Felidéző gyakorlás
Kék Cu2+-oldathoz kevés NaOH-oldatot adunk. Melyik csapadék válik ki?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
A megfigyeléstől a következtetésig
A minőségi analízis kérdése az, melyik anyag vagy ion lehet jelen. Az oldat színe önmagában ritkán elég. Figyeld meg az eredeti oldatot, adj megismert reagenst kis részlethez, írd le a csapadék színét és oldhatóságát, majd írj egyenletet. Ha több ion azonos jelet ad, második próbát vagy kontrollmintát használj. A tanulási út: részecske → látható tulajdonság → reagens → új részecske → ellenőrzés.
Minőségi analízis lépései az ismeretlen oldattól az ellenőrzött következtetésig.
Ábra szöveges leírása
| Állomás vagy anyag | Lényeg |
|---|---|
| Minta | szín, kémhatás |
| Reagens | cseppenként |
| Megfigyelés | csapadék / szín |
| Ellenőrzés | második próba |
Minőségi analízis lépései az ismeretlen oldattól az ellenőrzött következtetésig.
Ábra szöveges leírása
| Állomás vagy anyag | Lényeg |
|---|---|
| Minta | szín, kémhatás |
| Reagens | cseppenként |
| Megfigyelés | csapadék / szín |
| Ellenőrzés | második próba |
Miben különböznek a d-mező fémei?
A vas, réz, nikkel és kobalt a periódusos rendszer d-mezőjében található. Gyakori a többféle oxidációs állapot, a színes ion és a komplexképzés. Nem minden d-mezőbeli elem ionja színes: a Zn2+ például színtelen, és a cink teljes d-alhéja miatt a szigorú átmenetifém-definíció szerint nem átmenetifém, bár a d-blokk témájával együtt szokás tanulni. A színt az adott ionra és környezetére vonatkoztasd, ne pusztán az elem nevére.
A vizsgán összehasonlítható tulajdonságok
| Fém | Fizikai jellemzők | Redoxiviselkedés és alkalmazás |
|---|---|---|
| Fe | Szürke; sűrűsége kb. 7,9 gcm3; jól vezet, mechanikai tulajdonságai erősen függenek az ötvözéstől. | A Fe2+/Fe standardpotenciálja negatív. Szerkezeti anyag, acélok alapja; nedves levegőn rozsdásodik. |
| Cu | Vöröses; kb. 8,9 gcm3; jól nyújtható, kiváló vezető. | A Cu2+/Cu standardpotenciálja pozitív. Vezetékek, bronz és sárgaréz; oxidáló savban oldható. |
| Ag | Ezüstfehér; kb. 10,5 gcm3; a tiszta fém kiemelkedően jó elektromos vezető. | Az Ag+/Ag standardpotenciálja pozitív. Ékszer, érintkező; kéntartalmú szennyezőktől feketedhet. |
| Au | Sárga; kb. 19,3 gcm3; igen jól nyújtható, a tiszta fém puha. | Nemesfém, önmagában sósavban vagy salétromsavban nem oldódik. Ékszerekben gyakran ötvözik. |
| Zn | Kékesszürke; kb. 7,1 gcm3; szobahőmérsékleten ridegebb, 100–150 °C körül jobban alakítható. | A Zn2+/Zn standardpotenciálja negatív. Horganyzás és sárgaréz; híg nem oxidáló savból H2-t fejleszt. |
Az elektronegativitás és a standardpotenciál eltérő adat
Az elektronegativitás a kötésben lévő atom elektronvonzó képességét jellemzi. A cinké kisebb, az aranyé viszonylag nagy; a Cu és Ag értéke közel áll egymáshoz. A standardpotenciál ezzel szemben adott redoxipárra és körülményekre vonatkozik. Az egyik adatból nem számoljuk ki közvetlenül a másikat: ionképzés, hidratáció és komplexképzés is beleszól a reakcióba. A fémek jellemző adatait az RSC periódusos rendszere is összegzi.
Vas: elem, ércek, öntöttvas és acél
A vas szürke, jól alakítható fém, jó vezető; ferromágneses viselkedése ismert. A földkéregben többnyire oxidokban, például hematitban (Fe2O3) és magnetitban (Fe3O4) fordul elő. A nagyolvasztóban kokszból képződő CO redukálja a vas-oxidokat; mészkőből származó CaO a szennyezők egy részével salakot képez. A nyersvasból széntartalom és egyéb összetevők szabályozásával öntöttvas és különböző acélok készülnek. A vas az élő szervezetben hem és citokrómok alkotója.
A nagyolvasztóban három nyersanyag három feladatot kap
A vasérc a vas forrása. A koksz egyrészt hőt ad, másrészt redukáló gázt szolgáltat: az alsó térségben a bevezetett levegő oxigénjével CO2 keletkezik, amely forró szénnel CO-vá alakulhat. A felfelé áramló CO érintkezik a lefelé haladó adaggal, és több lépésben redukálja a vas-oxidokat. Az összegzett iskolai egyenlet: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2. A Fe +3-ról 0-ra redukálódik, a CO szene +2-ről +4-re oxidálódik.
A mészkő hevítve bomlik: CaCO3 → CaO + CO2. A keletkező bázikus CaO a meddő savas jellegű összetevőivel salakot képezhet; egyszerűsített példa: CaO + SiO2 → CaSiO3. Ez nem a vas redukciója, hanem a szennyezők elkülönítésének egyik módja. A valós salak több összetevőt tartalmaz, az olvadt vason úszik és külön csapolható.
A nagyolvasztó működése
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Vasérc | Vas-oxidok: a fém forrása |
| Koksz | Hő és redukáló CO forrása |
| Mészkő | CaO-képzés, szennyezők salakba vitele |
| Termékek | Nyersvas, salak és távozó gáz |
A vasérc redukciója és az acélgyártás eltérő lépés
A nagyolvasztó nyersvasa több tömeg% szenet és egyéb összetevőket tartalmaz. Keményebb és ridegebb lehet a kis széntartalmú acélnál. Acélgyártáskor a szén és más összetevők mennyiségét csökkentik, majd a kívánt tulajdonságokhoz beállítják az összetételt. Az oxigénes konverterben a fölös szén oxidációval távozik, például CO-ként, a szilícium és más szennyezők oxidjai a salakba kerülhetnek. Itt már nem vas-oxidból kell előállítani a fémvasat.
Az acél széntartalma általában kb. 2 tömeg% alatti; az öntöttvasaké nagyobb. A pontos határ az alkalmazott meghatározástól és összetételtől is függ. Több szén nem jelent minden szempontból jobb anyagot: a keménység, alakíthatóság és szívósság között különbséget kell tenni. Króm és nikkel hozzáadásával más tulajdonságú acélok készülhetnek. Hulladékacélból elektromos ívkemencében is gyártanak acélt: nem minden acél járja végig a nagyolvasztós utat. World Steel Association: gyártási utak.
Kidolgozott példa: A vasérc tömege nem a nyerhető vas tömege
Feladat: Egy képzeletbeli 800 g-os ércminta 70 tömeg% Fe2O3-ot tartalmaz;
a többi alkotórész nem szolgáltat vasat.
Az ebből elméletileg nyerhető vas 90%-át kapjuk meg.
Mennyi ez?
Ar(Fe)=56, Ar(O)=16.
A Fe2O3 tömege 800·0,70=560 g.
A képlet tömege 160 gmol;
ebből 112 g a vas.
Az elméleti vastömeg 560·112/160=392 g.
A meddő tömegét nem számoljuk tiszta oxidként.
A ténylegesen kapott vastömeg 392·0,90=352,8 g≈353 g.
A 70% összetétel és a 90% kitermelés két külön arány.
A megadott adatok gyakorlófeladathoz készültek, nem általános üzemi mutatók.
A szervezetben nem vasreszelék szállít oxigént
A hemben a vas porfirinvázhoz kötött; a hemoglobin oxigénmegkötésében fontos szerepe van. A citokrómokban a kötött vas oxidációs állapotának változása elektronátadást tesz lehetővé. Az oxigén megkötését és az elektronátadást ezért külön folyamatként értelmezzük. A szükséges nyomelem mennyisége nem jelenti azt, hogy tetszőleges vasvegyület vagy tetszőleges adag veszélytelen.
Vas reakciói
Híg sósavval Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2. Kénnel melegítéskor Fe + S → FeS. Oxigénnel az adott körülményektől függően különböző oxidokat képezhet. Hideg tömény salétromsavban a vas passziválódhat. Nedves levegőn rozsdásodik; a részletes anód- és katódfolyamatokat a fémek és korrózió jegyzet tárgyalja. A vas fémes színe nem ugyanaz, mint Fe2+ vagy Fe3+ hidratált ionok oldatszíne.
A reakciópartner és a körülmények döntik el a terméket
| Körülmény | Iskolai példa | Mit következtetünk? |
|---|---|---|
| Híg sósav | Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2 | Fe(II) képződik; a H+ redukálódik. |
| Kénnel melegítve | Fe + S → FeS | Külön vegyület, nem egyszerű vas–kén keverék. |
| Klórral | 2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3 | Fe(III) is kialakulhat: a reagens oxidáló hatása számít. |
| Oxigénben égő vas | 3 Fe + 2 O2 → Fe3O4 | Fontos példa a magnetit; nem minden oxidáció kizárólag Fe2O3-ot ad. |
| Hideg tömény HNO3 | Passzív felületi réteg | Az oldódás lassulhat; ez körülményekhez kötött viselkedés. |
| Oxidáló sav, más körülmények | A sav redukciós terméke és a vas oxidációs állapota is függ a közegtől. | A híg sósav H2-fejlődését nem másoljuk automatikusan salétromsavra. |
Fe2+ és Fe3+: két különböző ion
Híg vizes Fe2+-oldat halványzöld, Fe3+-oldat sárgásbarna lehet. Lúg hozzáadásakor Fe2+ + 2 OH− → Fe(OH)2↓, kezdetben zöldes csapadék; Fe3+ + 3 OH− → Fe(OH)3↓, vörösbarna csapadék. A Fe(OH)2 levegőn oxidálódva megbarnulhat, ezért az idő és az oxigén jelenléte befolyásolja a megfigyelést. A csapadékot nem szabad automatikusan „rozsdának” nevezni.
Vas(II)- és vas(III)-hidroxid megfigyelése
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Fe(II) + lúg | Friss zöldes csapadék |
| Oxigén és idő | A Fe(II) oxidációjával barnulhat |
| Külön Fe(III) + lúg | Vörösbarna csapadék képződik |
A vas(II)-hidroxid levegős oxidációjának összegzett modellje
4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O → 4 Fe(OH)3
A vas +2-ről +3-ra változik. A friss csapadék barnulása redoxifolyamat; a hidroxidionos kicsapás önmagában nem az.
Vas(III)-hidroxid kicsapása
Fe3+ + 3 OH− → Fe(OH)3
A vörösbarna csapadék a Fe3+-ion egyik fontos minőségi jele.
Felidéző gyakorlás
Melyik frissen képződő csapadék jellemző Fe3+-ionra lúg hatására?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Réz: vezető fém és kék hidratált ion
A réz vöröses színű, jól alakítható, jó hő- és elektromos vezető. Villamos vezetékek, ötvözetek és művészeti tárgyak anyaga. Levegőn lassan védő jellegű patina alakulhat ki; hevítve fekete CuO képződik. Híg HCl-oldattal nem fejleszt hidrogént, oxidáló savakkal reagálhat. A hidratált Cu2+-ion kék; vízmentes réz(II)-szulfát fehér, kristályvizes rézgálic CuSO4·5H2O kék. Réz nyomelem, de túlzott mennyiségben káros.
Cu2+ kimutatása lúggal
Cu2+ + 2 OH− → Cu(OH)2↓. A világoskék csapadék melegítésre fekete CuO-vá bomolhat: Cu(OH)2 → CuO + H2O. A kék színű oldat, a kék csapadék és a fekete bomlástermék három különböző kémiai részecskéhez tartozik. Ha ammóniát adsz, előbb lúgos hatás miatt csapadék képződhet, nagy ammóniafeleslegben pedig emelt szinten tárgyalt mélykék komplex.
Réz(II)-oldat, hidroxidcsapadék és oxid
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Oldat | Hidratált Cu(II)-ionok |
| Csapadék | Cu(OH)2 |
| Hevítés után | CuO; víz is képződik |
Réz és oxidáló sav
Tömény salétromsavval a réz reakciója: Cu + 4 HNO3 → Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O. A vörösbarna NO2 mérgező; a reakciót csak laboratóriumi körülmények között értelmezzük. Az egyenlet mutatja, miért hibás a „réz savval soha nem reagál” állítás: nem oxidáló savból nem fejleszt hidrogént, oxidáló savval viszont más termékek keletkezhetnek.
Ezüst és ezüstion
Az ezüst fém nagyon jó elektromos vezető, ékszerben, elektromos érintkezőkben és ötvözetekben használható. Az Ag+-ion vizes oldata színtelen; kloridionnal fehér AgCl-csapadékot ad: Ag+ + Cl− → AgCl↓. Az ezüst-halogenidek fényérzékenysége a fényképészet történetében fontos. Az AgNO3 oldata roncsoló és fényérzékeny; az ezüstvegyületek környezeti terhelését is számításba kell venni.
Réz, ezüst, arany: előfordulás és alkalmazás
A réz, az ezüst és az arany vöröses, ezüstfehér, illetve sárga fém; mindhárom jól alakítható és jól vezet. A réz szulfidos ércekben is előfordul, az ezüst és arany elemi állapotban is megtalálható. A sárgaréz réz–cink, a bronz réz–ón ötvözet. A rézgálicot korábban és meghatározott alkalmazásokban permetezőszerként használták. Az arany nem oxidáló sósavban és önmagában tömény salétromsavban nem oldódik, de királyvízben komplexképződés mellett oldódhat. A nemesség nem azt jelenti, hogy minden körülmények között kémiailag változatlan.
Patina, feketedés és nemesfémjelleg
A réz nedves, szén-dioxidot és egyéb anyagokat tartalmazó levegőben zöldes patinát kaphat. Ennek összetétele változó; lehetnek benne bázikus réz(II)-karbonátok és más sók. A patina nem egyszerűen a hevítéssel képződő fekete CuO. Az ezüst kéntartalmú szennyezők hatására Ag2S miatt feketedhet: ez nem bizonyítja, hogy levegőn fekete ezüst-oxid keletkezett. Az arany közönséges levegőn igen ellenálló.
Elektrotechnikai alkalmazásnál a jó vezetőképesség mellett a felület állapota is számít. Ékszernél az alakíthatóság és az ötvözéssel javítható keménység fontos. Réz és ezüst ionjai biológiai hatásúak lehetnek; az elemi nemesfém ellenállóságából nem következtetünk minden vegyületének élettani hatására.
Cink: aktív fém, bevonat és biológiai nyomelem
A cink kékesszürke, a réznél aktívabb fém. Híg savval hidrogént fejleszt: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2. Levegőn vékony védő réteg képződhet rajta; vas horganyzására használják. A Zn2+-ion színtelen oldatot alkot, Zn(OH)2 fehér csapadék. A cink biológiai nyomelem, de túlzott mennyiségben kedvezőtlen hatású. A cink fémének korrózióvédő szerepe nem azonos a Zn2+-ion oldatbeli reakcióival.
Cink: a reakciók és előállítás összekapcsolása
| Példa | Egyenlet / értelmezés |
|---|---|
| Oxigén | 2 Zn + O2 → 2 ZnO; a felületi réteg védő hatása környezettől függ. |
| Brómos víz | Zn + Br2 → ZnBr2; a bróm színe eltűnhet, Zn 0-ról +2-re oxidálódik. |
| Kén, melegítés | Zn + S → ZnS; új vegyület keletkezik. |
| Szfalerit pörkölése | 2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2; a szulfidos ércet oxiddá alakítják. |
| Redukció, egyszerűsített modell | ZnO + C → Zn + CO; magas hőmérsékleten. A Zn gőzként is távozhat, majd lecsapatható. |
| Elektrokémiai út | Zn2+ + 2 e− → Zn; az előállítás lépéseit a választott technológiához kell kötni. |
Vas-, réz-, ezüst- és cinkionok egyszerű minőségi jellemzői.
Ábra szöveges leírása
| Állomás vagy anyag | Lényeg |
|---|---|
| Fe2+ | halványzöld |
| Fe3+ | sárgásbarna |
| Cu2+ | kék |
| Ag+ / Zn2+ | színtelen |
Vas-, réz-, ezüst- és cinkionok egyszerű minőségi jellemzői.
Ábra szöveges leírása
| Állomás vagy anyag | Lényeg |
|---|---|
| Fe2+ | halványzöld |
| Fe3+ | sárgásbarna |
| Cu2+ | kék |
| Ag+ / Zn2+ | színtelen |
Próbasor: hogyan különböztess meg ionokat?
Ismeretlen Fe2+-, Fe3+-, Cu2+-, Ag+- vagy Zn2+-oldatból mindig külön részleteket vizsgálj. Kevés NaOH: Fe(OH)2 zöldes, Fe(OH)3 vörösbarna, Cu(OH)2 kék, Zn(OH)2 fehér csapadék; Ag+-nál barna Ag2O is keletkezhet. Cl− hozzáadása Ag+-nál fehér AgCl-t ad. A fehér csapadék önmagában nem bizonyít Zn2+-t, ezért például lúgfeleslegben történő oldódást is ellenőrizni kell.
Felidéző gyakorlás
Egy színtelen ionoldatból Cl− hozzáadására fehér csapadék válik ki. Melyik a leginkább alátámasztott következtetés a tanult ionok közül?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Kidolgozott példa: Miért kevés egyetlen fehér csapadék?
Feladat: Két színtelen mintában Ag+, illetve Zn2+ lehet.
Az egyikhez kloridiont adva fehér csapadék válik ki.
Bizonyítja ez önmagában, hogy a másik minta Zn2+-t tartalmaz?
A megadott kétjelöltes helyzetben az Ag+ + Cl− → AgCl csapadékreakció az első mintát az ezüstionhoz köti.
Általános ismeretlenben más, fehér kloridcsapadékot adó iont sem zárhatnánk ki kizárólag színből.
A másik minta cinktartalmára csak a feladat kizáró feltételével következtethetünk.
Önálló azonosításához saját mintarészleten további próba kell.
Emelt kiegészítés: Zn(OH)2 fehér csapadék és lúgfeleslegben oldódás támogathatja a következtetést.
Az oldódási viselkedést is feljegyezzük, nem csak a színt.
Más amfoter iont a valós mintában még ki kellene zárni.
Középszintű követelmények · 2.7.3
Az Oktatási Hivatal részletes kémiaérettségi-követelményei
A vas, réz, ezüst és cink fontos fizikai tulajdonságai, redoxireakciói, előfordulásuk és felhasználásuk; vas- és acélgyártás; hidratált Fe2+, Fe3+, Cu2+ és Ag+ színe, élettani vonatkozások. A tanult fémionok és hidroxidok megfigyelhető reakcióit a kísérleti feladatok értelmezéséhez kapcsoljuk.
Önellenőrzés
- A Fe2+ és Fe3+ töltését, oldat- és csapadékszínét külön adom meg.
- A réz kék oldatát, kék hidroxidját és mélykék amminkomplexét nem tekintem azonosnak.
- Az AgCl-csapadékot a kloridionnal leírt egyenlet alapján azonosítom.
- Emelt szinten a Zn2+ zárt d-alhéját és a hidroxid amfoter oldódását is megmagyarázom.
Középszintű érettségi mintafeladat · 12 pont
Három külön edényben FeCl2-, FeCl3- és CuSO4-oldat van.
Mindháromhoz kevés NaOH-oldatot adnak.
Egy AgNO3-oldathoz külön NaCl-oldatot cseppentenek.
- Írd fel a három fémhidroxid kicsapódásának ionegyenletét. (6 pont)
- Add meg a friss Fe(OH)2, Fe(OH)3 és Cu(OH)2 csapadék színét. (3 pont)
- Írd fel az AgCl keletkezését, add meg a csapadék színét és egy fontos tulajdonságát. (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Írd fel a három fémhidroxid kicsapódásának ionegyenletét. (6 pont)Fe2+ + 2 OH− → Fe(OH)2↓ (2 pont);
Fe3+ + 3 OH− → Fe(OH)3↓ (2 pont);
Cu2+ + 2 OH− → Cu(OH)2↓ (2 pont). - Add meg a friss Fe(OH)2, Fe(OH)3 és Cu(OH)2 csapadék színét. (3 pont)Fe(OH)2 zöldes (1 pont), Fe(OH)3 vörösbarna (1 pont), Cu(OH)2 világoskék (1 pont).
- Írd fel az AgCl keletkezését, add meg a csapadék színét és egy fontos tulajdonságát. (3 pont)Ag+ + Cl− → AgCl↓ (1 pont);
fehér (1 pont), vízben rosszul oldódó vagy fényérzékeny (1 pont).
Összesen: 12 pont. A Fe(OH)2 levegőn megbarnulhat;
a kérdés friss csapadékra vonatkozik.
Ne a színt magold, a folyamatot is írd fel
Cu2+ + 2 OH− → Cu(OH)2(s): hidratált réz(II)-ionból világoskék szilárd hidroxid képződik. Fe3+ + 3 OH− → Fe(OH)3(s): vörösbarna csapadék. Az egyik ion eltűnése és másik részecske képződése adja a megfigyelést; az egyenletben a töltést is ellenőrizd.
A videó több anyagot is bemutathat a magyar követelményeken túl. A tanult ionokhoz kapcsolódó megfigyelések feldolgozása a cél; az ismeretlen mintát több próba alapján lehet azonosítani.
Tankönyvi kapcsolódás
Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 158–165. nyomtatott oldal; 83–84. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.
A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.