2. 11. 2023

d-prvky

VIII. B skupina

Železo

Výskyt

4. nejrozšířenější prvek zemské kůry

Obvykle ve formě sloučenin – tzv. rudy:

$\text{Fe}_2\text{O}_3$ (oxid železitý) – krevel / hematit
$\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n \ \text{H}_2\text{O}$ (hydratovaný oxid železitý) – hnědel / limonit
$\text{Fe}_3\text{O}_4 = \text{FeO} \cdot \text{Fe}_2\text{O}_3$ (oxid železnato-železitý) – magnetovec / magnetit
$\text{FeS}_2$ (disulfid železnatý) – kočičí zlato / pyrit
$\text{FeCO}_3$ (uhličitan železnatý) – ocelek / siderit

Vlastnosti

Šedý, měkký kov

Je neušlechtilé:

\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4 \ (\text{zř.}) \longrightarrow \text{Fe}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2

Nerozpustné v koncentrované $\text{H}_2\text{SO}_4$

Oxidační čísla: II nebo III (stabilnější)

Sloučeniny s $\text{Fe}^{2+}$ jsou zelené, sloučeniny s $\text{Fe}^{3+}$ jsou rezavé

Železnaté sloučeniny na vzduchu oxidují $\to$ železité sloučeniny

3. 11. 2023

Koroze = nežádoucí reakce daného kovu s prostředím, kdy dojde ke znehodnocení kovu

Železo snadno koroduje $\to$ tvoří se rez ( $\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n \ \text{H}_2\text{O}$ ) – odlupuje se

Železo na povrchu obsahuje malé galvanické články (elektrody: $\text{C}$ a $\text{Fe}$ , elektrolyt: $\text{H}_2\text{O}$ s rozpuštenými látkami – $\text{CO}_2, \text{SO}_2, ...$ ) $\to$ elektrochemická koroze železa:

Na anodě ( $-$ ) ze $\text{Fe}$ probíhá oxidace:

\text{Fe}^0 - 2 \ \text{e}^- \longrightarrow \text{Fe}^{2+}

Na katodě ( $+$ ) z $\text{C}$ probíhá redukce:

\text{O}_2^0 + 4 \ \text{e}^- \longrightarrow 2 \ \text{O}^{-\text{II}}

Výsledná reakce:

4 \ \text{FeO} + \text{O}_2 \longrightarrow 2 \ \text{Fe}_2\text{O}_3

Ochrana železa před korozí:

Galvanické pokovování ( $\text{Zn}, \text{Cr}, \text{Cu}$ )
Nátěry
Oleje
Výroba nerez oceli ( $\text{Cr} + \text{Ni}$ )

Výroba surového železa

Probíhá ve vysoké peci

Suroviny (vsázka):

Železná ruda
Koks – palivo, redukční činidlo
$\text{CaCO}_3$ – struskotvorná přísada

V peci musí být předehřátý vzduch

Vysoká pec má výšku 20 až 30 m, průměr 10 až 15 m

Části vysoké pece (shora dolů):

Kychta (horní část)
Rozpor (nejširší část)
Nístěj (spodní část)

V kychtě je sázecí otvor

V nístěji je vespod kapalné $\text{Fe}$ , nad ním je struska a píšťaly vhánějící vzduch

Ve spodní části je cca 2000 °C, nahoře je cca 700 °C

Reakce ve vysoké peci:

Koks ( $\text{C}$ ):

Hoření (exotermická reakce):
$\text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 \\[0.5em]$
Vznik oxidu uhelnatého (endotermická reakce):
$\text{CO}_2 + \text{C} \longrightarrow 2 \ \text{CO} \\[0.5em]$
$\text{CaCO}_3$ :

Termický rozklad:
$\begin{align*} \text{CaCO}_3 &\overset{t}{\longrightarrow} \text{CaO} + \text{CO}_2 \\[0.5em] \text{CaO} + \text{SiO}_2 &\longrightarrow \text{CaSiO}_3 \end{align*}$

Redukce železné rudy:

Redukční činidla: $\text{CO}$ (= nepřímá redukce) nebo $\text{C}$ (= přímá redukce)

$\space$	Nepřímá redukce	Přímá redukce
Redukční činidlo	$\text{CO}$	$\text{C}$
Vzniká	$\text{CO}_2$	$\text{CO}$
Kde probíhá	horní část pece	dolní část pece
Teplota	nižší	vyšší
Produkt	$\text{Fe} \ (\text{s})$ = houbovité železo	$\text{Fe} \ (\text{l})$

9. 11. 2023

Během redukce rudy probíhá tzv. nauhličování železa $\to$ roste obsah $\text{C}$ v železe, klesá $t_\text{t}$ železa

Redukce probíhá v dílčích krocích

Přímá redukce:

\begin{align*} \text{Fe}^\text{II}_2\text{O}_3 + \text{C}^0 &\longrightarrow \underbrace{\text{Fe}_3\text{O}_4}_{\text{Fe}^\text{II}\text{O} \cdot \text{Fe}^\text{III}_2 \text{O}_3} + \text{C}^\text{II}\text{O} \\[1.75em] \text{Fe}^{\text{II} / \text{III}}_3\text{O}_4 + \text{C}^0 &\longrightarrow \text{Fe}^\text{II}\text{O} + \text{C}^\text{II}\text{O} \\[0.5em] \text{Fe}^\text{II} \text{O} + \text{C}^0 &\longrightarrow \text{Fe}^0 \ (\text{l}) + \text{C}^\text{II}\text{O} \end{align*}

Produkty z vysoké pece:

Kychtové plyny – $\text{N}_2, \text{CO}_2, \text{CO}$ :

Jsou horké

Díky $\text{CO}$ jsou hořlavé:
$\text{CO} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2$
Slouží k ohřátí vzduchu zaváděného do vysoké pece
Vysokopecní struska:

Hlušina $+ \ \text{CaO} \longrightarrow \text{CaSiO}_3$

Využití ve vysoké peci: struska plave na $\text{Fe} \to$ brání jeho oxidaci vháněním vzduchu

Struska z vysoké pece odteče odpichovým otvorem

Využití mimo vysokou pec:
- Vychladnutí strusky $\to$ namletí $\to$ roztřízení $\to$ "umělé kamenivo" – podklad pod silnice, základy domů, dlažba
- Kapalná struska se tlačí přes trysky $\to$ minerální vata
Surové železo (= litina):

Z vysoké pece se dostane odpichovým otvorem (co 4–6 hodin)

4–5 % příměsí ( $\text{C}, \text{Si}, \text{P}, ...$ ) $\to$ není kujné

Použití litiny:
- Radiátory
- Kotle
- Podstavce pod stroje
- Brzdové třmeny u automobilu
- Výroba oceli (= zkujňování):
  
  Probíhá v ocelárnách
  
  Princip: snižování obsahu $\text{C}, \text{Si}, \text{P}, ...$
  
  Obsah $\text{C}$ musí být menší než 1,5 %
  
  Ocel je kujná a tažná

10. 11. 2023

Viz papír o výrobě oceli, úpravě oceli, sloučeninách železa, kobaltu a niklu rozdaný dne 10. 11. 2023

Ve sloučeninách mají oxidační číslo II, pouze rtuť může mít i oxidační číslo I

Nízké teploty tání

Zinek

Značka: $\text{Zn}$

Výskyt: v rudách – sfalerit ( $\text{ZnS}$ ), kalamín ( $\text{ZnCO}_3$ )

Biogenní prvek – stabilizátor enzymů

Výroba

\begin{align*} \text{ZnS} + \text{O}_2 &\overset{\uparrow \ t}{\longrightarrow} \text{ZnO} + \text{SO}_2 \\[0.5em] \text{Zn}^\text{II}\text{O} + \text{C}^0 &\longrightarrow \text{Zn}^0 \ (\text{g}) + \text{C}^\text{II}\text{O} \end{align*}

Vlastnosti

Šedý kov, snadno tavitelný

Neušlechtilý, amfoterní:

Reakcí s kyselinou vzniká sůl a vodík:
$\text{Zn} + 2 \ \text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$
Reakcí s hydroxidem vzniká komplexní sloučenina a vodík:
$\text{Zn} + \text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Na}_2[\text{Zn}(\text{OH})_4] + \text{H}_2$

Na vzduchu se pokrývá $\text{ZnO} \to$ brání další oxidaci

Použití

Doplněk stravy
Galvanické pozinkování
Anoda v bateriích
Součást slitin – např. mosaz ( $\text{Cu} + \text{Zn}$ )

Sloučeniny

$\text{ZnO}$ :

Použití: zinková běloba (barvivo)
$\text{ZnS}$ :

Luminofor (= nosič světla)

Použití: TV obrazovky, ručičky hodinek
$\text{ZnSO}_4 \cdot 7 \ \text{H}_2\text{O}$ :

Tzv. bílá skalice

Použití: lázeň pro galvanické pozinkování