A) Áttekintés
A p-mező fémjei — áttekintés
A p-mező elemeinek legkülső héján a p-alhéj töltődik fel. Ennek a mezőnek a túlnyomó része nemfém, de a bal alsó sarkában fémek is találhatók. A legfontosabbak: a III. főcsoportban az alumínium (Al), gallium (Ga), indium (In), tallium (Tl); a IV. főcsoportban az ón (Sn) és az ólom (Pb); az V. főcsoportban a bizmut (Bi). A fémek és a nemfémek határán helyezkednek el a félfémek (pl. B, Si, Ge, As) — ezek a fémes és a nemfémes tulajdonságokat is mutatják.
B) Az alumínium
Az alumínium tulajdonságai
Az alumínium a III. főcsoport eleme, vegyértékhéj-konfigurációja 3s² 3p¹. A három vegyértékelektronját leadva +3 oxidációs számú állapotba kerül, vegyületeiben szinte mindig így fordul elő. A Föld kérgének leggyakoribb fémes eleme.
Ezüstfehér, könnyűfém (kis sűrűségű), jól nyújtható és jól hajlítható, a hőt és az elektromosságot is jól vezeti. Kristályrácsa lapcentrált köbös (fcc) fémrács.
Passziválódás és korrózióállóság
Az alumínium az elektrokémiai sorban a nem nemes fémek közé tartozik (igen negatív standardpotenciálú), mégis hétköznapi körülmények között korrózióálló. Ennek oka a passziválódás.
A levegőn az alumínium felületén vékony, tömör, jól tapadó Al₂O₃-réteg alakul ki. Ez a védőréteg elzárja a fémet a környezettől, és megakadályozza a további oxidációt (korróziót). A felületi réteg mesterségesen is vastagítható (eloxálás).
A tömény salétromsav is passziválja
A tömény salétromsav (HNO₃) az alumínium felületén szintén passziváló oxidréteget hoz létre, ezért — bár erélyes oxidálósav — a tömény salétromsav nem oldja az alumíniumot. (Ezért szállítható tömény salétromsav alumínium tartályban.)
Reakció vízzel — a védőréteg eltávolítása után
Ha a védő oxidréteget eltávolítjuk (pl. amalgámozással vagy lúgos maratással), a „csupasz" alumínium már a vízzel is reagál, hidrogénfejlődés közben:
Az alumínium amfotériája — interaktív
Az alumínium amfoter fém: a védőréteg eltávolítása után savban és lúgban egyaránt feloldódik, mindkét esetben hidrogéngáz fejlődése közben. Nemcsak a fém amfoter: az Al₂O₃ és az Al(OH)₃ is amfoter (savval és lúggal is reagál). Kattints a két közegre, és figyeld a keletkező komplexet!
A két komplex mindkét esetben színtelen
Savas közegben az alumínium hexaakva-alumínium(III)-ion formájában van jelen, lúgos közegben tetrahidroxido-aluminát(III)-ion keletkezik. Az alumíniumionnak nincs d-elektronja, ezért mindkét komplex színtelen.
Az alumínium reakciói és a termit
A csupasz alumínium reakcióképes fém: oxigénnel, halogénekkel és fém-oxidokkal is hevesen reagál. A reakciói erősen exotermek, mert az Al–O kötés nagyon stabilis.
Égés és reakció halogénekkel
Levegőn finom porként meggyújtva fényesen ég, alumínium-oxiddá:
Halogénekkel alumínium-halogenidek keletkeznek:
A termitreakció (aluminotermia)
Az alumínium és a vas(III)-oxid porának keveréke. Meggyújtva rendkívül heves, erősen exoterm reakcióban az alumínium redukálja a vasat az oxidjából; a keletkező vas a hőmérséklet (~2000–2500 °C) miatt folyékony, izzó állapotban válik ki. Gyakorlati felhasználása a sínhegesztés (vasúti vágányok helyszíni összehegesztése).
Előfordulás és előállítás — interaktív (Hall–Héroult)
Az alumínium reakcióképessége miatt a természetben csak vegyületeiben fordul elő. A legfontosabb ásványai:
| Ásvány | Képlet / összetétel | Jelentőség |
|---|---|---|
| Bauxit | Al₂O₃·xH₂O | az alumíniumgyártás fő nyersanyaga (timföldérc) |
| Kriolit | Na₃AlF₆ | az elektrolízis olvadékát adja (olvadáspont-csökkentő) |
| Korund | Al₂O₃ | kristályos; nyomokkal színezve rubin (vörös) és zafír (kék) |
Az előállítás két lépése
Az alumíniumot kétlépéses eljárással állítják elő: először a bauxitból tiszta timföldet (Al₂O₃) nyernek Bayer-eljárással, majd a timföldet olvadékelektrolízissel (Hall–Héroult-eljárás) bontják fémmé. Lépkedj végig a folyamaton!
Az elektrolízis részletei
A timföld olvadáspontja igen magas (~2050 °C), ezért kriolit (Na₃AlF₆) olvadékában oldják, így már ~1000 °C-on elvégezhető az elektrolízis. A két elektródfolyamat (rendezett alakban):
Az anódon fejlődő oxigén a forró szénanóddal reagál (CO₂, illetve CO keletkezik), ezért az anódszén fokozatosan fogy, időnként pótolni kell.
C) Ón és ólom
Az ón (Sn)
Az ón a IV. főcsoport fémes eleme, vegyértékhéja ns² np²; vegyületeiben +2 és +4 oxidációs számmal egyaránt előfordul. Ezüstfehér, jól nyújtható, alacsony olvadáspontú fém.
Ha egy óndarabot meghajlítunk, jellegzetes ropogó, recsegő hang hallatszik. Ezt a kristályrácsban a kristálysíkok elmozdulása (az ikerkristályok keletkezése) okozza.
13 °C alatt a megszokott (fehér, fémes) ón lassan a rideg, szürke ón módosulatba alakul át; a fém eközben szétporlik (porrá hullik). Hideg éghajlaton ez régen valódi károkat okozott (pl. óntárgyakon, orgonasípokon).
Kémiai viselkedés
- Levegőn hevítve oxidálódik: Sn + O₂ = SnO₂.
- Amfoter fém: savval és lúggal is reagál (hasonlóan az alumíniumhoz).
Felhasználás
- Fehérbádog: ónréteggel bevont acéllemez (konzervdoboz) — az ón korrózióvédő bevonat.
- Bronz: réz–ón ötvözet (Cu + Sn).
- Forrasztóón: ón–ólom ötvözet (Sn + Pb), alacsony olvadáspontú.
Az ólom (Pb)
Az ólom szintén a IV. főcsoport eleme (ns² np²), vegyületeiben +2 és +4 oxidációs számú lehet. Nagy sűrűségű, lágy, jól alakítható nehézfém, kékesszürke, frissen vágva fémesen csillog, de a levegőn (oxidréteg miatt) hamar megfakul. Korrózióálló.
Reakció savakkal — a védőréteg leállítja az oldódást
Híg savakban az ólom oldódása megindul, de a fém felületén keletkező rosszul oldódó só (védőréteg) hamar leállítja a folyamatot:
A keletkező PbCl₂, illetve PbSO₄ vízben rosszul oldódik, és bevonja a fémet — ezért az ólom híg sósavnak és híg kénsavnak is ellenáll. A tömény, forró kénsav viszont oldja (a kénsav itt oxidálószerként viselkedik, kén-dioxiddá redukálódik):
Ólomakkumulátor
Újratölthető galvánelem (a gépjárművek hagyományos akkumulátora). Elektródjai fémes ólom és ólom(IV)-oxid (PbO₂), elektrolitja híg kénsav. Töltéskor/kisütéskor az ólom oxidációs száma változik (Pb, Pb²⁺, Pb⁴⁺ között), és PbSO₄ keletkezik, illetve alakul vissza.
Inertpár-effektus és az oxidációs számok — interaktív
Az ón és az ólom is a +2 és a +4 oxidációs számot veheti fel (ns² np² vegyértékhéj). Hogy melyik a stabilabb, azt az inertpár-effektus dönti el.
A nehezebb p-mező-fémeknél a legkülső ns² elektronpár egyre „lustábban" (egyre nehezebben) vesz részt a kötésekben — mintha „leszakadna" a vegyértékről. Emiatt a csoportban lefelé haladva egyre inkább az alacsonyabb (+2) oxidációs szám válik stabillá.
A IV. főcsoportban tehát: az ónnál a +4, az ólomnál a +2 oxidációs szám a stabilabb. Válts a két fém és a két oxidációs szám között!
D) Jelentőség
Felhasználás és élettani jelentőség — összefoglalás
A p-mező fémjei az ipar és a hétköznapok meghatározó anyagai — az alumínium a könnyűszerkezetek és a csomagolás fémje, az ón és az ólom pedig évezredek óta ismert „régi" fémek.
Az alumínium felhasználása
- Könnyűszerkezetek: repülőgép- és járműipar, építőipar (az ötvözetei szilárdak és könnyűek).
- Elektromos vezeték: jó vezető és könnyű (távvezetékek).
- Csomagolás: alufólia, italos doboz, tubusok.
| Fém | Fő tulajdonság | Tipikus felhasználás |
|---|---|---|
| Alumínium (Al) | könnyű, jó vezető, passziválódik (korrózióálló), amfoter | könnyűszerkezet, vezeték, fólia |
| Ón (Sn) | korrózióálló bevonat, amfoter, ónpestis 13 °C alatt | fehérbádog, bronz (Cu+Sn), forrasztóón (Sn+Pb) |
| Ólom (Pb) | nagy sűrűségű, lágy, mérgező, +2 a stabil | ólomakkumulátor, sugárvédelem (régen csövek, festék) |
Egészségügyi és környezeti vonatkozások
- Alumínium és a savas eső: a savas csapadék hatására az alumínium kioldódhat a talajból, és bekerülhet az élővizekbe — ott a vízi élőlényekre káros lehet.
- Ólommérgezés: az ólom a szervezetben felhalmozódik és az idegrendszert károsítja; ezért szorították vissza az ólomtartalmú benzint, festéket és vízvezetéket.