פרק 7. מתכות הקבוצות המשניות (מתכות המעבר)

7.1. אפיון כללי של מתכות מעבר

למתכות המעבר משתייכים כל יסודות ה-d. יש 10 טורים כאלה: של סקנדיום, טיטניום, ונדיום, כרום, מנגן, ברזל, קובלט, ניקל, נחושת ואבץ. כאן נסקור את האפיונים הכלליים של הקבוצה של הכרום ומשפחת הברזל.

את הקבוצה המשנית של קבוצה VI מרכיבים היסודות כרום Cr, מוליבדן Mo וטונגסטן W. ברמה האנרגטית החיצונית של אטומי הכרום והמוליבדן נמצא אלקטרון אחד, של הטונגסן — שני אלקטרונים, מה שקובע את האופי המתכתי של יסודות אלה ואת ההבדל שלהם מיסודות תת-הקבוצה הראשית.

בהתאם למספר אלקטרוני הערכיות, הם מפגינים מספר חמצון מרבי +6, ויוצרים תחמוצות מסוג RO₃, שלהן מתאימות חומצות בנוסחה הכללית H₂RO₄. עוצמת החומצות פוחתת באופן עקבי מהכרום לוולפרם. רוב מלחי חומצות אלה קשי-מסיסות במים, ומסיסים היטב רק מלחי מתכות אלקליות ואמוניום.

יסודות הקבוצה של הכרום מפגינים גם מספרי חמצון +5, ‏+4, ‏+3, ‏+2. אולם האופייניות ביותר הן תרכובות מספר החמצון הגבוה ביותר, הדומות במידה רבה לתרכובות המקבילות של הגופרית. עם מימן, יסודות הקבוצה של הכרום אינם יוצרים תרכובות.

עם עליית המספר הסידורי בקבוצה, עולה טמפרטורת ההיתוך של המתכות. הוולפרם ניתך ב-3390°C. זוהי המתכת עמידת החום ביותר. לכן היא משמשת לייצור חוטים בנורות להט חשמליות.

מתכות הקבוצה של הכרום עמידות מאוד בתנאים רגילים כלפי אוויר ומים. בחימום הן מגיבות עם חמצן, הלוגנים, חנקן, זרחן, פחם, צורן ואחרים. ידועות סגסוגותיהן הרבות עם מתכות נוספות. הסגסוגות והמתכות עצמן הן חומרים רבי-ערך בטכנולוגיה המודרנית.

בתכונות פיזיקליות וכימיות, מוליבדן וטונגסטן דומים זה לזה ונבדלים מעט מהכרום. הפעילות הכימית של המתכות בטור כרום — מוליבדן — וטונגסן פוחתת באופן ניכר.

7.2. כרום (chromium)

הימצאות בטבע. כרום נמצא בטבע בצורת תרכובות במינרלים שונים. הנפוץ ביותר הוא המינרל כרומיט, או ברזל-כרום FeCr₂O₄. מרבצי הכרומיט הגדולים ביותר בעולם מנוצלים בדרום אפריקה (בעלת העתודות המוכחות הגדולות ביותר), קזחסטן, הודו וטורקיה; מרבצים משמעותיים נמצאים גם באוראל (רוסיה). תכולת הכרום הכוללת בקרום כדור הארץ היא 0.03%. כרום התגלה בשמש, בכוכבים ובמטאוריטים.

הכנה. מכינים כרום מתכתי בחיזור תחמוצת כרום (III) בחימום עם אלומיניום:

$C r_{2} O_{3} + 2 A l \to A l_{2} O_{3} + 2 C r$

כרום מתכתי מתקבל גם באלקטרוליזה של תמיסות מימיות של תרכובות כרום.

תכונות פיזיקליות. כרום הוא מתכת מבריקה בצבע אפור-לבן. מבין המתכות, הוא הקשה ביותר, צפיפותו 7.2 g/cm³, טמפ’ היתוך 1855°C. הכרום הטבעי מורכב מתערובת ארבעה איזוטופים במסות אטומיות 50, 52, 53 ו-54. איזוטופים רדיואקטיביים התקבלו בדרך מלאכותית.

תכונות כימיות. את סידור האלקטרונים באורביטלים 3d ו-4s של אטום הכרום ניתן להציג בתרשים:

4s [↑]   3d [↑][↑][↑][↑][↑]

מכאן עולה שהכרום יכול להפגין בתרכובות מספרי חמצון שונים — מ-+1 עד +6; מהם היציבים ביותר הם תרכובות הכרום במספרי חמצון +2, ‏+3, ‏+6. כלומר, ביצירת קשרים כימיים משתתף לא רק האלקטרון של הרמה החיצונית, אלא גם חמישה אלקטרונים בתת-רמה d של הרמה השנייה מבחוץ.

כמו באלומיניום, על פני שטח הכרום נוצר קרום תחמוצת Cr₂O₃. לכן הכרום מתחיל להימס בחומצות גופרתית ומלחית מדוללות לא מיד, אלא לאחר המסת קרום התחמוצת:

$C r + 2 H^{+} \to C r^{2 +} + H_{2} ↑$

בחומצה חנקתית ובחומצה גופרתית מרוכזת, הכרום אינו נמס, שכן קרום התחמוצת שלו מתחזק, כלומר הכרום עובר למצב פסיבי. מאותה סיבה, גם חומצות גופרתית ומלחית מדוללות המכילות חמצן מומס אינן מגיבות עם הכרום. ניתן לבטל את הפסיבציה של הכרום בניקוי פני שטח המתכת.

בטמפרטורה גבוהה, הכרום בוער בחמצן, ונוצרת תחמוצת Cr₂O₃. כרום לוהט מגיב עם אדי מים:

$2 C r + 3 H_{2} O \to C r_{2} O_{3} + 3 H_{2} ↑$

כרום מתכתי, בחימום, מגיב גם עם הלוגנים, הלוגני מימן, גופרית, חנקן, זרחן, פחם, צורן ובור. למשל:

$C r + 2 H F \to C r F_{2} + H_{2} ↑$ $2 C r + N_{2} \to 2 C r N$ $2 C r + 3 S \to C r_{2} S_{3}$ $C r + S i \to C r S i$

7.3. תחמוצות והידרוקסידים של כרום

הכרום יוצר שלוש תחמוצות: CrO, ‏Cr₂O₃ ו-CrO₃.

תחמוצת כרום (II) CrO היא אבקה שחורה פירופורית (פירופוריות היא היכולת של חומר בצורה טחונה דקה להצית את עצמו באוויר). מתקבלת בחמצון מלגם כרום על ידי חמצן האוויר. מתמוססת בחומצה מלחית מדוללת:

$C r O + 2 H^{+} \to C r^{2 +} + H_{2} O$

באוויר, בחימום מעל 100°C, תחמוצת כרום (II) הופכת לתחמוצת כרום (III).

הידרוקסיד כרום (II) Cr(OH)₂ מתקבל כמשקע צהוב, בפעולת תמיסת בסיס על כלוריד כרום (II) CrCl₂:

$C r^{2 +} + 2 O H^{-} \to C r (O H)_{2}$

Cr(OH)₂ מפגין תכונות בסיסיות. הוא מחזר. בקלייה הוא הופך ל-Cr₂O₃.

כל תרכובות הכרום (II) בלתי יציבות למדי ומתחמצנות בקלות על ידי חמצן האוויר לתרכובות כרום (III). למשל:

$2 C r (O H)_{2} + \frac{1}{2} O_{2} + H_{2} O \to 2 C r (O H)_{3}$

תחמוצת כרום (III) Cr₂O₃ היא אבקה עמידת חום בצבע ירוק. בקשיותה קרובה לקורונדום, ולכן היא נכללת בהרכב חומרי ליטוש. מתקבלת בחיבור היסודות בטמפרטורה גבוהה. במעבדה ניתן להכין תחמוצת כרום (III) בחימום דיכרומט אמוניום:

$(N H_{4})_{2} C r_{2} O_{7} \to C r_{2} O_{3} + N_{2} ↑ + 4 H_{2} O$

כמו Al₂O₃, תחמוצת כרום (III) אמפוטרית. בהיתוכה עם בסיסים נוצרות תרכובות כרום (III) — כרומיטים:

$C r_{2} O_{3} + 2 N a O H \to 2 N a C r O_{2} + H_{2} O (sodium chromite)$

תחמוצת כרום (III) אינה מגיבה עם מים, אולם מתאים לה הידרוקסיד כרום (III) Cr(OH)₃, המתקבל כמשקע ג’לטיני בצבע אפור-ירוק, בפעולת תמיסות בסיסים על תמיסות מלחי כרום (III):

$C r^{3 +} + 3 O H^{-} \to C r (O H)_{3} ↓$

הידרוקסיד כרום (III) בעל תכונות אמפוטריות — מגיב עם חומצות ובסיסים. בהמסה בחומצות נוצרים מלחי כרום (III), למשל:

$C r (O H)_{3} + 3 H^{+} \to C r^{3 +} + 3 H_{2} O$

מלחי כרום (III) דומים למלחי אלומיניום. הם עוברים בקלות הידרוליזה. בתמיסות מימיות, הקטיון Cr³⁺ נמצא רק בצורת יון ממוים [Cr(H₂O)₆]³⁺, המקנה לתמיסה צבע סגול (לפשטות, כותבים Cr³⁺).

בהמסת Cr(OH)₃ בבסיסים, נוצרים הידרוקסוכרומיטים [אנלוגיה ל-Al(OH)₃]:

$C r (O H)_{3} + N a O H + 2 H_{2} O \to N a [C r (O H)_{4} (H_{2} O)_{2}]$

או

$C r (O H)_{3} + O H^{-} + 2 H_{2} O \to [C r (O H)_{4} (H_{2} O)_{2}]^{-}$

בהיתוך Cr(OH)₃ עם בסיסים מתקבלים מטא-כרומיטים ואורתו-כרומיטים:

$C r (O H)_{3} + N a O H \to N a C r O_{2} + 2 H_{2} O$ $C r (O H)_{3} + 3 N a O H \to N a_{3} C r O_{3} + 3 H_{2} O$

בקליית הידרוקסיד כרום (III) נוצרת תחמוצת כרום (III):

$2 C r (O H)_{3} \to C r_{2} O_{3} + 3 H_{2} O$

תחמוצת כרום (VI) CrO₃ היא חומר גבישי בצבע אדום כהה. מחמצן חזק: מחמצן יוד, גופרית, זרחן, פחם, והופך בכך ל-Cr₂O₃. למשל:

$3 S + 4 C r O_{3} \to 3 S O_{2} + 2 C r_{2} O_{3}$

בחימום ל-250°C היא מתפרקת:

$4 C r O_{3} \to 2 C r_{2} O_{3} + 3 O_{2}$

מתקבלת באינטראקציה של חומצה גופרתית מרוכזת עם תמיסה רוויה של דיכרומט נתרן או אשלגן:

$K_{2} C r_{2} O_{7} + H_{2} S O_{4} \to 2 C r O_{3} ↓ + K_{2} S O_{4} + H_{2} O$

ל-CrO₃ אופי חומצי: מסיסה היטב במים, ויוצרת חומצות כרומיות. בעודף מים נוצרת חומצה כרומית H₂CrO₄:

$C r O_{3} + H_{2} O \to H_{2} C r O_{4}$

בריכוז גבוה של CrO₃ נוצרת חומצה דיכרומית H₂Cr₂O₇:

$2 C r O_{3} + H_{2} O \to H_{2} C r_{2} O_{7}$

ההופכת בדילול לחומצה כרומית:

$H_{2} C r_{2} O_{7} + H_{2} O ⇌ 2 H_{2} C r O_{4}$

החומצות הכרומיות קיימות רק בתמיסה מימית. אולם מלחיהן יציבים למדי.

אם משווים הידרוקסידים של כרום במספרי חמצון שונים — Cr(OH)₂, ‏Cr(OH)₃ ו-H₂CrO₄ (מספרי חמצון +2, ‏+3, ‏+6 בהתאמה) — ניתן להסיק בקלות שעם עליית מספר החמצון, נחלשות התכונות הבסיסיות של ההידרוקסידים ומתחזקות התכונות החומציות.

Cr(OH)₂ מפגין תכונות בסיסיות, Cr(OH)₃ — תכונות אמפוטריות, ו-H₂CrO₄ — תכונות חומציות.

7.4. כרומטים ודיכרומטים

חומצות הכרום יוצרות שני סוגי מלחים: כרומטים (chromates) — כך נקראים מלחי החומצה הכרומית, ודיכרומטים (dichromates) — כך נקראים מלחי החומצה הדיכרומית. הכרומטים צבועים בצהוב (צבע יון הכרומט CrO₄²⁻), הדיכרומטים — בכתום (צבע יון הדיכרומט Cr₂O₇²⁻).

היונים CrO₄²⁻ ו-Cr₂O₇²⁻ הופכים זה לזה בשינוי ריכוז יוני המימן, לפי המשוואות:

$2 C r O_{4}^{2 -} + 2 H^{+} ⇌ C r_{2} O_{7}^{2 -} + H_{2} O$ $C r_{2} O_{7}^{2 -} + 2 O H^{-} ⇌ 2 C r O_{4}^{2 -} + H_{2} O$

מכאן עולה שאם מחמיצים את התמיסה, שיווי המשקל יוסט לעבר יצירת יוני הדיכרומט Cr₂O₇²⁻, ולהפך, אם מוסיפים בסיס, שיווי המשקל יוסט לעבר יצירת יוני הכרומט CrO₄²⁻. כך ניתן להמיר כרומטים לדיכרומטים ולהפך.

הדיכרומטים Na₂Cr₂O₇·2H₂O ו-K₂Cr₂O₇ נקראים “כרומפיק”. הם משמשים כמחמצנים בתעשיית העור (עיבוד עורות), הצבעים, הגפרורים והטקסטיל. תערובת כרום (chromic acid mixture) — כך נקראת תמיסת דיכרומט אשלגן בחומצה גופרתית מרוכזת — משמשת במעבדות כימיות לניקוי כלי זכוכית.

מלחי החומצות הכרומיות בסביבה חומצית הם מחמצנים חזקים. למשל:

$3 S O_{2} + K_{2} C r_{2} O_{7} + H_{2} S O_{4} \to K_{2} S O_{4} + C r_{2} (S O_{4})_{3} + H_{2} O$

S + 4 - 2 e^{-} 2 C r + 6 + 6 e^{-} \to S + 6 \to 2 C r + 3 ∣ 3 ∣ 1

תרכובות כרום (III) בסביבה בסיסית ממלאות תפקיד של מחזרים. תחת פעולת מחמצנים שונים — Cl₂, ‏Br₂, ‏H₂O₂, ‏KMnO₄ ואחרים — הן עוברות לתרכובות כרום (VI) — כרומטים:

$2 N a [C r (O H)_{4} (H_{2} O)_{2}] + 3 B r_{2} + 8 N a O H \to 2 N a_{2} C r O_{4} + 6 N a B r + 12 H_{2} O$

C r + 3 - 3 e^{-} B r_{2} + 2 e^{-} \to C r + 6 \to 2 B r^{-} ∣ 2 ∣ 3

כאן תרכובת Cr (III) מתוארת בצורת Na[Cr(OH)₄(H₂O)₂], שכן בצורת יוני Na⁺ ו-[Cr(OH)₄(H₂O)₂]⁻ היא קיימת בעודף תמיסת בסיס.

מחמצנים חזקים, כגון KMnO₄, ‏(NH₄)₂S₂O₈, בסביבה חומצית ממירים תרכובות Cr (III) לדיכרומטים:

$C r_{2} (S O_{4})_{3} + 2 K M n O_{4} + 7 H_{2} O \to K_{2} C r_{2} O_{7} + 2 M n (O H)_{4} + 3 H_{2} S O_{4}$

2 C r + 3 - 6 e^{-} M n + 7 + 3 e^{-} \to 2 C r + 6 \to M n + 4 ∣ 1 ∣ 2

כלומר, התכונות המחמצנות מתחזקות באופן עקבי עם שינוי מספרי החמצון בטור Cr²⁺ → Cr³⁺ → Cr⁶⁺.

תרכובות כרום (II) הן מחזרים חזקים, מתחמצנות בקלות והופכות לתרכובות כרום (III). תרכובות כרום (VI) הן מחמצנים חזקים, מתחזרות בקלות לתרכובות כרום (III). תרכובות במספר חמצון ביניים, כלומר תרכובות כרום (III), יכולות, באינטראקציה עם מחזרים חזקים, להפגין תכונות מחמצנות, ולעבור לתרכובות כרום (II), ובאינטראקציה עם מחמצנים חזקים (למשל, ברום, KMnO₄) להפגין תכונות מחזרות, ולהפוך לתרכובות כרום (VI).

מלחי כרום (III) מגוונים מאוד בצבעם: סגול, כחול, ירוק, חום, כתום, אדום ושחור.

כל חומצות הכרום ומלחיהן, וכן תחמוצת כרום (VI), רעילים: פוגעים בעור, בדרכי הנשימה, גורמים לדלקת בעיניים, ולכן, בעבודה עמם, יש להקפיד על כל אמצעי הזהירות.

7.5. אפיון כללי של משפחת הברזל

בתת-הקבוצה המשנית של קבוצה VIII של המערכה המחזורית של יסודות ד”י מנדלייב נמצאים 9 יסודות: ברזל, קובלט, ניקל, רותניום, רודיום, פלדיום, אוסמיום, אירידיום, פלטינה. יסודות דומים בקבוצה זו יוצרים קיבוצים אופקיים — טריאדות. היסודות ברזל, קובלט וניקל יוצרים את טריאדת הברזל, או משפחת הברזל. שאר יסודות קבוצה VIII מרכיבים את משפחת מתכות הפלטינה, הכוללת את טריאדות הפלדיום והפלטינה. בתכונותיהן, משפחות אלה נבדלות זו מזו באופן מהותי.

לאטומי יסודות טריאדת הברזל, ברמה האנרגטית החיצונית, שני אלקטרונים, שאותם הם מוסרים בתגובות כימיות. אולם ביצירת קשרים כימיים משתתפים גם אלקטרוני אורביטלי 3d של הרמה השנייה מבחוץ. בתרכובותיהם היציבות מפגינים יסודות אלה מספר חמצון +2, ‏+3. הם יוצרים תחמוצות בהרכב RO ו-R₂O₃. להם מתאימים הידרוקסידים בהרכב R(OH)₂ ו-R(OH)₃.

ליסודות טריאדת (משפחת) הברזל אופיינית התכונה לצרף מולקולות ניטרליות, למשל פחמן חד-חמצני. קרבונילים Ni(CO)₄, ‏Co₂(CO)₈ ו-Fe(CO)₅ משמשים להפקת מתכות טהורות במיוחד.

קובלט וניקל פחות רֵאקטיביים מהברזל. בטמפרטורה רגילה הם עמידים לקורוזיה באוויר, במים ובתמיסות שונות. חומצות מלחית וגופרתית מדוללות ממיסות בקלות ברזל וקובלט, ואילו ניקל — רק בחימום. חומצה חנקתית מרוכזת מפסבת את שלוש המתכות.

מתכות משפחת הברזל, בחימום, מגיבות עם חמצן, אדי מים, הלוגנים, גופרית, זרחן, צורן, פחם ובור. היציבות ביותר הן תרכובות ברזל (II ו-III), קובלט (II) וניקל (II).

ברזל, קובלט וניקל ממוקמים בשורת הפוטנציאלים האלקטרודיים הסטנדרטיים לפני המימן, מתכות הפלטינה — אחריו. לכן הראשונים נפוצים בטבע בצורת תרכובות (תחמוצות, סולפידים, סולפטים, קרבונטים), ובמצב חופשי נמצאים לעיתים רחוקות — בצורת מטאוריטי ברזל. במידת הנפוצות בטבע, אחרי הברזל נמצא הניקל, ואחריו הקובלט.

תרכובות יסודות משפחת הברזל במספר חמצון +2 דומות זו לזו. במצב מספרי חמצון גבוהים, הן מפגינות תכונות מחמצנות.

ברזל, קובלט, ניקל וסגסוגותיהם הם חומרים רבי-ערך בטכנולוגיה המודרנית. אך החשיבות הרבה ביותר לברזל.

7.6. ברזל (iron)

עפרות הברזל החשובות ביותר. ברזל, אחרי אלומיניום, הוא המתכת הנפוצה ביותר בטבע. תכולתו הכוללת בקרום כדור הארץ היא 5.1%. הברזל נכלל בהרכב מינרלים רבים. עפרות הברזל החשובות ביותר הן: 1) מגנטיט (ברזל מגנטי) Fe₃O₄; 2) המטיט (ברזל אדום) Fe₂O₃; 3) לימוניט (ברזל חום) Fe₂O₃·H₂O. מרבצי עפרות ברזל גדולים מנוצלים במדינות רבות בעולם; העמדה המובילה בהיקף הכרייה שייכת לאוסטרליה ולברזיל, ומרבצים משמעותיים נמצאים גם בסין, הודו, רוסיה (אוראל, אנומליה מגנטית של קורסק, חצי-האי קולה, סיביר) ובאוקראינה (קריבוי ריה).

בטבע נמצא בכמויות גדולות גם פיריט (חלמיש ברזל) FeS₂. הוא משמש חומר גלם התחלתי להפקת חומצה גופרתית.

תכונות פיזיקליות. ברזל הוא מתכת מבריקה בצבע לבן-כסוף, צפיפותו 7.87 g/cm³, טמפ’ היתוך 1539°C. בעל גמישות טובה. הברזל מתמגנט ומתפרק בקלות ממגנטיות, ולכן משמש כליבות מנועי דינמו ומנועים חשמליים.

הברזל מורכב מארבעה איזוטופים יציבים במסות אטומיות 54, 56 (העיקרי), 57 ו-58. נמצאים בשימוש האיזוטופים הרדיואקטיביים ⁵⁵Fe ו-⁵⁹Fe.

תכונות כימיות. את סידור האלקטרונים ברמות האנרגטיות באטומי הברזל ניתן להציג בתרשים: 2, 8, (8+6), 2. ברמה האחרונה — 2 אלקטרונים, בזו שלפני האחרונה — 14, מהם 6 עודפי-אוקטט.

הברזל, במסירת שני אלקטרוני הרמה החיצונית, מפגין מספר חמצון +2; במסירת שלושה אלקטרונים (שני אלקטרוני הרמה החיצונית ואלקטרון עודף-אוקטט אחד מהרמה שלפני האחרונה), מפגין מספר חמצון +3:

$F e - 2 e^{-} \to F e^{2 +}; F e - 3 e^{-} \to F e^{3 +}$

מספרי חמצון נוספים אינם אופייניים לברזל.

בחומצות מלחית וגופרתית מדוללות, הברזל נמס, כלומר מתחמצן על ידי יוני המימן:

$F e + 2 H^{+} \to F e^{2 +} + H_{2} ↑$

הברזל נמס גם בחומצה חנקתית מדוללת, ונוצרים מלח ברזל (III), מים ותוצר חיזור החומצה החנקתית — NH₃, ‏N₂O או NO.

בטמפרטורה גבוהה (700–900°C), הברזל מגיב עם אדי מים:

$3 F e + 4 H_{2} O \to F e_{3} O_{4} + 4 H_{2}$

חוט ברזל להוט בוער בבהירות בחמצן, ונוצרת קליפה — תחמוצת ברזל (II, III):

$3 F e + 2 O_{2} \to F e_{3} O_{4}$

בחימום קל, הברזל מגיב עם כלור וגופרית, ובטמפרטורה גבוהה — עם פחם, צורן וזרחן. קרביד הברזל Fe₃C נקרא צמנטיט. זהו חומר מוצק בצבע אפור, שביר מאוד ועמיד חום.

עם מתכות ואל-מתכות יוצר הברזל סגסוגות (ראו 5.4), בעלות חשיבות רבה מאוד במשק.

7.7. תרכובות ברזל

לברזל אופייניים בעיקר שני סוגי תרכובות: תרכובות ברזל (II) וברזל (III). ידוע גם מספר קטן של תרכובות ברזל (VI) — פרטים, למשל פרט אשלגן K₂FeO₄, פרט בריום BaFeO₄.

תחמוצת ברזל (II) FeO היא אבקה שחורה, המתחמצנת בקלות. מתקבלת בחיזור תחמוצת ברזל (III) על ידי פחמן חד-חמצני ב-500°C:

$F e_{2} O_{3} + C O \to 2 F e O + C O_{2}$

FeO מפגינה תכונות של תחמוצת בסיסית: מסיסה בקלות בחומצות, ונוצרים מלחי ברזל (II).

תחמוצת ברזל (III) Fe₂O₃ היא תרכובת החמצן הטבעית היציבה ביותר של הברזל. בהמסה בחומצות, נוצרים מלחי ברזל (III).

תחמוצת ברזל (II, III) Fe₃O₄ נמצאת בטבע בצורת המינרל מגנטיט. היא מוליכת זרם טובה, ולכן משמשת לייצור אלקטרודות.

לתחמוצות מתאימים הידרוקסידי ברזל.

הידרוקסיד ברזל (II) Fe(OH)₂ נוצר בפעולת בסיסים על מלחי ברזל (II) ללא גישת אוויר:

$F e^{2 +} + 2 O H^{-} \to F e (O H)_{2} ↓$

שוקע משקע בצבע לבן. בנוכחות אוויר, הצבע הופך ירקרק, ולאחר מכן חום. קטיוני ברזל (II) Fe²⁺ מתחמצנים בקלות רבה על ידי חמצן האוויר או מחמצנים אחרים לקטיוני ברזל (III) Fe³⁺. לכן, בתמיסות תרכובות ברזל (II) תמיד נמצאים גם קטיוני ברזל (III). מאותה סיבה, הידרוקסיד ברזל (II) הלבן Fe(OH)₂ הופך באוויר תחילה לירקרק, ולאחר מכן לחום, ועובר להידרוקסיד ברזל (III) Fe(OH)₃:

$4 F e (O H)_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O \to 4 F e (O H)_{3}$

Fe(OH)₂ מפגין תכונות בסיסיות, מסיס היטב בחומצות מינרליות, ונוצרים מלחים.

הידרוקסיד ברזל (III) Fe(OH)₃ נוצר כמשקע אדום-חום בפעולת בסיסים על מלחי ברזל (III):

$F e^{3 +} + 3 O H^{-} \to F e (O H)_{3} ↓$

Fe(OH)₃ הוא בסיס חלש יותר מהידרוקסיד ברזל (II). זאת מוסבר בכך של-Fe³⁺ מטען יון גדול יותר ורדיוס קטן יותר מ-Fe²⁺, ולכן Fe³⁺ מחזיק בחוזקה רבה יותר ביוני ההידרוקסיד, כלומר Fe(OH)₃ עובר דיסוציאציה בקושי רב יותר. לכן, מלחי ברזל (II) עוברים הידרוליזה במידה מועטה, ואילו מלחי ברזל (III) — במידה רבה בהרבה:

$F e^{2 +} + H_{2} O ⇌ F e (O H)^{+} + H^{+}$ $F e^{3 +} + H_{2} O ⇌ F e (O H)^{2 +} + H^{+}$

הידרוקסיד ברזל (III) בעל אמפוטריות מובעת בחולשה; הוא מסיס בחומצות מדוללות ובתמיסות בסיסים מרוכזות:

$F e (O H)_{3} + 3 H^{+} \to F e^{3 +} + 3 H_{2} O$ $F e (O H)_{3} + 3 O H^{-} \to [F e (O H)_{6}]^{3 -}$

מבין מלחי הברזל, השימוש הרב ביותר מצאו: 1) הידראט שבע-מימי של סולפט ברזל (II) (ויטריול ברזל) FeSO₄·7H₂O — למאבק במזיקי צמחים, הכנת צבעים מינרליים וכו’; 2) כלוריד ברזל (III) FeCl₃ — כקוגולנט בטיהור מים, וכן כחומר עיבוד בצביעת בדים; 3) הידראט תשע-מימי של סולפט ברזל (III) Fe₂(SO₄)₃·9H₂O — כקוגולנט, וכן לתקיפת מתכות; 4) הידראט תשע-מימי של ניטרט ברזל (III) Fe(NO₃)₃·9H₂O — כחומר עיבוד בצביעת בדי כותנה ולכיבוד משי.

תגובות איכותיות לקטיון ברזל (II) ולקטיון ברזל (III).

קטיון ברזל (III) מזוהה בקלות בעזרת תמיסה חסרת צבע של תיוציאנט אמוניום NH₄NCS או תיוציאנט אשלגן KNCS, ליתר דיוק, יון התיוציאנט NCS⁻. בפעולת NCS⁻ על תמיסת מלח ברזל (III), נוצרת תרכובת בצבע אדום-דמי — תיוציאנט ברזל (III) Fe(NCS)₃:

$F e^{3 +} + 3 N C S^{-} \to F e (N C S)_{3}$

יון התיוציאנט NCS⁻ משמש ריאגנט לקטיון ברזל (III) Fe³⁺.

לזיהוי קטיון ברזל (III) Fe³⁺, נוח להשתמש בתרכובת מורכבת (קומפלקסית) של ברזל — הקסאציאנופרט (II) אשלגן, הידועה בשם “מלח דם צהוב”, K₄[Fe(CN)₆]. בתמיסה, מלח זה עובר דיסוציאציה ליונים:

$K_{4} [F e (C N)_{6}] ⇌ 4 K^{+} + [F e (C N)_{6}]^{4 -}$

באינטראקציה של יוני הקסאציאנופרט (II) [Fe(CN)₆]⁴⁻ עם קטיוני ברזל (III) Fe³⁺, נוצר משקע כחול כהה — הקסאציאנופרט (II) ברזל (III), הידוע בשם “כחול ברלין”:

$3 [F e (C N)_{6}]^{4 -} + 4 F e^{3 +} \to F e_{4} [F e (C N)_{6}]_{3} ↓$

תרכובת מורכבת נוספת של ברזל — הקסאציאנופרט (III) אשלגן (“מלח דם אדום”) — עוברת בתמיסה דיסוציאציה:

$K_{3} [F e (C N)_{6}] ⇌ 3 K^{+} + [F e (C N)_{6}]^{3 -}$

ובאינטראקציה של יוני הקסאציאנופרט (III) [Fe(CN)₆]³⁻ עם קטיוני ברזל (II) Fe²⁺, נוצר אף הוא משקע כחול כהה, הקסאציאנופרט (III) ברזל (II), הידוע בשם “כחול טרנבול”:

$2 [F e (C N)_{6}]^{3 -} + 3 F e^{2 +} \to F e_{3} [F e (C N)_{6}]_{2} ↓$

אם כן, התרכובות K₄[Fe(CN)₆] ו-K₃[Fe(CN)₆] הן ריאגנטים חשובים בהתאמה לקטיון ברזל (III) Fe³⁺ ולקטיון ברזל (II) Fe²⁺.

(מחקר גבישי-כימי מודרני מלמד שהתרכובות “כחול ברלין” ו”כחול טרנבול” הן למעשה אותה תרכובת ממש, ללא תלות בסדר ערבוב הריאגנטים; מבחינה היסטורית תוארו כשני חומרים שונים, עוד לפני שנקבע הדבר.)

7.8. תהליך התנור הרם

הפקת ברזל מעפרות מבוססת על חיזור תחמוצותיו על ידי פחמן חד-חמצני ופחם (קוקס). בכך אין מתקבל ברזל טהור, אלא סגסוגתו עם פחמן ותערובות נוספות (צורן, מנגן, גופרית, זרחן). סגסוגת זו נקראת ברזל יצוק, או ברזל יצוק גולמי (ראו 7.9).

התכת ברזל היצוק מתבצעת בתנור רם. זהו מבנה מורכב בנפח של עד כמה אלפי m³ ובגובה של עד 80 m, בעל ריפוד פנימי מלבנים עמידות אש ומעטפת חיצונית מפלדה (לחוזק). המחצית העליונה של הכבשן נקראת הפיר, הפתח העליון — הכתר, החלק הרחב ביותר — הבטן, החלק התחתון — הכור. חומרי המוצא: תערובת הטעינה — עפרה המכילה תחמוצת ברזל, וכן קוקס, תוספי היתוך (פלוקסים).

הקוקס משמש מקור חום, וכן להפקת המחזר — פחמן חד-חמצני. תוספי ההיתוך הופכים את הסלע הריק לתרכובות נמסות בקלות — סיגים.

התנור נטען דרך הכתר בחומרי המוצא (בשכבות מתחלפות). הבעירה והטמפרטורה הדרושה נשמרות בהזרמת אוויר חם דרך פתחים מיוחדים בכור. תפוקת התנור עולה בכשליש בהזרמת אוויר מועשר בחמצן, כלומר בשימוש בנשיפת חמצן.

בחלק העליון של הכור, שבו הטמפרטורה מגיעה ל-1850°C, מתרחשת שריפה עוצמתית של הקוקס בזרם האוויר המוזרם, המחומם ל-600–800°C:

$C + O_{2} \to C O_{2}$

פחמן דו-חמצני, בעברו דרך הקוקס הלוהט, הופך לפחמן חד-חמצני:

$C O_{2} + C \to 2 C O$

פחמן חד-חמצני מחזר בהדרגה את העפרה. בטמפרטורה של 450–500°C, מתחמוצת ברזל (III) Fe₂O₃ נוצרת תחמוצת ברזל (II, III) Fe₃O₄:

$3 F e_{2} O_{3} + C O \to 2 F e_{3} O_{4} + C O_{2}$

ב-600°C, Fe₃O₄ מתחזרת לתחמוצת ברזל (II):

$F e_{3} O_{4} + C O \to 3 F e O + C O_{2}$

ובטמפרטורה של כ-700°C, תחמוצת ברזל (II) מתחזרת למתכת חופשית:

$F e O + C O \to F e + C O_{2}$

לצד פחמן חד-חמצני, בטמפרטורות גבוהות משתמשים בפחם (קוקס) לחיזור תחמוצות הברזל:

$F e O + C \to F e + C O$

חיזור הברזל מהעפרה מסתיים בכ-1100°C. בטמפרטורה זו מתחזרים חלקית גם צורן, מנגן וזרחן מתרכובותיהם, הכלולות בעפרה כתערובות. תהליכים אלה ניתן לבטא במשוואות:

$S i O_{2} + 2 C \to S i + 2 C O$ $M n O + C \to M n + C O$ $C a_{3} (P O_{4})_{2} + 5 C \to 2 P + 3 C a O + 5 C O$

הגופרית, הכלולה בחומרי המוצא כתרכובות (CaSO₄, ‏FeS₂ ואחרים), הופכת בחלקה לסולפיד ברזל FeS, המסיס היטב בברזל היצוק.

הברזל המחוזר יורד בהדרגה כלפי מטה, ובמגעו עם הקוקס הלוהט ופחמן חד-חמצני, יוצר קרביד ברזל (צמנטיט):

$3 F e + C \to F e_{3} C$ $3 F e + 2 C O \to F e_{3} C + C O_{2}$

בכך פוחתת טמפרטורת ההיתוך של הברזל המפחמן ל-1200°C. הברזל המותך ממיס בתוכו פחמן, צמנטיט, צורן, מנגן, זרחן, גופרית, ויוצר ברזל יצוק נוזלי.

הסלע הריק שבעפרה מורכב בעיקר מסיליקה ותחמוצות נוספות. להוצאתו, כוללים בחומרי המוצא תוספי היתוך — לרוב אבן גיר CaCO₃. בטמפרטורה גבוהה, אבן הגיר מתפרקת:

$C a C O_{3} \to C a O + C O_{2}$

תחמוצת הסידן מגיבה עם חומרי הסלע הריק, ונוצרים סיגים — בעיקר סיליקטים ואלומוסיליקטים של סידן.

הברזל היצוק והסיגים הנוזליים זורמים לכור, כאשר הסיגים, הקלים יותר, מצטברים מעל הברזל היצוק ומגנים עליו מפני חמצן. הברזל היצוק והסיגים משתחררים דרך פתחים הממוקמים בגבהים שונים.

הגז היוצא מהתנור הרם נקרא גז הכתר, או גז הכבשן. הוא מכיל עד 30% פחמן חד-חמצני, חנקן, פחמן דו-חמצני, ומשמש לחימום מבנים מיוחדים — מחממי אוויר לכבשן (קאופרים), שבהם מחומם עד 600–800°C האוויר המוזרם לכבשן.

7.9. ברזל יצוק ופלדות

הברזל היצוק המותך בתנור הרם מכיל ברזל בכ-93%, פחמן עד 4.5%, צורן 0.5–2%, מנגן 1–3%, זרחן 0.02–2.5% וגופרית 0.005–0.08%. הברזל היצוק שביר, אינו ניתן לחישול ולריקוע. מבחינים בשני סוגי ברזל יצוק: אפור ולבן.

ברזל יצוק אפור מכיל את הפחמן בצורת גרפיט, ובחתך יש לו צבע אפור. בטכנולוגיה הוא משמש ליציקה (יציקת חלקי מכונות כבדים, גלגלי תנופה, לוחות וכו’).

ברזל יצוק לבן מכיל את הפחמן בעיקר בצורת צמנטיט Fe₃C, והוא בהיר יותר מהאפור. כל הברזל היצוק הלבן עובר לעיבוד נוסף לפלדה.

בפלדה קשה, תכולת הפחמן היא 0.3 עד 1.7%. בפלדה רכה (בעבר כונתה “ברזל חשיל”), תכולת הפחמן היא עד 0.3%. הפלדה, בשונה מהברזל היצוק, ניתנת לחישול וריקוע בקלות. בקירור מהיר היא מתקבלת קשה מאוד, בקירור איטי — רכה. פלדה רכה קלה לעיבוד. ממנה מייצרים מסמרים, ברגים, תיילים, פחי גג, חלקי מכונות. מפלדה קשה מייצרים כלי עבודה.

חשיבות רבה בטכנולוגיה המודרנית לפלדות מסוגסגות (מלוגחות). הן מכילות את מה שמכונה יסודות מסגסוג, ביניהם כרום, ניקל, מוליבדן, ונדיום, וולפרם, מנגן, נחושת, צורן ואחרים. יסודות המסגסוג מוספים כדי להעניק לפלדה תכונות מסוימות. כך, פלדות כרום-ניקל, המכילות מלבד התערובות הבלתי-נמנעות גם כרום וניקל, בעלות תכונות מכניות ואנטי-קורוזיביות גבוהות, וכן עמידות בחום. מהן מייצרים חלקי מכונות רבים וכלי בית (כפות ומזלגות אל-חלד ועוד). פלדות כרום-מוליבדן וכרום-ונדיום קשות ועמידות בטמפרטורות ולחצים מוגברים. הן משמשות לייצור צנרת, חלקי מנועי תעופה ומדחסים. מפלדות כרום-וולפרם מייצרים כלי חיתוך. פלדות מנגניות עמידות מאוד לחיכוך ולמכה.

משימת עיבוד הברזל היצוק לפלדה מסתכמת בהוצאת עודף הפחמן ותערובות נוספות ממנו. הדבר מושג באמצעות חמצונם. בטמפרטורה גבוהה, החמצן מתחבר בקלות עם הפחמן ותערובות נוספות, ונוצרות תחמוצות. פחמן חד-חמצני מוסר בצורת גז, ושאר התחמוצות, באינטראקציה עם תוספי ההיתוך, יוצרות סיגים הצפים על פני שטח הפלדה.

בלתי-רצויה במיוחד בפלדות תכולה מוגברת של זרחן וגופרית: הזרחן הופך את הפלדה שברירית, והגופרית גורמת ליצירת סדקים בעיבוד מכני של הפלדה הלוהטת. תערובות אלה מוסרות בהוספת סיד לברזל היצוק המותך. תחמוצת זרחן (V) P₂O₅ יוצרת עם הסיד סיגי תומאס בהרכב Ca₃(PO₄)₂·CaO:

$P_{2} O_{5} + 4 C a O \to C a_{3} (P O_{4})_{2} \cdot C a O$

את תהליך הוצאת הגופרית ניתן לבטא במשוואה:

$F e S + C a O \to C a S + F e O$

סיגי התומאס משמשים כדשן זרחני.

בהיסטוריה, השיטות העיקריות להמרת ברזל יצוק לפלדה היו שיטת מרטין, שיטת בסמר, שיטת תומאס, ובמטלורגיה המודרנית — השיטה האלקטרותרמית ושיטת הממיר החמצני.

שיטת מרטין (Martin process), הקרויה על שם המהנדס הצרפתי פייר מרטין (Pierre Martin), שפיתח אותה בשנות ה-60 של המאה ה-19, מבוססת על ביצוע התהליך בכבשנים מיוחדים, הנקראים כבשני מרטין רגנרטיביים. אל אמבט ההתכה של הכבשן טוענים ברזל יצוק, וכן גרוטאות ברזל, עפרה נקייה (המכילות חמצן) וסיד (תוסף היתוך). הכבשן מחומם בגז, הנשרף מעל האמבט הטעון. הטמפרטורה בכבשן מגיעה ל-1800°C. תערובת הטעינה נמסה, ומתרחש חמצון הפחמן והתערובות שבברזל היצוק על ידי חמצן האוויר, המגיע לכבשן יחד עם גזי הבעירה, וכן על ידי חמצן גרוטאות הברזל והעפרה. נשיפת חמצן מגבירה מאוד את תהליך מרטין: תפוקת הכבשנים עולה, צריכת הדלק פוחתת, תפוקת הפלדה גדלה, איכותה משתפרת.

בכבשן מרטין קל להכין פלדות מסוגסגות. לשם כך יש להוסיף לפני סיום ההתכה את המתכות או הסגסוגות הדרושות.

אולם פלדות מסוגסגות מותכות בדרך כלל בכבשנים חשמליים מיוחדים בטמפרטורה מעל 3000°C. זוהי השיטה האלקטרותרמית, המיושמת להפקת פלדות המכילות מתכות עמידות חום — מוליבדן, וולפרם ואחרות.

זמן רב הופקה במרבית העולם ברוב הפלדה בשיטת מרטין; כיום היא נדחקת בהיקף ניכר על ידי השיטה המודרנית יותר של הממיר החמצני. לצד שיטת מרטין, מיושמות היסטורית גם שיטת בסמר ושיטת תומאס.

שיטת בסמר (Bessemer process), הקרויה על שם הממציא הבריטי הנרי בסמר (Henry Bessemer), שרשם עליה פטנט ב-1856, מבוססת על כך שהברזל היצוק המותך מוזרם לממיר מיוחד (בדרך כלל כלי פלדה דמוי אגס, מרופד מבפנים בחומר עמיד אש — ריפוד). הכלי יכול להסתובב. דרך הממיר עובר זרם אוויר. בכך מתרחשת שריפה (חמצון) של התערובות. תחמוצות המנגן והברזל הנוצרות מגיבות עם ריפוד הממיר. אולם בשיטה זו לעיבוד הברזל היצוק, תכולת הגופרית והזרחן בו כמעט אינה פוחתת, מה שמהווה חיסרון בשיטה.

שיטת תומאס (Thomas process), הקרויה על שם המטלורג הבריטי סידני גילכריסט תומאס (Sidney Gilchrist Thomas), משמשת לעיבוד ברזל יצוק המותך מעפרות ברזל עשירות בזרחן. ההבדל העיקרי בין שיטה זו לבסמר הוא בכך שריפוד הממיר מיוצר ממסת דולומיט, ואל הממיר מוסיפים סיד לקשירת תחמוצת זרחן (V), הנוצרת כתוצאה משריפת הזרחן. הסיגים המתקבלים נקראים סיגי תומאס, ומכילים כ-20% P₂O₅.

הכימיה של כל שיטות הכנת הפלדה זהה. ברזל טהור, כחומר פשוט, ניתן להכין בחיזור תחמוצת ברזל במימן בחימום, וכן באלקטרוליזה של תמיסות מלחיו.

7.10. פתרון תרגילים אופייניים

מתכות וסגסוגות

תרגיל 1. בחיזור בפחם של התרכובת Fe(CrO₂)₂ (ברזל-כרום), מתקבלת סגסוגת פרוכרום, המשמשת במטלורגיה. קבע את חלק המסה של הכרום בסגסוגת זו, בהנחה שאין בה מרכיבים נוספים מלבד ברזל וכרום.

פתרון. בוחרים לחישוב דגימת ברזל-כרום בכמות חומר 1 mol, כלומר n(Fe(CrO₂)₂) = 1 mol. מנוסחת התרכובת עולה:

$n (F e) = n (F e (C r O_{2})_{2}) = 1 mol;$ $n (C r) = 2 \cdot n (F e (C r O_{2})_{2}) = 2 mol,$

כאשר n(Fe) ו-n(Cr) הן כמויות החומר של הברזל והכרום הכלולות בדגימה הנבחרת של התרכובת.

קובעים את מסות הברזל והכרום שיתקבלו מ-1 mol Fe(CrO₂)₂:

$m (F e) = n (F e) \cdot M (F e) = 1 \cdot 56 g = 56 g;$ $m (C r) = n (C r) \cdot M (C r) = 2 \cdot 52 g = 104 g .$

מסת הסגסוגת פרוכרום המתקבלת מורכבת ממסות שתי המתכות:

$m (alloy) = m (F e) + m (C r) = (56 + 104) g = 160 g .$

מחשבים את חלק המסה של הכרום בפרוכרום המתקבל:

$w (C r) = \frac{m ( C r )}{m ( alloy )} = \frac{104}{160} = 0.65 \equiv 65%.$

תרגיל 2. המסה המולרית של יודיד מתכת MeI₃ גדולה פי 4 מהמסה המולרית של תחמוצת אותה מתכת Me₂O₃. קבע מהי מתכת זו.

פתרון. המסה המולרית של יודיד המתכת היא:

$M (M e I_{3}) = M (M e) + 3 M (I) = (x + 3 \cdot 127) g/mol = (x + 381) g/mol,$

כאשר x היא המסה המולרית של המתכת.

מציגים באותה צורה את המסה המולרית של תחמוצת המתכת:

$M (M e_{2} O_{3}) = 2 M (M e) + 3 M (O) = (2 x + 3 \cdot 16) g/mol = (2 x + 48) g/mol .$

מתנאי הבעיה עולה:

$\frac{M ( M e I _{3} )}{M ( M e _{2} O _{3} )} = 4; \frac{x + 381}{2 x + 48} = 4.$

בפתרון המשוואה המתקבלת, מתקבל x = 27, כלומר M(Me) = 27 g/mol. מתכת זו היא אלומיניום.

תרגיל 3. סגסוגת דורלומין מכילה אלומיניום, מגנזיום ונחושת. לניתוח נלקח פיסת סגסוגת במסה 6.8 g. פיסה זו הוכנסה לחומצה מלחית, והתקבלו מימן בנפח 8.176 L (תנאים נורמלים) ומשקע בלתי מסיס במסה 0.2 g. חשב את חלקי המסה של המתכות בסגסוגת.

פתרון. משלושת רכיבי הסגסוגת, רק אלומיניום ומגנזיום מגיבים עם חומצה מלחית:

$2 A l + 6 H C l \to 2 A l C l_{3} + 3 H_{2} (a)$ $M g + 2 H C l \to M g C l_{2} + H_{2} (b)$

המשקע הבלתי מסיס הוא נחושת, ולכן m(Cu) = 0.2 g.

מחשבים את מסת האלומיניום והמגנזיום בסגסוגת:

$m (A l + M g) = m (alloy) - m (C u) = (6.8 - 0.2) g = 6.6 g .$

קובעים את כמות החומר של המימן שהתקבל בהמסת הסגסוגת:

$n (H_{2}) = \frac{V ( H _{2} )}{V _{m}} = \frac{8.176}{22.4} mol = 0.365 mol .$

מציגים סימונים: x — מסת האלומיניום בסגסוגת, כלומר m(Al) = x g; y — כמות החומר של המימן שהתקבל בתגובה (a), כלומר $n_{a} (H_{2}) = y m o l$ . אז מסת המגנזיום תהיה שווה:

$m (M g) = m (A l + M g) - m (A l) = (6.6 - x) g .$

כמות החומר של המימן שהתקבל בתגובה (b) תהיה שווה:

$n_{b} (H_{2}) = n (H_{2}) - n_{a} (H_{2}) = (0.365 - y) mol .$

מחשבים את כמות החומר של המגנזיום והאלומיניום:

$n (A l) = \frac{m ( A l )}{M ( A l )} = \frac{x}{27} mol; n (M g) = \frac{m ( M g )}{M ( M g )} = \frac{6.6 - x}{24} mol .$

ממשוואת התגובה (a) עולה:

$n (A l) = 2 \cdot n_{a} (H_{2}); \frac{x}{27} = 2 y (c)$

ממשוואה (b) עולה:

$n (M g) = n_{b} (H_{2}); \frac{6.6 - x}{24} = 0.365 - y (d)$

בפתרון מערכת המשוואות (c) ו-(d), מתקבל x = 6.48, כלומר m(Al) = 6.48 g. אזי:

$m (M g) = m (A l + M g) - m (A l) = (6.6 - 6.48) g = 0.12 g .$

מחשבים את חלקי המסה של המתכות בסגסוגת:

$w (A l) = \frac{m ( A l )}{m ( alloy )} = \frac{6.48}{6.8} \approx 0.953 \equiv 95.3%;$

$w (M g) = \frac{m ( M g )}{m ( alloy )} = \frac{0.12}{6.8} \approx 0.018 \equiv 1.8%;$

$w (C u) = \frac{m ( C u )}{m ( alloy )} = \frac{0.2}{6.8} \approx 0.029 \equiv 2.9%.$

השורה האלקטרוכימית של הפוטנציאלים הסטנדרטיים

תרגיל 1. אילו חומרים, ובאיזה סדר, משתחררים על הקתודה באלקטרוליזה של תמיסה מימית של תערובת המלחים: KNO₃, ‏Zn(NO₃)₂ ו-AgNO₃?

פתרון. בקלות הרבה ביותר מתחזרים על הקתודה יוני המתכת בעלת הפוטנציאל האלקטרודי החיובי ביותר. לפי טבלה 5.1, קובעים: E°K⁺/K = −2.92 V; E°Zn²⁺/Zn = −0.76 V; E°Ag⁺/Ag = +0.80 V. לכן, ראשית יתחזרו על הקתודה יוני הכסף, ויתקבל כסף מתכתי:

$A g^{+} + e^{-} \to A g$

אחריהם יתחזרו יוני האבץ, ויתקבל אבץ מתכתי:

$Z n^{2 +} + 2 e^{-} \to Z n$

יוני האשלגן משתייכים לקטיונים שאת חיזורם אי-אפשר לבצע בתמיסה מימית. לכן, לאחר חיזור יוני הכסף והאבץ, יתחזרו על הקתודה מולקולות המים, ויתקבלו יוני הידרוקסיד ומימן מולקולרי:

$2 H_{2} O + 2 e^{-} \to 2 O H^{-} + H_{2}$

תרגיל 2. האם יגיב ברזל עם תמיסות מימיות: 1M ניטרט עופרת (II), 1M חומצה גופרתית, 1M כלוריד אשלגן (ראו כימיה כללית 5.1)?

פתרון. הפוטנציאל האלקטרודי הסטנדרטי של אלקטרודת הברזל E°Fe²⁺/Fe = −0.44 V (ראו טבלה 5.1), גדול מהפוטנציאל האלקטרודי הסטנדרטי של אלקטרודת האשלגן (E°K⁺/K = −2.92 V), וקטן מהפוטנציאלים האלקטרודיים של אלקטרודות העופרת (E°Pb²⁺/Pb = −0.13 V) והמימן (E°2H⁺/H₂ = 0 V). לכן, ברזל לא יגיב עם תמיסת כלוריד האשלגן, אך יגיב עם תמיסות ניטרט עופרת (II) וחומצה גופרתית:

$F e + P b (N O_{3})_{2} \to F e (N O_{3})_{2} + P b$ $F e + H_{2} S O_{4} \to F e S O_{4} + H_{2}$

תרגיל 3. לוחית אבץ במסה 12 g הוכנסה לתמיסת אצטט עופרת (II). לאחר זמן מה גדלה מסת הלוחית ב-3.55 g. חשב את מסת העופרת שהשתחררה ואת מסת האבץ שהתמוסס.

פתרון. הפוטנציאלים האלקטרודיים הסטנדרטיים של אלקטרודות האבץ והעופרת שווים E°(Zn²⁺|Zn) = −0.76 V; E°(Pb²⁺|Pb) = −0.13 V. לכן, בתמיסה מתרחשת הדחת העופרת על ידי האבץ:

$Z n + P b (C H_{3} C O O)_{2} \to Z n (C H_{3} C O O)_{2} + P b$

מסמנים את שינוי מסת הלוחית בסימן Δm, כלומר Δm = 3.55 g. השינוי במסה נובע מכך שהאבץ התמוסס חלקית, והעופרת (המתכת הכבדה יותר) שקעה עליה, כלומר:

$Δ m = m (P b) - m (Z n); m (P b) - m (Z n) = 3.55 g (a)$

כאשר m(Pb) היא מסת העופרת שנוצרה, ו-m(Zn) היא מסת האבץ שהתמוסס.

מבטאים את כמויות החומר של האבץ והעופרת, שהשתתפו בתגובה, באמצעות מסותיהם:

$n (Z n) = \frac{m ( Z n )}{65}; n (P b) = \frac{m ( P b )}{207}$

ממשוואת התגובה עולה ש-n(Zn) = n(Pb). לכן:

$\frac{m ( Z n )}{65} = \frac{m ( P b )}{207} (b)$

בפתרון מערכת המשוואות (a) ו-(b), מוצאים:

$m (Z n) = 1.525 g; m (P b) = 5.175 g .$

alugovskoy.net

Explorer