predavanje-8

1

Prelazni elementi (Cu, Mn, Fe)Prelazni elementi (Cu, Mn, Fe)Hemija atmosfereHemija atmosfere

Doc. Dr. Azra TahiroviDoc. Dr. Azra TahiroviććSarajevo, 07.11.2008.Sarajevo, 07.11.2008.

Prelazni elementi

• prelazni elementi (d-elementi)

• 3 -12 grupa PSE

• 4, 5, 6, 7. perioda PSE

• metalna svojstva

• popunjavaju d-orbitale prethodne ljuske

• energetski bliske orbitale: ns-, np, (n-1)d• razlika među elementima grupa malo

izražena

• valentni elektroni (s i d-elektroni)

Prelazni elementi

• Karakteristična svojstva:

• grade (+2) oksidacijsko stanje (ns2);

• različiti oksidacijski brojevi (parni i neparni);• obojeni spojevi;

• formiranje kompleksnih spojeva;

• paramagnetičnost.

Biogeni elementi

Biogeni mikroelementi od značaja:

• Cu (11. grupa PSE)

• Zn (12. grupa PSE)

• Mo (6. grupa PSE)

• Mn (7. grupa PSE)

• Fe (8. grupa PSE) - trijada željeza• Co (8. grupa PSE) - trijada željeza

• Ni (8. grupa PSE) - trijada željeza

2

Bakar (Cu)

Opšta svojstva:

• elektronska konfiguracija(n-1)d10 ns1

– oksidacijska stanja: (+1), (+2), (+3)– stabilno oksidacijsko stanje: (+2)– pozitivan redoks-potencijal– oksidacijska svojstva izražena– disproporcioniranje:

2 Cu+ → Cu2+ + Cu

ZastupljenostZemljina kora (10-4 mas%)• Elementarno stanje• Jedinjenja

Oksidi– Kuprit (Cu2O)Bazični karbonati

• Malahit (CuCO3 ·Cu(OH)2)• Azurit (2 CuCO3 ·Cu(OH)2

Sulfidi– Kovelin (CuS)– Halkopirit (CuFeS2)– Halkozin (Cu2S)

halkopirit

malahit

azurit

kuprit

Značaj bakra

Biogeni mikroelementZastupljenost u organizmu:

-ćelijsko jedro-citoplazma ćelije

• Uloga:oksidacijski enzimi

Cu2+ +e → Cu+

• Otrovan za mikroorganizmeCu2+ -ioni

Osobine bakraFizička svojstva:• mekani metal crvene boje• žilavost• termička vodljivost• električna vodljivost• legiranje• otporan na koroziju• Upotreba: žice, krovovi,

oluci, parni kotlovi, kazani• legura mesing (Cu+Zn),

legura bronza(Cu+Sn)

• Inertan metal• Otporan na kiseline• Rastvaranje - vruće

oksidirajuće kiseline• Zaštitini sloj oksida

Cu2O• Zaštitini sloj patine

(hidroksidi, karbonati)

3

Jedinjenja bakra

�OksidiBakar(I)- oksid Cu2OBakar(II)-oksid CuO

�HidroksidiBakar(I)-hidroksid CuOHBakar(II)-hidroksid Cu(OH)2

�HalogenidiCu(I) i Cu(II)CuCl2 bakar(II)-hlorid

�SulfidiBakar(I)-sulfid Cu2SBakar(II)-sulfid CuS

�SulfatiBakar-(II)sulfat CuSO4

Cu(I)- jedinjenja

Svojstva:

• obično slabo topiva u vodi;• nisu stabilna u vodenom rastvoru;

• izraženo disproporcioniranje.

Cu2O• oksid crvene boje• netopiv u vodi• bazična svojstva• dokazivanje šećera u krvi (Fellingova reakcija).

Cu(II)- jedinjenja

• Hidratizirani Cu2+ ioni:Cu[(H2O)4]2+ - plave bojeRastvori Cu2+ soli reaguju kiselo:

Cu[(H2O)4]2+ +H2O → H3O+ + Cu[(H2O)3(OH)]+

JedinjenjaCuO (crne boje)CuCl2 ·2 H2O (plave boje)CuSO4 ·5 H2O (modra galica)Cu(OH)2- plave boje

rastvor bakar(II) -sulfata

kristali modre galice

Jedinjenja bakraBakar(II)-sulfat anhidrirani• bijele boje• veže vodu• otapa se u vodi• gradi komplekseCuSO4 ·5 H2O• modra galica• ne otapati u tvrdoj vodi!

Upotreba:• insekticid• fungicid• anhidrirani - sredstvo

za sušenje• Švajcerov reagens

[Cu(NH3)4](OH)2

4

ManganZastupljenost• Zemljina kora• Iza željeza

– Piroluzit (MnO2)– Hausmanit (Mn3O4)– Braunit (Mn2O3)– Silikati

hausmanitbraunit

piroluzit

Biogeni mikroelement

• Biljni pepeo

• Katalitička uloga

• Aktivator enzima• Ubrzava rast biljaka

• Stvaranje klorofila

• Ulazi u sastav nekih enzima

Uloga i značaj mangana

Jedinjenja manganaOksidacijska stanja: (+2) – (+7)

• Oksidi

MnO bazičan zelene boje ne otapa se

Mn2O3 bazičan smeđe boje ne otapa seMnO2 amfoteran smeđe boje ne otapa se

Mn2O7 kiseo zelene boje otapa se

Mn2+ ili Mn(H2O)62+ blijedoružičast

MnO42- manganat zelene boje

MnO4- permanganat ljubičaste boje

Važnija jedinjenja mangana

Mangan (IV)-oksid (MnO2)Osobine:

- prah smeđe boje, netopiv u vodi, otapa se u kiselinama i bazama. U bazama gradi manganate. Jako je oksidacijsko sredstvo.

Manganati (MnO42-)

Manganatna kiselina H2MnO4

Osobine:-stabilni u baznoj sredini, - u kiseloj se disproporcioniraju:3 MnO4

2- + H+ → 2 MnO4- + MnO2(s) + 2 H2O

5

Permanganat

Kalij-permanganat KMnO4Osobine:• čvrst supstanca, ljubičaste boje;• jako oksidacijsko sredstvo.Kisela sredina:

MnO4- + 8 H+ → Mn2+ + 4 H2O

Bazična i neutralna sredina:MnO4

- + 2 H2O → MnO2 + 4 OH-

Upotreba: fungicidno sredstvo, oksidans, analitički reagens.

čvrsti kalij -permanganat

rastvor permanganata

Željezo

• Trijada željeza: Fe, Co, Ni. • Elektronska koniguracija:1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 3d6 4s2

• Stabilna oksidacijska stanja : (+2), (+3)• Negativni redoks potencijal• Koncentrovane oksidirajuće kiseline -pasivacija• Izrazit feromagnetizam• Sposobnost stvaranja kompleksa• Biogeni element

Zastupljenost

Zemljina kora (5 mas%)SilikatiOksidiMagnetit Fe3O4

Hematit Fe2O3

Limonit Fe2O3 · H2OKarbonatiSiderit FeCO3

Sulfidi

Pirit (FeS2)

magnetit

pirit siderit

limonit

Uloga i značaj željeza

Mikrobiogeni element

• Bioraspoloživost: Fe2+, helatni kompleksi.

• Učestvuje u redoks - procesima (prenosa elektrona).

• Sastavni dio redoks - enzima (ferodoksin).• Hemoglobin krvi (proces disanja).

6

Željezo• Osobine:

– srebrenobijeli metal– rastegljivost– kovljivost– otapanje u razblaženim kiselinama– sposobnost pasivacije ( koncentrovana HNO3,

H2SO4).– hrđanje željeza (Fe2O3·3 H2O)

Upotreba: izrada čelika i drugih legura.

Čelik - sadržaj karbona je manji od 1,7 mas%.

Legirani čelici - visoka tvrdoća, čvrstoća , otpornost na koroziju itd.

Pregled jedinjenja željeza

Fe(II)- jedinjenja• FeO željezo(II)-oksid• Fe(OH)2 željezo(II)-

hidroksid• FeS željezo(II)-sulfid• FeSO4 željezo(II)-sulfat• [(NH4)2Fe(SO4)2 ]·6 H2O• Morova so• Fe(II) – tendencija da se

oksidira

Fe(III)- jedinjenja• Fe2O3 željezo(III)-oksid• FeCl3 željezo(III)-klorid• Fe(OH)3 željezo(III)-

hidroksid• stabilni na zraku• Fe3+-ion – slabo izražena

oksidirajuća svojstva

Jedinjenja dvovalentnog željezaŽeljezo(II)-oksid FeO

- crni prah, rastvorljiv u kiselinama.• Željezo(II)-hidroksid Fe(OH)2

• Bijeli talog, nije stabilan, stajanjem pocrni (oksidacija)

• Željezo(II)-sulfat heptahidrat FeSO4· 7H2Ozelena galicatotalni herbicid, zaštita drveta (fungicid)Hidratacija Fe2+ iona:Fe(H2O)6

2+ - blijedozelene boje

Jedinjenja dvovalentnog željeza

•Željezo(II)-karbonat FeCO3rastvara se u kiselim vodama

FeCO3 + H2O + CO2 → Fe(HCO3)2

•Kalij-heksacijanoferat(II) K4[Fe(CN)6]žuta krvna soanalitički reagens

7

Jedinjenja trovalentnog željeza

• Željezo(III)-oksid Fe2O3

Amfoteran oksid, crvene boje rastvara se u kiselinama i bazama

Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3H2OFe2O3 + Na2O → 2 NaFeO2 (natrijum-ferit)• Željezo(III)-hidroksid Fe(OH)3

• Fe(OH)3 → Fe2O3·H2O → FeOOHCrveno-smeđa supstanca, amfoterna

• Kalij-heksacijanoferat(III) K3[Fe(CN)6]- crvena krvna so– analitički reagens

Atmosfera i strukturaAtmosfera i struktura

Hemijski sastav atmosfereHemijski sastav atmosfere

Ime Simbol Vol%

Nitrogen N2 78

Oksigen O2 21

Argon Ar 0,9

Karbon(IV)-oksid CO2 0,037

Neon Ne 0,018

Metan CH4 0,0002

Helijum He 0,00052

Kripton Kr 0,00011

Hidrogen H2 0,00005

Ksenon Xe 0,00000087

Stratosfera:

N2, O2, O3, H, OH

N2+, O2

+, NO+, O+

Mezosfera:

N2, O2, ionizirane čestice (O2

+, NO+)

Ozonski omotaOzonski omotačč i formiranjei formiranje

O2 + hν → 2 O

O + O2 → O3*

O3* + M → O3 + M*

Fotolitičko stvaranje ozona, λ = 240 nm ( UV zračenje)

Ozonski omotač:

-traka debljine oko 20 km

Područje prostiranja:

•17- 90 km

• h max = 50 km

8

Uloga ozonskog omotaUloga ozonskog omotaččaaUticaj UV- zračenja:

-oštećenje vida (katarka)

- oštećenje kože

-opekotine

-rak kože

UV-A (315 - 400 nm)

propušteno zračenje

UV-B (280 - 315 nm)

djelomična apsorpcija

UniUnišštavanje ozonskog omotatavanje ozonskog omotaččaa•Okidi nitrogena (NO, NO2)

Djelovanje: uklanjanje oksigena

O3 + NO → O2 + NO2

NO2 + O → NO + O2

• Freoni (CFC)

Hemijski sastav: hlorofluorokarboni

Osobine: gasovi ili tekućine inertni, netoksični, nezapaljivi

Dejstvo: CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

Freoni i upotrebaFreoni i upotreba

Freoni:

Freon 11 (CFCl3)

Freon 12 (CF2Cl2)

Freon 113 (C2F3Cl3)

Freon 114 (C2F4Cl2)

Sadržaj freona u atmosferi 0,35 ppm

Upotreba freona:

Vrijeme zadržavanja: 70-200 godina

Sredstva za hlađenje:

klima-komore

uređaji za hlađenje

Aerosoli:

dezodoransi

-parfemi

lakovi za kosu

Troposfera i polutantiTroposfera i polutanti• Polutanti - supstance koje pod normalnim uslovima

nisu prisutne ili se nalaze u koncentracijama većim od uobičajenih.

• Podjela polutanata prema mjestu nastanka:• Primarni - dospjevaju u atmosferu iz prirodnih ili

antropogenih izvora.– CO, CO2, SO2, NO, NOx, organske komponente, čestična

materija, metalni oksidi, mirisi, otrovne supstance.

• Sekundarni - formiraju se naknadnim reakcijama u troposferi (fotohemijski smog - ozon, PAN, H2O2).

9

�Pojave kao rezultat prisustva polutanata u atmosferi:

• Kisele kiše

• Industrijski smog

• Fotohemijski smog

• Efekat staklene bašte

Troposfera i polutantiTroposfera i polutanti Kisele kiKisele kiššee

•Prirodni izvori: vulkani, raspad organske materije, raspršenje morske vode.

Antropogeni izvori:

- SO2: petrohemijska industrija, termoelektrane, sagorijevanje fosilnih goriva( transport);

5% ukupne emisije (transport).

- NOx: sagorijevanje fosilnih goriva (automobili), industrija, termoelektrane;

45-50 % ukupne emisije (transport).

Oksidi: SO2, SO3, NO2

Formiranje H2SO4, HNO3

Depozicija: suha i mokra

pH vrijednosti kišnice:

Normalna vrijednost: 5-7

Kisele kiše: 3-4

Formiranje kiselih kiFormiranje kiselih kiššaaFormiranje oksida SO2, NOx

Efekat kiselih kiEfekat kiselih kiššaa-korozija metala, automobila

-oštećenje fasada i spomenika u gradovima

-zakiseljavanje jezera i rijeka

-uništavanje usijeva i šuma

-acidifikacija tla i oslobađanje toksičnih iona Al3+

10

Industrijski smogIndustrijski smogPolutanti:

SO2, SO3, NH3, (NH4)2SO4, čestice prašine, dim i čađ.

Antropogeni izvori: sagorjevanje uglja, fabrike, termoelektrane, čeličane.

Pojava: urbana, industrijska područja (zimski period).

Čestična materija (aerosoli 1µm ili manje)

Procesi formiranja: nepotpuno sagorjevanje uglja i goriva (25 % ukupne emisije -transport).

Čestična materija je KANCEROGENA!

Oksidi sumpora:

-iritansi respiratornog sistema

- izazivaju oštećenje pluća

-smanjena vidljivost

Sinergistički efekti na ljude oksida sumpora i čestične materije: oštećenje plućnih alveola i pojava emfizema pluća.

Efekat industrijskog smogaEfekat industrijskog smoga

Efekt SO2 na biljke:

-toksičnost (0,02 ppm)

-fitotoksičnost

-smanjen prirast

- odumiranje stabala

-oštećenje listova

-hloroza

Efekat čestične materije:

-depozicija na lišću,

-smanjenje intenziteta fotosinteze,

-smanjenje rasta biljaka.

Uticaj na biljkeUticaj na biljke Fotohemijski smogFotohemijski smogTri faktora neophodna za formiranje smoga:

- oksidi nitrogena NOx (NO, NO2)

- volatilna organska materija (VOC)

- UV zračenje

Fotohemijski smog:O3

H2O2

slobodni radikaliPAN (peroksoacilnitrati)toksične materije

11

Fotohemijski smogFotohemijski smogOksidi nitrogena (NO, NO2)Formiranje i uloga:-nepotpuno sagorjevanje-katalizatori u formiranju O3

- sastojak kiselih kiša

Dejstvo:-jaki iritansi respiratornog sistema-NO2 toksičan-usporavaju rast biljaka

Fotokemijski smogFotokemijski smogOzonNormalna koncentracija (0,01 ppm)Toksična koncentracija (0,15 ppm)

Karakteristike i dejstvo:

-jak oksidans

- otrovan

-iritacija očiju

-iritacija pluća

-inhibicija fotosinteze

-oštećenje ćelijskih membana

-oštećuje metale i beton

Peroksoacilnitrati (PAN)

Karakteristike i dejstvo:

- jaki oksidansi

-štipaju za oči

-zagušljivi

-otežavaju disanje

-fitotoksični

Gasovi staklenika:CO2 ,O3 H2O, CH4, N2O, freoni .

Najvažniji staklenički gas: CO2

Održavanje konstantne prosječne temperature planete (20oC).

Efekat staklenikaEfekat staklenika

Doprinos gasova staklenika efektu staklene bašte izražen u procentima

40 % povećanje od industrijske revolucije

SadrSadržžaj COaj CO22 u atmosferiu atmosferi

387 ppmv 2008. godine 1970-2000 1,5 ppm /g

2000-2007 2,1 ppm/g

US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

12

Globalno zagrijavanjeGlobalno zagrijavanje• Povećanje temperature na Zemlji za 0,74 ±0,18 oC

(1905-2005)• 1990 najtoplija dekada• Modelna predviđanja:• povećanje temperature za 1,5oC – 5,0 oC

Posljedice globalnog zagrijavanjaPosljedice globalnog zagrijavanja

• Topljenje glečera

• Povećanje nivoa mora

• Prirodne katastrofe (suše, poplave, požari)• Deforestacija

• Izumiranje biljnih i životinjskih vrsta