben sárga kromát, savas közegben narancs dikromát. A kettő egymásba alakul:
A mangán (Mn)
A mangán kemény, rideg, ezüstszürke fém; legfontosabb felhasználása az acélgyártás (szilárdságot ad). Vegyértékszerkezete 4s² 3d⁵ — a feles d-alhéj miatt a mangán mutatja a legtöbb oxidációs számot az átmenetifémek közül: +2-től +7-ig. A magasabb oxidációs számú mangánvegyületek erős oxidálószerek.
A mangán oxidációs számai és színei
| Részecske | Ox. szám | Szín | Jellemző |
|---|---|---|---|
| Mn²⁺ | +2 | (halvány) rózsaszín | a legstabilabb állapot |
| MnO₂ (barnakő) | +4 | barnásfekete | oxidálószer; üveg-, szárazelem-ipar |
| MnO₄²⁻ (manganát) | +6 | zöld | csak lúgos közegben stabil |
| MnO₄⁻ (permanganát) | +7 | lila (ibolya) | KMnO₄ — erős oxidálószer |
A barnakő (MnO₂) klórfejlesztése
A barnakő (+4-es mangán) oxidáló hatású: tömény sósavval melegítve klórgázt fejleszt (régi laboratóriumi klórelőállítás):
A kálium-permanganát (KMnO₄) — erős oxidálószer
A KMnO₄ mély lila színű, +7-es oxidációs számú mangánt tartalmaz. Savas közegben redukálva színtelen (halvány rózsaszín) Mn²⁺-ná alakul — az élénk színváltás miatt kiváló a redoxititrálásokhoz. A folyamat lényege a félreakció:
Tömény sósavval például klórt fejleszt (a klorid a redukálószer):
Erős oxidálószerek — interaktív
A két legfontosabb átmenetifém-oxidálószer a KMnO₄ és a K₂Cr₂O₇. Kattints rájuk, és nézd meg a kiindulási és a redukált forma színét és oxidációs számát!
D) A nemesfémek
A nemesfémek (Ag, Au, Hg)
A nemesfémek kis reakciókészségű, korrózióálló fémek: a levegőn nem oxidálódnak, és a legtöbb savval szemben ellenállóak. Épp ezért ékszerként, érmeként, elektronikában (jó vezetők, nem korrodálnak) használják őket.
Ezüst (Ag)
A legjobban vezető fém; a levegőn nem oxidálódik, csak a kén-hidrogén feketíti meg (Ag₂S). Híg, nem oxidáló savval nem reagál; a salétromsav viszont oldja:
Komplexképzése jellegzetes — az AgCl ammóniában feloldódik a diammin-ezüst(I)-ion képződésével:
- Az ezüst-halogenidek vízben rosszul oldódnak és színesek: AgCl fehér, AgBr halványsárga — a halogenidionok kimutatásának alapja.
- A [Ag(NH₃)₂]⁺ komplexion a diammin-ezüst(I)-ion (más néven argentát).
Arany (Au)
A legnemesebb, sárgán fénylő, rendkívül jól nyújtható fém. Önmagában sem savak, sem lúgok nem oldják — egyetlen kivétel a királyvíz:
Tömény sósav és tömény salétromsav 3 : 1 térfogatarányú elegye. A benne keletkező erélyes oxidáló közeg (atomos klór, nitrozil-klorid) az aranyat és a platinát is feloldja — pedig a két sav külön-külön nem.
Higany (Hg)
A higany az egyetlen szobahőmérsékleten folyékony fém — ezüstös, nehéz, mozgékony „eleven ezüst". Vegyületeiben +1 és +2 oxidációs számmal szerepel.
A higany ötvözetei az amalgámok (pl. a régi fogtömések ezüst-amalgámja); a higany sok fémet old, folyékony „ötvözetté" alakítva.
Nemesfémek áttekintése
| Fém | Mi oldja? | Jellemző / felhasználás |
|---|---|---|
| Ezüst (Ag) | salétromsav | legjobb vezető; ékszer, fényképezés (AgBr), tükör |
| Arany (Au) | csak királyvíz (HCl : HNO₃ = 3 : 1) | legnemesebb; ékszer, elektronika, tartalék |
| Higany (Hg) | salétromsav | egyetlen folyékony fém; mérgező; amalgámok |
Összefoglalás és jelentőség
A d-mező fémei az ipar és a hétköznapi élet meghatározó anyagai. Foglaljuk össze a legfontosabb pontokat.
A közös vonások — egy mondatban
- Vegyértékszerkezet: (n−1)d ns² — a d- és s-elektronok energiája közeli, ezért mindkettő részt vesz a kötésben.
- Változó oxidációs szám, színes ionok, katalitikus hatás, mágnesesség, komplexképzés — mind a részben betöltött d-alhéjból következik.
- Ferromágneses kivételek: a vas, a kobalt és a nikkel.
A komplex ionok, amiket ismerni kell
| Komplex | Központi ion | Koord. szám | Szín / megjegyzés |
|---|---|---|---|
| [Cu(NH₃)₄]²⁺ | Cu²⁺ | 4 | azúrkék (mély kék) |
| [Ag(NH₃)₂]⁺ | Ag⁺ | 2 | diammin-ezüst(I)-ion (AgCl-oldódás) |
| [Zn(OH)₄]²⁻ | Zn²⁺ | 4 | cinkát — amfoter cink lúgban |
| [Al(OH)₄]⁻ | Al³⁺ | 4 | aluminát — amfoter alumínium lúgban |
Az egyes fémek dióhéjban
| Fém | Ox. számok | Kulcsszavak |
|---|---|---|
| Vas (Fe) | +2, +3 | kohászat, nyersvas/acél, rozsda, hemoglobin, ferromágneses |
| Réz (Cu) | +1, +2 | vezető, híg savval nem reagál, rézgálic, patina, sárgaréz/bronz |
| Cink (Zn) | +2 | amfoter, horganyzás, ZnS/ZnO |
| Króm (Cr) | +2, +3, +6 | krómozás, K₂Cr₂O₇, kromát⇌dikromát |
| Mangán (Mn) | +2, +4, +6, +7 | acél, MnO₂, KMnO₄ (erős oxidálószer) |
| Ezüst (Ag) | +1 | vezető, ezüst-halogenidek, [Ag(NH₃)₂]⁺ |
| Arany (Au) | +3 | legnemesebb, csak királyvíz oldja |
| Higany (Hg) | +1, +2 | folyékony fém, mérgező, amalgámok |