Glin – notatki do Olimpiady Chemicznej oraz zadanie sprawdzające wiedzę

 

Umiejętność odpowiedniego doboru informacji jakie należy wyciągnąć z podręcznika do chemii nieorganicznej w kontekście tego, co ważne na OlChem to co najmniej połowa sukcesu.

Według mnie najlepsza metoda nauki chemii nieorganicznej jest taka : bierzemy dowolny podręcznik do chemii nieorganicznej (naprawdę, wybór książki jest sprawą drugorzędną), czytamy 1 ( słownie : jeden ) pierwiastek, kto chce niech robi notatki i swoją wiedzę testujemy w praktyce w połączeniu z obliczeniami. W ten sposób właśnie dziś nauczymy się glinu.

Moje notatki są na podstawie :

1. Podstaw chemii nieorganicznej Bielańskiego 
2. Chemii nieorganicznej Kolditza
3. Inorganic Chemistry Housecroft
4. Inorganic Chemistry Shriver & Atkins 
5. Internet

Wiem, że może się wydawać dużo, ale tak naprawdę wystarczy jedna, dowolna książka. Gdy ja się uczyłem, nie potrafiłem znaleźć jednej książki, która by mnie w pełni satysfakcjonowała. Poza tym, dzięki temu będziecie mieć dość bogate notatki 🙂

Uważajcie też, żeby nie wpaść w skrajność przepisywania całej książki jeśli np. robicie notatki. Naprawdę, nie trzeba znać super szczegółowo każdego pierwiastka. Macie znać go w miarę ogólnie, a resztę wykombinować obliczeniami. Znajcie stopnie utlenienia, kwasy, tlenki, wodorotlenki. Zaczynamy.

---

 

Al,  glin – sympatyczny pierwiastek, całkiem łatwy. Idealnie nadaje się na I etap, ale bywa też na II etapie.

• stopnie utlenienia : III ( najczęstszy) oraz I ( bardzo rzadko, np. jodek glinu (I) \(AlI\) ,który oczywiście jest nietrwały w normalnych warunkach i szybko dysproporcjonuje w myśl reakcji :
  • \(3AlI \rightarrow AlI_{3} + 2Al \)
• charakterystyczne wykorzystanie : w foliach aluminiowych (na nasze kanapki), oprócz tego Al jest dość odporny na korozję więc ma zastosowanie w stopach, stąd znajdziemy go w różnych pojazdach, konstrukcjach itp.
• ogólna charakterystyka w skrócie : srebrzystobiały metal, plastyczny, dobry przewodnik elektryczny
• reakcja z tlenem, halogenkami, węglem, wodą :
  • reakcja z \(O_{2} \) : glin ma duże powinnowactwo do tlenu : Czysty glin ulega tzw. pasywacji – proces, który polega na tym, że jakiś pierwiastek, czyli nasz glin, pokrywa się warstwą ochronną swojego tlenku ( u nas będzie to \(Al_{2}O_{3} \) i w ten sposób zapobiega dalszej reakcji pierwiastka z otoczeniem (reakcja [1]).  Pasywacja glinu, powoduje, że nie reaguje on z wodą czy rozcieńczonymi kwasami.
  • reakcja z \(H_{2}O\) : jeśli w jakiś sposób ominiemy pasywację (np. dodając troszeczkę chlorku rtęci (II) i tworząc amalgamat lub też mechanicznie usuwając pokrywę tlenku glinu jaka osadziła się na tym pierwiastku, wtedy glin taki reaguje z wodą (reakcja [2]) :
  • reakcja z węglem [reakcja 3] oraz reakcja węgliku glinu z wodą [reakcja 4]
  • reakcja z \(X_{2} \) czyli z dowolnym halogenkiem : tworzą się halogenki o wzorze \(AlX_{3} \) : reakcja [5]

1. reakcja [1] \(\implies \) \(4Al + 3O_{2} \rightarrow 2Al_{2}O_{3} \)
2. reakcja [2] \(\implies \) \(Al + 3H_{2}O \rightarrow Al(OH)_{3} + \frac {3}{2} H_{2} \)
3. reakcja [3] \(\implies \) \(4Al + 3C \xrightarrow{T} Al_{4}C_{3} \)
4. reakcja [4] \(\implies \) \(Al_{4}C_{3} + 12H_{2}O \rightarrow 4Al(OH)_{3} + 3CH_{4}\)         *reakcja z HCl jest identyczna, tylko zamiast wodorotlenku powstaje \(AlCl_{3}\)
5. reakcja [5] \(\implies \) \(Al + \frac{3}{2} X_{2} \rightarrow AlX_{3} \)

• reakcja z kwasem i zasadą
  • z kwasem nieutleniającym \(HCl \) : reakcja [6] \(\implies 2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_{3} + 3H_{2} \)
  • z kwasem utleniającym (używamy rozcieńczonego) \(HNO_{3} \) : reakcja [7] \(\implies \) \(2Al + 6HNO_{3} \rightarrow 2Al(NO_{3})_{3} + 3H_{2}\)
  • z kwasem utleniającym (używamy stężonego) \(HNO_{3} \) : reakcja [8] \(\implies 2Al + 6HNO_{3} \rightarrow Al_{2}O_{3} + 6NO_{2} + 3H_{2}O \)=>pasywacja następuje. Z kwasem siarkowym jest tak samo, również ze względu na kwestię stężony/rozcieńczony
  • z zasadą \(NaOH\) : reakcja [9] \(\implies 2Al + 2NaOH + 6H_{2}O \rightarrow 2Na[Al(OH)_{4}] + 3H_{2} \)
• tlenki : głównie istnieje tlenek \(Al_{2}O_{3} \) który istnieje w dwóch odmianach polimorficznych ( polimorfizm – kiedy istnieją różne odmiany krystalograficzne tego samego związku. Coś na podobieństwo ściany w domu : mogę ją ułożyć z cegieł na dwa sposoby : albo będę kładł cegły pionowo albo poziomo, ale wciąż efektem jest ściana, ale może ona mieć już inne właściwości). Otrzymywanie :
  • reakcja [10] : \(Al(OH)_{3} \xrightarrow{T} AlO(OH) + H_{2}O \) następnie : [reakcja 11] : \(2AlO(OH) \xrightarrow{T} Al_{2}O_{3} + H_{2}O \)
• wodorotlenki – mamy bardzo ważny, amfoteryczny wodorotlenek \(Al(OH)_{3} \). Jeśli pojawi się zadanie z glinu to na bank pojawi się też ten wodorotlenek. Skoro amfoteryczny, to musimy znać jego reakcję zarówno z kwasem jak i zasadą :
  • reakcja [12] \(\implies \) \(Al(OH)_{3} + 3HCl \rightarrow AlCl_{3} + 3H_{2}O \)
  • reakcja [13] \(\implies \) \(Al(OH)_{3} + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_{4}]\) lub \(Al(OH)_{3} + 3NaOH \rightarrow Na_{3}[Al(OH)_{6}]\)
• wodorki : mamy wodorek glinu \(AlH_{3} \). Otrzymywanie :
  • reakcja [14] \(\implies \) \(AlCl_{3} + 3LiH \rightarrow AlH_{3} + 3LiCl \)
  • chyba, że dodamy nadmiar, to tworzy nam się znany reduktor z chemii organicznej :                                                                                           reakcja [15] \(\implies \)  \(AlCl_{3} + 4LiH \rightarrow LiAlH_{4} + 3LiCl \)
• sole : należy wspomnieć o spinelach oraz ałunach.
  • ałun : związek o ogólnym wzorze \(MAl[SO_{4}]_{2} \cdot 12H_{2}O \) gdzie \(M^{+} = Li^{+} , K^{+}, NH^{+}_{4}\) , generalnie jakiś jednododatni kation. Czasem terminu ałun używa się też dla bardziej ogólnych związków, gdzie niekoniecznie musi być glin, ale jakiś inny trójdodatni pierwiastek np. Chrom.
  • spinele : związki o wzorze ogólnym \(AB_{2}O_{4} \) , gdzie A = pierwiastek na stopniu utlenienia (II) oraz B = pierwiastek na stopniu utlenienia (III). Są też inne możliwe kombinacje stopni utlenienia dla pierwiastków A i B, np. odpowiednio : (IV) + (II). Przykład spineli wartej zapamiętania : \(MgAl_{2}O_{4} \). Otrzymywanie jest łatwe : robi się to topiąc tlenki : reakcja [16] \(\implies \) \(MgO + Al_{2}O_{3} \rightarrow MgAl_{2}O_{4} \)
• kompleksy – dla glinu mamy dwie liczby koordynacyjne, które musimy zapamiętać, są to \(LK = 4 \) oraz \(LK = 6 \). Przykładem są odpowiednio : \(Al(OH)^{-}_{4} \) o budowie tetraedru oraz \(Al(OH)^{3-}_{6} \) o budowie oktaedru. To tylko przykłady kompleksów glinu, jest ich jeszcze cała gama, ale wystarczy, że zapamiętacie LK i sobie poradzicie z ustaleniem wzoru np. \(AlF^{3-}_{6} \)
  • reakcja [17] \(2Na[Al(OH)_{4}] + CO_{2} \rightarrow 2Al(OH)_{3} + Na_{2}CO_{3} + H_{2}O \)
  • reakcje kondensacji (ta wiedza nawet zahacza o finał) : reakcja [18] \(\implies\) \(Al(H_{2}O)_{2}(OH)_{4}^{-} \rightarrow H_{6}Al_{2}O_{7}^{2-} + 5H_{2}O \)
• skłonność do redoksów : jony glinu \(Al^{3+} \) niechętnie redukują się do czystego glinu, zatem skłonność do redoksów jest mała. Dla nas ma to takie znaczenie, że patrząc na glin w pierwszej kolejności nie myślimy o redoksach, chyba, że widzimy inny charakterystyczny reagent  bądź podejrzane warunki reakcji.

Budowa \(Al(OH)^{-}_{4} \) oraz \(Al(OH)^{3-}_{6} \):

Uważam, że jest to wiedza w zupełności wystarczająca na I oraz II etap. Teraz poćwiczmy w praktyce :

*oznacza, że możecie sobie na razie pominąć obliczenia związane z tą informacją, bo dotyczą krystalografii, a zatem II etapu.

Zadanie 3

Pewien metal X został wytworzony w procesie elektrolizy. Używając prądu o natężeniu 30000 A, przy wydajności prądowej równej 90%, przez 10 h, odłożyło się 90,6 kg tego metalu.

*W czystej formie metal ten krystalizuje  w układzie regularnym i tworzy sieć ściennie (płasko) centrowaną. Promieniowanie rentgenowskie o długości fali  λ = 1,5406 Å daje refleks pierwszego rzędu pochodzący od rodziny płaszczyzn (111) pod kątem θ = 19,3°.

Metal X reaguje z chlorem daje ciekawy związek A, który może występować w różnych formach, zależnie od panującej temperatury. Związek A występuje w stanie stałym ma budowę krystaliczną, w której glin ma liczbę koordynacyjną 6, w stanie ciekłym i gazowym przybiera formę dimeru, natomiast w wysokich temperaturach, ma budowę monomeru.

Związek A jest silnie higroskopijny i gdy doda się do niego wodę, powstaje związek B o żółtawym zabarwieniu. Ogrzewanie związku B daje związek C, który to reaguje z kwasem azotowym oraz z wodorotlenkiem sodu – dając wtedy związek D.

W reakcji z NaOH użyto 4,68 g związku C w ten sposób otrzymując 11,88 g związku D.

Gdy zaczniemy ogrzewać związek C w wyższych temperaturach ( > \(400^{\circ} C\) ) powstanie związek E, który podczas prażenia ze związkiem F (który ma należy do takiej samej klasy związków i zawiera pierwiastek na +II stopniu utlenienia) powstanie tzw. błękit Thenarda – związek G jako jedyny produkt. \(M_{G} = 176.89 \frac{g}{mol}\)

a) zidentyfikuj metal X, podaj obliczenia. (3 pkt)

b) oblicz parametr komórki \(a \) oraz gęstość metalu X. (4 pkt)

c) podaj wzór związku A, występującego w formie monomeru. Narysuj budowę tego związku. (2 pkt)

d) podaj wzór związku B, wiedząc , że metal X ma tam LK = 6. (2 pkt)

e) podaj wzory związków C i D. Potwierdź obliczeniami. Jaki charakter kwasowo-zasadowy wykazuje związek C? (4 pkt)

f) podaj wzory E, F, G. Uzasadnij. (5 pkt)

W zadaniu przyjmij :

\(M_{Na} = 23 \frac{g}{mol} \) \(M_{o} = 16 \frac{g}{mol} \) \(M_{H} = 1,01 \frac{g}{mol} \) Pozostałe masy zaokrąglaj do drugiego miejsca po przecinku.  \(F = 96500 \frac {C}{mol} \)

Rozwiązanie :

a) zgodnie z prawami elektrolizy Faradaya mamy wzór :

\(m = \frac{M \cdot I \cdot t}{zF} \) gdzie :

• \(m \implies \) masa substancji wydzielanej na elektrodzie. U nas chodzi o metal X
• \(I \implies \) to natężenie prądu
• \(t \implies \) to czas trwania elektrolizy
• \(M \implies \) to oczywiście masa molowa substancji
• \(z \implies \) to ładunek jonu. Możecie się też spotkać, że zamiast \(z \) jest \(n \), ale ja unikam tego symbolu w tym kontekście, żeby nie myliło się z liczbą moli
• \(F \implies \) to tzw. stała Faradaya. Oznacza ładunek elektryczny  przypadający na jeden mol elektronów. Jednostką tej stałej jest \(\frac{kulomb}{mol} \) Oblicza się ją przez pomnożenie stałej Avogadro przez ładunek elektronu :

\(F = N_{A}e = 96485 \approx 96500 \frac{C}{mol} \)

Wzór można jeszcze delikatnie zmodyfikować jak ktoś chce, wprowadzając wydajność procesu elektrolizy \(\eta \) ( u nas w zadaniu jest to 90%)

\(m = \frac{M \cdot I \cdot t \cdot \eta}{zF} \)

Pozostaje wstawić do wzoru (przyjrzyjcie się uważnie, jakich jednostek używam), wcześniej tylko sobie wyprowadzę wyrażenie na masę molową, bo przecież tego szukam (oznaczę sobie jako masa molowa metalu X : \(M_{X} \) ) :

\(M_{X} = \frac{mzF}{It \eta} \) = \(\frac{90600 \cdot z \cdot 96500}{30000 \cdot 36000 \cdot 0,9} \)

\(M_{X} = 8,99z \)

Teraz czysta przyjemność, zwykła metoda prób i błędów :

• dla z = 1 \(\implies M_{X} = 8,99 \frac{g}{mol} \). Można naciągnąć to jako beryl, ale on ma wartościowość +2, a nie +1. Pamiętajmy, że wartość \(z \) to tak naprawdę wartościowość. Sprawdzamy dalej :
• dla z = 2 \(\implies M_{X} = 17,98 \frac{g}{mol} \) . Nic nie pasuje
• dla z = 3 \(\implies M_{X} = 26,97 \frac{g}{mol} \). Pięknie widać, że \(X = Al\), z dobrą wartościowością +3. Zatem X to glin.

Gdybyśmy wzięli jeszcze większą dokładność, to by nam wyszła nawet masa idealna z układu czyli 26,98. I takiej też będziemy używać dalej w zadaniu.

b) od razu nasuwa się równanie Wulffa-Bragga : \(n \lambda = 2dsin \theta \)

Pamiętajmy, że \(d\) nie oznacza tu gęstości, tylko odległość międzypłaszczyznową. Można to dla lepszego rozróżnienia oznaczyć jako \(d_{hkl} \). ale zapisanie tego dość długo zajmuje w brudnopisie. Początkującym w krystalografii polecam jednak stosowanie tego zapisu, aby się nie pomylić, a bardziej wprawieni niech robią jak im wygodnie.

Podstawiamy dane :

\(1 \cdot 1,5406 = 2dsin(19,3) \implies d = 2,33 \) Å

Tzw. ,,równanie kwadratowe” (swoją drogą – co za pomysłowość tej nazwy!) dla sieci regularnej :

\(\frac{1}{d^{2}} = \frac {h^{2} + k^{2} + l^{2}}{a^{2}} \)

W naszym przypadku \(h = k = l = 1 \)

\(d\sqrt{3} = a \implies a = 4,04 \) Å

Natomiast, żeby obliczyć gęstość glinu skorzystamy ze wzoru :

\(d = \frac{ZM}{N_{A}a^{3}}\)

\(d = \frac{4 \cdot 26,98}{(6,02 \cdot 10^{23})(4,04 \cdot 10^{-8})^{3}} \approx 2,72 \frac{g}{cm^{3}} \)

c) tutaj sprawa jest prosta. Zwykle bowiem jest tak, że zadanie z nieorganicznej wolno się rozkręca – z początku są łatwe związki i stopniowo przechodzimy w coraz trudniejsze.

\(Al + \frac{3}{2} Cl_{2} \rightarrow AlCl_{3} \)

c) związek B już taki łatwy i oczywisty nie jest. Kluczowa informacja : LK =6 , oznacza jakiś kompleks. Czyli ten glin skoordynował sobie po prostu cząsteczki wody w ilości 6.

\(AlCl_{3} + 6H_{2}O \rightarrow [Al(H_{2}O)_{6}]Cl_{3} \)

związek B = \([Al(H_{2}O)_{6}]Cl_{3} \)

d) skoro związek C reaguje z kwasem i zasadą to jest związkiem amfoterycznym – prosta sprawa. Od razu nasuwa to na myśl wodorotlenek glinu. Związek C = \(Al(OH)_{3} \)

\([Al(H_{2}O)_{6}]Cl_{3} \xrightarrow{T} Al(OH)_{3} + 3HCl + 3H_{2}O \)

Teraz związek D :

\(Al(OH)_{3} + x \ NaOH \rightarrow Na_{x}[Al(OH)_{3+x}] \)

Liczymy liczby moli :

\(n_{Al(OH)_{3}} = \frac {4,68}{78,01} \approx 0,06 \ mol \)

\(n_{Na_{x}[Al(OH)_{3+x}]} = \frac {11,88}{78,01 +40,01x} \ mol \)

Ze stechiometrii reakcji widzimy, że te liczby moli są sobie równe :

\(0,06 = \frac {11,88}{78,01 + 40,01x} \) \(\implies x = 3 \)

Czyli związek D = \(Na_{3}[Al(OH)_{6}] \)

e) ogrzewanie wodorotlenku daje tlenek :

\(2Al(OH)_{3} \xrightarrow{T} Al_{2}O_{3} + 3H_{2}O \)

Czyli związek E = \(Al_{2}O_{3} \) i w takim razie F jest tlenkiem, skoro należą do tej samej klasy związków. Zapiszmy więc sobie :

\(F = M_{x}O_{y} \) gdzie M = jakiś pierwiastek. Mamy w takim razie reakcję stapiania dwóch tlenków :

\(Al_{2}O_{3} + M_{x}O_{y} \xrightarrow{T} G \)

Na szczęście ja wiem, że pierwiastek M występuję na +II stopniu utlenienia :

F = \(MO \)

\(x \ Al_{2}O_{3} + y \ MO \xrightarrow{T} G \)

\(M_{G} = 176.89 \frac{g}{mol}\)

Wiadomo, że masa substratów = masa produktów (czyli u nas jednego produktu).

Dła ułatwienia zapisu niech \(M = \) masa molowa nieznanego pierwiastka. Teraz zapisuję, że \(m_{MO} + m_{Al_{2}O_{3}} = m_{G} \)

\(y(M + 16) + 101,96x = 176,89 \)

Widzimy, że \(x<2 \) bo inaczej \(y\) lub \(M\) musiałoby być ujemne. Czyli jedyna możliwość to \(x = 1 \)

\(y(M + 16) = 74,93 \)

\(yM + 16y = 74,93 \implies M = \frac{74,93 – 16y}{y}\)

Wystarczy teraz po kolei podstawiać y, pamiętając , że \(y \in C \) i otrzymujemy od razu \(M = 58,93 \frac{g}{mol} \) dla \(y = 1 \) i nieznany metal to kobalt – wartościowość +II również pasuje.

Alternatywnie, bardziej zagmatwane, bardziej ogólne podejście :

Związek G zapisać sobie ogólnie jako : \(M_{p}Al_{q}O_{r} \).

\(x \ Al_{2}O_{3} + y \ MO \xrightarrow{T} M_{p}Al_{q}O_{r} \)

Uwaga: reakcja jest tak zapisana, że jest jedynka (współczynnik stechiometryczny) przed tym produktem, więc nie mam pewności wtedy, że \(x \ oraz \ y \in C \)

Z wartościowości mam :

\(2p + 3q = 2r \implies r = p – \frac{3}{2}q \)

Zauważmy, że przecież \(p, q , r \in C \) . Więc, żeby \(r \) było całkowite, to liczba \(q \) musi być liczbą parzystą.

Czyli \(q = {2, 4, 6…} \)

\(M_{G} = 176,89 = pM + 26,98q + 16r \)

\(176,89 = pM + 26,98q +16(p – \frac{3}{2}q) \)

I znów metoda prób i błędów – królowa nieorganicznej :

• dla \(q = 2 \implies 74,93 = pM +16p \) co sprowadza nas do identycznej sytuacji, co w poprzedniej metodzie – tylko tam mieliśmy niewiadomą \(x\) , a teraz mamy \(p \)

Ta druga metoda jest w tym przypadku trochę gorsza pod względem złożoności, ale z drugiej strony jest lepsza, bo bardziej ogólna.

Takie zaporowe zadanie w nieorganicznej to zawsze powinniście sobie zostawić na koniec, często przez właśnie metodę prób i błędów, która może być czasochłonna. Zauważcie jednak, że to nigdy nie jest jakiś nieskończony proces (albo nie powinien być) tj. zawsze mam co najwyżej kilka możliwości do sprawdzenia – no bo czy spodziewam się powiedzmy \(q = 8 \) czyli 8 atomów glinu w tym związku?

Czyli M = Co, kobalt. A związek F = \(CoAl_{2}O_{4} \)

Jest to spinela. Oczywiście, można pamiętać z teorii, że tu pewnie powstanie spinela i od razu sobie zapisać ten związek G jako : \(MAl_{2}O_{4} \) i zadanie jest trywialne bo mamy masę molową, ale naturalnie zakładam podejście ogólne. Skoro mam dane liczbowe, to muszę dać radę to obliczyć w jakiś sposób, który nie wymaga olbrzymiej wiedzy z chemii nieorganicznej.

Jak widzisz, połączenie teorii z obliczeniami to zabójcze połączenie i naprawdę pozwali rozwalić praktycznie każde zadanie drugie.

Chemistry is the melodies you can play on vibrating strings – Michio Kaku