ODABRANA POGLJAVLJA IZ HEMIJE za studente IV semestra rudarskog odseka ;Profesor dr Aleksandra Kostic-Pulek

Transcript

1 ODABRANA POGLJAVLJA IZ HEMIJE za studente IV semestra rudarskog odseka ;Profesor dr Aleksandra Kostic-Pulek Predavanje br.i:elementi U PRIRODI ( ) Sadržaj predavanja: I)Rasprostranjenost elemenata po omotačima zemlje ( atmofilni,hidrofilni, litofilni,halkofilni i siderofilni) II)Rasprostranjenost elemenata po količinama (retki, rasprostranjeni,rasejani) III)Oblici nalaženja elemenata u prirodi (elementarni,vezani) IV)Podela elemenata po osobinama (metali,nemetali,metaloidi ) i oblici njihovog nalaženja u prirodi UVOD Poznato je da je zemlja planeta približno sfernog oblika i da je sastavljena od tri koncetntrična omotača (sloja) različitog hemijskog sastava i fizičkih osobina.omotači od kojih je zemlja sastavljena su: 1.Zemljino jezgro (poluprečnika oko 500 km) koje čini centralni deo zemlje.ono je pretežno sastavljeno od metala ( nikla i gvoždja) i manjih količina kobalta i u njemu su temperature izmedju C a pritisak oko,.10 6 bara.gustina zemljinog jezgra kreće se 8-1 g/cm..zemljin omotač (debljine 900 km) po kome pluta zemljina kora (litosfera) koji je pretežno sastavljen od silicijuma i magnezijuma.temperatura u ovom sloju kreće se izmedju C, pritisak od 1,0-1, bara a gustina se kreće izmedju 4-6 g/cm..zemljina kora( litosfera),spoljašnji omotač zemlje, je sloj najmanje debljine (0-75km u kontinentalnim delovima i 5-10 km u okeanima.).temperatura u dubini zemljine kore je u opsegu od C, pritisci su oko.10 4 bara a njena prosečna gustina oko,7 g/cm. I)Rasprostranjenost elemenata po omotačima zemlje Do danas je otkriveno 117 hemijskih elemenata i preko 600 prostih supstanci koje oni grade.elementi sa atomskim brojem većim od 94,znaci njih,nisu pronjadjeni u prirodi već su dobijeni vestačkim putem.prema rasprostranjenost u pojedinim omotačima zemlje elementi se dele na: 1.atmofilne,koji se pretežno nalaze u vazdušnom omotacu -atmosferi.hidrofilne,koji se pretežno nalaze u vodenom omotacu-hidrosferi.litofilne,koji se pretežno nalaze u zemljinoj kori-litosferi 4.halkofilne,koji se pretežno nalaze u zemljinom omotacu 5.siderofilne,koji se pretžezno nalaze u zemljinom jezgru Primeri atmofilnih elemenata su :azot,kiseonik,argon i dr.; hidrofilnih elemenata su kalcijum,magnezijum,natrijum,kalijum i dr.;litofilnih elemenata su takodje alkalni i zemnoalkalni metali ; halkofilnih elemenata su olovo,bakar.sumpor,polonijum itd.; siderofilnih elemenata su gvoždje,kobalt,nikl,platinski metali itd. Mora se naglasiti da za mnoge elemente nije moguća precizna klasifikacija prema mestu

2 nalaženja jer su zastupljeni u vise omotača ili u svim omotačima zemlje.naprimer elemenat kiseonik je atmofilan,litofilan i hidrofilan elemenat.svrstavanje nekog elementa u jednu od pet navedenih grupa znači da se on prvenstveno nalazi u tom omotaču. Litosfera je,za sada,jedini sloj naše planete koja je predmet istraživanja i eksploatacije rudarskih i geoloških stručnjaka.njen sastav se iskazuje u: masenim procentima(% mas),atomskim procentima (% atom.) i zapreminskim procentima (%.zapr.) Najveće dubine do kojih su doprla geološka istraživanja iznose izmedju 8-9 km (naftne bušotine). Ispitivanjem sastava litosfere utvrdjeno je da su u njoj hemijski elementi veoma neravnomerno rasprostranjenji i da samo devet hemijskih elemenata čini 98,78% mas.litosfere a da svi ostali elementi čine samo 1, % mas.sastav litosfere prvi je izučavao autor Klark a kasnije i mnogi drugi autori (Venderski,Fersman,Goldsmit,Vinogradov,Ronov i Jarosevski).Sastav litosfere po Ronovu i Jaroševskom prikazan je u sledećoj tabeli: Tabela : Sastav litosfere (autori Ronov i Jaroševski) u % mas. N 0 Z(atomski broj)) simbol elementa A r % mas. elementa O 15,99 49,85 14 Si 8,085 6,0 1 Al 6,981 7,8 4 6 Fe 55,85 4,1 5 0 Ca 40,08, Na,989, 7 19 K 9,098, 8 1 Mg 4,05,11 9 Ti 47,9 0, ukupno 98,78 ostali elementi 1, Podaci iz tablice ukazuju da rasprostranjenost hemijskih elemenata zavisi od karakteristika njihovih atomskih jezgara: najrasprostranjeniji su elementi koji imaju lakša atomska jezgra tj.elementi manjih relativnih atomskih masa koji se nalaze na početku periodnog sistema elemenata.elemenat sa najvećom relativnom masom koji spada u 9 najrasprostranjenijih je gvoždje. Druga karakteristika atomskih jezgara elemenata koja utiče na rasprostranjenost u litosferi je da li je broj protona u jezgru paran ili neparan. Podaci iz tabele ukazuju da elementi koji sadrže u svojim jezgrima paran broj protona ( odnosno koji imaju parne atomske brojeve ) čine najveci deo mase litosfere.tako od 98,78 % mas.litosfere koliko po Ronovu i Jaroševskom čini devet najrasprostranjenijih elemenata 85,81%mas. čine elementi sa parnim a ostatak elementi sa neparnim atomskim brojevima. Podaci iz tablice takodje ukazuju da rasprostranjenost elemenata u litosferi ne zavisi od hemijskih osobina elemenata.naime medju devet najrasprostranjenijih elemenata spadaju alkalni metali natrijum i kalijum.ostali metali iz grupe alkalnih elemenata,koja se odlkuje velikom medjusobnom sličnošcu hemijskih osobina, ne spadaju medju devet najrasprostranjenijih elemenata.

3 II.Rasprostranjenost elemenata po količini Elementi se po svojoj rasprostranjenosti klasifikuju na: 1) retke elemente čiji je sadržaj 10 - % mas. ) rasprostranjene elemente čiji je sadrzaj >10 - % mas. Za nalaženje elemenata u prirodi bitna je takodje i njihova sposobnost odnosno nesposobnost da se koncentrišu i obrazuju sopstvena ležišta.elementi koji ne mogu da se koncentrišu u zemljinoj kori i nemaju sopstvene minerale i nalazišta se nazivaju rasejani elementi. Elementi koji su malo rasprostranjeni (retki elementi) su najčesće i rasejani elementi medjutim to nije uvek slučaj.tako npr.elemenat živa koji spada u retke elemente litosfere ima sposobnost da se koncentriše i obrazuje sopstvena nalazišta.nasuprot nje elemenat erbijum koji je od žive prisutan u većoj količini zbog svojih fizičko-hemijskih karakteristika ne obrazuje sopstvena nalazišta i spada u rasejane elemente. III.Oblici nalaženja elemenata Elementi se mogu naći u: 1) elementarnom obliku ) vezanom obliku U kom će se obliku,elementarnom ili vezanom (u sastavu hemijskog jedinjenja)naći neki elemenat u prirodi zavisi prvenstveno od njegove hemijske aktivnosti.hemijski aktivni elementi (npr.alkalni metali)javljaju se isključivo u vezanom obliku.za razliku od hemijski neaktivnih elemenata (npr.inertnih gasova) koji se javljaju isključivo u elementarnom obliku.postoje i elementi koji se u prirodi javljaju i u vezanom i u elementarnom obliku (kiseonik,azot,sumpor,ugljenik itd). IV.Podela elemenata po osobinama Na osnovu različitih osobina elementi se dele na:1.metale,.nemetale,.metaloide. Elemenat vodonik kao i grupa plemenitih gasova ne spadaju ni u jednu od navedenih grupa elemenata. 1.Metali Svi metali su na sobnoj temperature čvrste supstance kristalne strukture (metalna kristalna rešetka) osim žive koja je jedini metal u tečnom agregatnom stanju. Cezijum i galijum su metali sa niskim temperaturama topljenja (8,5 i 9,8 0 C) i zbog toga u letnjim periodima mogu da budu u tečnom agregatnom stanjuzajedničke fizičke osobine metala su :dobra električna provodljivost (koja opada sa porastom temperature) i dobra toplotna provodljivost,metalni sjaj,neprozirnost,plastičnost i sposobnost da se mehanički deformišu (obradjuju).zajedničke osobine metala (električna i toplotna provodljivost) kao i mogućnost da se obradjuju su posledica prisustva metalne veze odnosno postojanja

4 slobodnih,pokretnih i delokalizovanih elektrona u metalnoj kristalnoj rešetki.metalna veza može da bude različite jačine (slaba,jaka) usled čega temperature topljenja metala mogu da budu različite.metali sa temperaturom topljenja iznad C nazivaju se teško topljivim metalima a oni sa nižom temperaturom topljenja od navedene vrednosti su lako topljivi metali.u zavisnosti od gustine dele se na lake (gustina im je manja od 5 g/cm ) i teške metale (gustina im je veća od 5 g/cm ).Najlakši metal je litijum (ρ=0,5 g/cm ) i on pliva po vodi a najteži metal je osmijum (ρ=,6 g/cm ).Isto tako metali mogu imati različite tvrdoće na osnovu kojih se dele na tvrde (npr.hrom koji ima tvrdoću po Mosovoj skali 6) i na meke metale (npr.cezijum koji ima tvrdoću 0, po Mosovoj skali).za većinu metala je karakteristican polimorfizam ( postojanje u više kristalnih oblika). Zajedničke hemijske osobine metala posledica su karakteristika njihovih atoma:elektronske konfiguracije sa relativno malim brojem elektrona u spoljašnjem energetskom nivou,malog jonizacionog potencijala,afiniteta prema elektronu i elektronegativnosti.zato atomi metala lako otpuštaju elektrone (predstavljaju redukciona sredstva),u svojim jedinjenima imaju isključivo pozitivne oksidacione brojeve i najčešće grade jedinjenja sa jonskom hemijskom vezom u kojima su prisutni u obliku poztivnih jonova-katjonova.. U okviru grupa metala periodnog sistema elemenata sa porastom atomskog broja opadaju jonizacioni potencijali (i afinitet prema elektronu i elektronegativnost) i rastu redukciona svojstva metala. Oksidi metala su najčešcr baznog (CaO, Na O) a znatno redje kiselog karaktera (Mn O 7,CrO ). Oblici nalaženja metala u prirodi odredjeni su njihovim hemijskim osobinama.plemeniti metali kao što su bakar,srebro i zlato,koji se nalaze pri kraju niza metala poredjanih prema njihovoj hemiskoj aktivnosti, se u prirodi nalaze i u elementarnom (samorodnom) obliku.za razliku od njih hemijski veoma aktivni metali koji se nalaze na početku ovog niza,npr. alkalni metali,ne mogu nikada u prirodi da se nadju u slobodnom samorodnom stanju već isključivo u obliku hemijskih jedinjenja. Zbog velike medjusobne sličnosti alkalni metali se u prirodi sreću u sastavu istih jedinjenja:silikata,halogenida,nitrata,sulfata i redje karbonata..osim silikata koji čine najveći deo litosfere ostala jedinjenja ovih elemenata su prisutna više u vodama zbog svoje velike rastvorljivosti. Zemnoalkalni metali su u litosferi takodje prisutni u obliku silikata ali i u obliku za njih tipičnih,u vodi malo rastvornih, soli sulfata i karbonata.aluminijum je takodje prisutan u obliku silikata čijim raspadanjem nastaju oksidi i hidroksidi aluminijuma koji čine značajnu kolicinu aluminijuma prisutnu u prirodi.hloridi,sulfati i karbonati nisu karakteristični za javljanje aluminijuma u prirodi.metali kalaj i olovo,kao i vecina prelaznih metala,su u litosferi prisutni u obliku sulfida i oksida različitog sastava. Od,za sada otkrivenih 117 elemenata,9 elementa su metali.u Periodnodnom sistemu dugih perioda metali su elementi sledećih grupa: IA,IIA I IIIA grupe (osim bora),zatim kalaj (Sn),olovo (Pb) iz IVA grupe i bizmut (Bi) iz VA grupe zatim elementi IB,IIB,IIIB(sa lantanidima i aktinidima),ivb,vb,vib,viiib I VIIIB grupe..nemetali

5 Za razlku od metala nemetali su po svojim osobinama medjusobno manje slični.po svojim fizičkim osobinama nemetali su znatno različiti od metala.na običnoj temperaturi nalaze se u svim agregatnim stanjima:čvrstom (ugljenik,fosfor,sumpor,jod),gasovitom (fluor.hlor,kiseonik,azot) i tečnom(brom).njihove fizičke osobine su suprotne od osobina metala:nemaju metalni sjaj i nisu provodnici ni toplote ni elektriciteta,mekani su i krti i ne mogu se kao metali obradjivati.sastoje se od višeatomnih molekula različitog sastava:f,o, P 4,S 8 itd.u čvrstom agregatnom stanju u njima je (najčešće) zastupljena molekulska kristalna rešetka a znatno redje atomska kristalna rešetka.za nemetale je karakteristično da grade više prostih supstanci (alotropskih modifikacija) koje se medju sobom razlikuju :po molekulima koji sadrze različite brojeve atoma ( O,O ) ili po kristalnoj rešetki (C grafit, C dijamant ). U pogledu hemijskih osobina za nemetale je karakteristično da imaju visoke vrednosti koeficijenata elektronegativnosti ( a takodje i afiniteta prema elektronu i jonizacionog potencijala) usled čega lako primaju elektrone (ili privlače elektronske parove iz kovalentne veze) stičući najcesce negativne oksidacione brojeve.zato oni u hemijskim reakcijama predstavljaju oksidaciona sredstva.u okviru grupa nemetala sa porastom atomskog broja opadaju koeficijenti elektronegativnosti (i afinitet prema elektronu i jonizacioni potencijal) njihove oksidacione sposobnosti. Njihovi oksidi su najčešće kiseli (CO,SO ) a znatno redje neutralnog karaktera (CO,NO,N O ). Njihov broj (9),u odnosu na broj metala je znatno manji..medjutim njihov značaj je veliki jer oni čine nešto malo manje od tri četvrtine mase i vise od devedeset procenata zapremine litosfere. U prirodi se uglavnom nalaze u vezanom obliku u sastavu:silikata,oksida,karbonata,sulfata,fosfata itd.u elementarnom obliku se u prirodi u znatnijim količinama javljaju samo azot i kiseonik a u manjim količinama ugljenik,sumpor i jod. U Periodnom sistemu dugih perioda nemetali se nalaze u gornjem desnom uglu u IVA grupi ugljenik-c,va grupi N-azot i P-fosfor,VIA grupi O-kiseonik i S-sumpor i u VIIA grupi F- fluor,cl-hlor,br-brom i J-jod. Metaloidi Po svojim osobinama metaloidi (bor,silicijum,germanijum,arsen,antimon,selen,telur,polonijum i astat) su slični i metalima i nemetalima.njihove fiičke osobine su sličnije metalima a hemijske nemetalima.polonijum i astat spadaju u prirodne radioaktivne elemente.na običnoj temperaturi svi se nalaze u čvrstom agregatnom stanju.u prirodi se ne javljaju u elementarnom već isključivo u vezanom obliku.u Periodnom sistemu elemenata metaloidi čine dijagonalnu granicu izmedju metala i nemetala i nalaze se u IIIA (bor-b),iva (silicijum-si i germanijum-ge),va (arsen-as i antimon-sb),via (selen-se,telur-te i polonijum-po) i u VIIA (astat-as) grupi. Pitanja 1.Od čega zavisi a od čega ne zavisi rasprostranjenost elemenata u litosferi?

6 .Kako se hemijski elementi dele po rasprostranjenosti a kako po obliku nalaženja u litosferi?.navesti najvaznije fizičke osobine metala. 4.Da li su metali oksidaciona ili redukciona sredstva.odgovor obrazložiti. 5.Koje su najkarakterističnije hemijske osobine nemetala? 6.U kom se obliku (elementarnom,vezanom) pretežno nalaze nemetali u prirodi? 7.Navesti u kojim se agregatnim stanjima nalaze pojedini nemetali.. 8.Koji metaloidi spadaju u prirodne radioaktivne elemente. 9.U kojim agregatnim stanjima se metaloidi nalaze na sobnoj temperaturi?