Podcast na Chemie přechodných prvků a jejich sloučenin

Kapitoly

Úvod do železa

Kde se železo bere?

Důležité sloučeniny

Výroba železa ve vysoké peci

Zrození oceli

Kov doby bronzové

Modrá skalice a slitiny

Výskyt a vlastnosti

Sloučeniny a lapis

Kouzlo fotografie

Jak se těží zlato

Nezničitelný kov

Karáty a využití

Šéf skupiny, co není tak úplně d-prvek

Od rudy k plechu

Mosaz, plechy a zinková mast

Lesklý a odolný chrom

Hodný Cr³⁺ a zlý Cr⁶⁺

Nenápadní dříči

Mangan a jeho barvy

Od burele k zelené

Hvězda jménem manganistan

Závěrečné shrnutí

Přepis

Jakub: Okay, tohle jsem vůbec netušil – a myslím, že to musí slyšet každý. Že železo je čtvrtý nejrozšířenější prvek v zemské kůře, ale v čisté formě ho vlastně skoro nikdy nevidíme? To je fascinující!

Natálie: Přesně tak, Jakube. Většinou je schované ve sloučeninách, kterým říkáme rudy. A právě o tom si dnes povíme.

Jakub: Skvěle! Posloucháte Studyfi Podcast a my se noříme do světa železa. Takže, když se řekne železo, co bychom si měli představit jako první? Kromě toho, že rezaví.

Natálie: K rezavění se dostaneme! Ale v čistém stavu je to lesklý, stříbřitý a kujný kov. Není ani moc tvrdý. A hlavně je feromagnetické, což znamená, že ho může přitahovat magnet.

Jakub: Jasně, to známe z fyziky. A co ta chemická stránka? Jak se chová v reakcích?

Natálie: Většinou se s ním setkáme v oxidačních číslech plus dva a stabilnějším plus tři. A jak jsi zmínil, jeho nejslavnější reakcí je oxidace, tedy koroze. Lidově rezavění.

Jakub: Dobře, takže je všude kolem nás, ale vázané. V čem konkrétně?

Natálie: Těm sloučeninám se říká železné rudy. Asi nejznámější je krevel, neboli hematit, což je oxid železitý. Pak máme magnetit, ten je, jak název napovídá, magnetický.

Jakub: Hematit… to zní trochu jako krev. Je tam nějaká spojitost?

Natálie: Výborný postřeh! Ano, hemoglobin v naší krvi obsahuje právě ionty železa, které vážou kyslík. Takže ano, jsme tak trochu chodící kusy železa.

Jakub: Tak to je skvělá mnemotechnická pomůcka! Jaké další rudy jsou důležité?

Natálie: Ještě pyrit, kterému se pro jeho zlatavou barvu přezdívá „zlato hlupáků“, a siderit.

Jakub: A co když už máme železo z rudy venku? Jaké tvoří sloučeniny kromě rzi?

Natálie: Je jich spousta. Třeba zelená skalice, to je heptahydrát síranu železnatého. Používá se k moření dřeva. Nebo chlorid železitý, který se využívá při výrobě tištěných spojů.

Jakub: Slyšel jsem o nějakých „krevních solích“. To zní trochu děsivě.

Natálie: Není se čeho bát. Jsou to komplexní sloučeniny. Máme žlutou krevní sůl a červenou krevní sůl. Pro nás je klíčové, že se používají jako důkazové reakce na přítomnost železnatých a železitých iontů. To se u maturity může hodit!

Jakub: Fajn, pojďme k té výrobě. Jak tedy z toho kusu kamene, z té rudy, dostaneme čistý kov?

Natálie: Děje se to ve vysoké peci. Je to obrovská, asi třicetimetrová věž. Shora se do ní sype takzvaná vsázka – směs rudy, koksu a vápence.

Jakub: Koks je palivo, to dává smysl. Ale proč vápenec?

Natálie: Vápenec na sebe váže nečistoty z rudy a vytváří takzvanou strusku, která plave na povrchu roztaveného železa a chrání ho. Dole se pak vhání horký vzduch, koks hoří a oxid uhelnatý „krade“ kyslík z rudy. Tomu se říká redukce.

Jakub: Takže z oxidu železitého zbyde jenom... železo?

Natálie: Přesně tak! Na dně pece se hromadí roztavené surové železo. To ale ještě není konečná. Je dost křehké, protože obsahuje hodně uhlíku.

Jakub: A z toho křehkého železa se vyrábí ocel, že? Jak?

Natálie: Přesně. Ocel je slitina železa s méně než 1,7 % uhlíku. Musíme tedy ten přebytečný uhlík ze surového železa odstranit. Většinou se to dělá tak, že se do roztaveného železa vhání kyslík, který s uhlíkem zreaguje a „vypálí“ ho jako oxid uhličitý.

Jakub: A to je všechno? Tím vznikne ocel?

Natálie: To je základ. Pak se ocel může dál upravovat. Třeba kalením, kdy se rychle zchladí, aby byla tvrdá. Nebo se do ní přidávají další kovy – legury. Tím vzniká legovaná ocel.

Jakub: Jako třeba nerez?

Natálie: Přesně! Nerezová ocel je slitina železa s chromem a niklem. Díky tomu je odolná proti korozi. Takže jsme se od rzi dostali až k nerezu.

Jakub: Perfektní! Tím jsme krásně uzavřeli kruh. Bylo to super. A hned po krátké pauze se podíváme na další prvek, který dal jméno celé jedné epoše – na měď.

Natálie: Přesně tak. A měď je naprosto fascinující. Společně se stříbrem a zlatem patří do jedenácté skupiny periodické tabulky. Všechny mají podobnou elektronovou konfiguraci s jedním elektronem v s-orbitalu.

Jakub: Aha, takže by se mohly chovat jako alkalické kovy? Ty mají taky jeden.

Natálie: Dobrá poznámka! Ale právě díky zaplněným d-orbitalům jsou mnohem méně reaktivní. Proto se jim říká ušlechtilé kovy. A mohou mít i vyšší oxidační stavy, u mědi nejčastěji +1 a +2.

Jakub: Takže je najdeme v přírodě i jen tak, samotné?

Natálie: Přesně. Vyskytují se i ryzí, i když je to vzácné. Většinou se těží z rud jako je chalkopyrit. Z něj se pak složitým procesem, kterému se říká pražení a tavení, vyrábí surová měď. Ta se pak ještě čistí elektrolýzou.

Jakub: To zní složitě. Ale výsledek stojí za to. Je to ten načervenalý, krásně vodivý kov, že?

Natálie: Přesně! Je měkká, kujná a hlavně skvělý elektrický a tepelný vodič. A na rozdíl od železa, na vzduchu nekoroduje klasickou rzí.

Jakub: Počkat, ale co třeba staré střechy nebo sochy? Ty jsou často zelené.

Natálie: Správně! To je takzvaná měděnka. Je to vlastně směs uhličitanu a hydroxidu měďnatého. Důležité je, že tato vrstva kov chrání před další korozí. Takže Socha Svobody není nemocná, jen má skvělý ochranný nátěr od přírody.

Jakub: To je geniální marketing! A co nějaké známé sloučeniny, kromě té zelené?

Natálie: Určitě modrá skalice, tedy pentahydrát síranu měďnatého. To jsou ty krásné modré krystaly. Používá se třeba k dezinfekci vody v bazénech nebo jako postřik proti škůdcům.

Jakub: Jasně. A samozřejmě slitiny! Bronz, mosaz…

Natálie: Přesně. Bronz je slitina mědi a cínu, mosaz zase mědi a zinku. Využití je obrovské – od mincí přes hudební nástroje až po dráty v každé zdi.

Jakub: Takže od mědi k dalšímu velkému hráči... stříbru. Značka Ag. To se v přírodě válí jen tak, nebo je schované v kamení?

Natálie: Obojí! Můžeme ho najít jako ryzí kov, takové ty krásné plíšky nebo drátky. Ale častěji je vázané v rudách, třeba v argentitu. To je sulfid stříbrný.

Jakub: A je tam samo?

Natálie: Málokdy. Většinou doprovází rudy mědi, olova nebo zinku. Proto se taky často získává z takzvaných anodových kalů při výrobě mědi.

Jakub: Jasně. A co jeho vlastnosti? Vím, že skvěle vede elektřinu a teplo, ale taky že mi doma černají stříbrné lžičky.

Natálie: Přesně. To je jeho slavná slabina. Reaguje se sirovodíkem, který je v malém množství všude ve vzduchu, a vytvoří se tenká vrstvička černého sulfidu stříbrného.

Jakub: Takže to není špína, ale chemie! To musím říct doma. A co jiné sloučeniny? Známe třeba lapis.

Natálie: Ano, dusičnan stříbrný, neboli lapis infernalis, pekelný kamínek. Je to oxidační činidlo a dřív se hodně používal k dezinfekci, třeba k leptání bradavic.

Jakub: Pekelný kamínek, to zní drsně. Existují i nějaké méně... agresivní sloučeniny?

Natálie: Určitě. Třeba nerozpustné soli. Když do roztoku stříbrné soli přidáš chlorid, bromid nebo jodid, vysráží se ti sraženiny různých barev. Bílá, nažloutlá, žlutá...

Jakub: To jsou ty důkazové reakce, co děláme v laboratoři! A jedna z nich je extra slavná, že?

Natálie: Přesně tak! Bromid stříbrný. Je totiž extrémně citlivý na světlo. A to je základ celé klasické, černobílé fotografie.

Jakub: Jak to funguje? Světlo ho nějak rozbije?

Natálie: V podstatě ano. Dopadající foton způsobí, že se iont stříbra Ag⁺ zredukuje na kovové stříbro Ag⁰. Vytvoří se takzvaný latentní obraz, který je okem neviditelný.

Jakub: A ten se pak zviditelní ve vývojce. Fascinující. Takže bez chemie stříbra by nebyly staré fotky.

Natálie: Přesně tak. Od klenotnictví, přes medicínu až po umění.

Jakub: Super. A co jeho ještě slavnější a dražší kolega? Pojďme se podívat na zlato.

Natálie: Přesně. Zlato, symbol Au, je fascinující. Většinou je vázané v horninách, ty slavné zlaté nugety jsou spíš vzácnost. Rýžování v řekách funguje jen díky erozi, která zlato uvolní.

Jakub: Takže rýžování jako ve westernech je jen špička ledovce. Jak se tedy těží průmyslově z kamene?

Natálie: Jsou dvě hlavní metody. Ta starší je amalgamace. Rozemletá hornina se smíchá se rtutí a zlato se v ní rozpustí jako cukr v čaji. Vznikne slitina, amalgám.

Jakub: A z toho se pak ta rtuť nějak dostane pryč?

Natálie: Přesně, prostě se oddestiluje. Druhá, modernější metoda, je kyanidové loužení, kde zlato rozpustíme v roztoku kyanidu. Je efektivnější, ale… ekologicky náročnější.

Jakub: Rozumím. Takže zlato je extrémně nereaktivní. Proto je tak ceněné, že? Prostě se nemění.

Natálie: Přesně tak. Je to jeden z nejušlechtilejších kovů. Nereaguje skoro s ničím. S žádnou běžnou kyselinou ani zásadou.

Jakub: Skoro s ničím? Takže něco přece jen existuje?

Natálie: Ano. Jmenuje se to lučavka královská. Je to směs kyseliny chlorovodíkové a dusičné a je to jedna z mála věcí, co zlato rozpustí.

Jakub: Lučavka královská! To zní dramaticky. A co ty karáty, které vidíme u šperků?

Natálie: To je jen míra čistoty. Představ si, že celek rozdělíš na 24 dílů. Čisté zlato má 24 karátů. Takový 14karátový šperk pak obsahuje 14 dílů zlata a 10 dílů jiných kovů, třeba stříbra nebo mědi.

Jakub: Aha! To dává smysl. Proto ho najdeme nejen v klenotnictví, ale i v medicíně nebo v mobilech. Je stálé a skvěle vodivé. Super. A co prvek, který dal jméno celé téhle skupině v tabulce?

Natálie: Přesně tak! Mluvíš o zinku. Ten dal jméno celé 12. skupině.

Jakub: A proč je tak důležitý? Je v něm něco extra speciálního?

Natálie: Je to tak trochu paradox. I když ho řadíme k d-prvkům, elektrony z jeho d-orbitalu jsou hrozně líné a do chemických vazeb se jim vůbec nechce.

Jakub: Takže se chová jinak?

Natálie: Přesně. Všechnu práci odmakají jen dva elektrony z orbitalu s. Proto má zinek ve sloučeninách vždy oxidační číslo plus dvě. Je v tomhle ohledu velmi... předvídatelný.

Jakub: To se mi líbí. Žádné složitosti. A jak vypadá?

Natálie: Je to stříbrolesklý, neušlechtilý kov. Ale co je super, na vzduchu se pokryje tenoučkou vrstvičkou, která ho chrání a on pak dál nekoroduje.

Jakub: A kde ho v přírodě najdeme? Roste na stromech?

Natálie: To zrovna ne. Většinou je vázaný v rudách. Nejznámější je sfalerit, což je sulfid zinečnatý, nebo kalamín, uhličitan zinečnatý.

Jakub: A jak se z té rudy dostane čistý kov?

Natálie: Nejprve se ruda takzvaně upraží. Tím získáme oxid zinečnatý. No a ten pak v peci zredukuješ uhlíkem. Je to vlastně docela klasický postup.

Jakub: Jednoduše řečeno, vezmeš kámen, opečeš ho a získáš kov. To zní jako z nějaké videohry!

Natálie: Přesně tak! Ale nesmíme zapomenout, že zinek je i biogenní prvek. Máme ho v kostech, vlasech a je součástí spousty enzymů. Samozřejmě jen ve stopovém množství.

Jakub: Takže k čemu se nejvíc používá? První mě napadnou pozinkované plechy.

Natálie: To je ono! Galvanické pokovování je jeho hlavní role. Železo se potáhne zinkem a je chráněné proti rzi. Je to skvělá a levná ochrana.

Jakub: A co slitiny? Slyšel jsem o mosazi.

Natálie: Ano, mosaz je slitina mědi a zinku. Používá se na hudební nástroje, kliky u dveří... A pak je tu třeba alpaka, slitina zinku, mědi a niklu, ze které se dělají třeba příbory.

Jakub: Super. A co jeho sloučeniny? Nějaké známe z běžného života?

Natálie: Určitě. Třeba oxid zinečnatý, takzvaná zinková běloba. Používá se jako bílý pigment do barev nebo v lékařství.

Jakub: Počkat, to je ta bílá mastička, kterou se člověk natře, když se spálí na slunci, a pak vypadá jako duch?

Natálie: Přesně ta! Důležité je pamatovat, že nerozpustné sloučeniny jako tahle jsou v pohodě. Ale ty rozpustné, třeba síran zinečnatý, jsou jedovaté.

Jakub: Rozumím. Zinek je tedy super užitečný a v malém množství i pro tělo důležitý. Platí to i pro jeho sousedy v tabulce, jako je kadmium?

Natálie: Kadmium? To je úplně jiná písnička a ne zrovna veselá. To je jeden z těch těžkých kovů, kterým se chceš vyhnout. Ale když už jsme u sousedů, pojďme se podívat na chrom. Ten je fascinující!

Jakub: Chrom? Myslíš ten lesklý kov na náraznících starých aut?

Natálie: Přesně ten! Patří do VI.B skupiny, spolu s molybdenem a wolframem. A je neuvěřitelně tvrdý, odolný proti korozi a má vysokou teplotu tání. Proto se skvěle hodí na legování oceli nebo ochranné pokovování.

Jakub: Takže takový superhrdina mezi kovy?

Natálie: Víceméně. Ale jako každý správný superhrdina... má i svou temnou stránku. Všechno záleží na jeho oxidačním stavu.

Jakub: Oxidační stav? Jakože může být hodný i zlý?

Natálie: Přesně tak! V oxidačním stavu +III je chrom v pohodě. V malém množství ho dokonce potřebujeme pro metabolismus tuků. Jeho oxid, Cr₂O₃, je známý jako „chromová zeleň“ a používá se jako pigment třeba při tisku bankovek.

Jakub: Počkat, takže zelená barva na penězích je vlastně chrom? To abych si začal šetřit na vlastní tiskárnu!

Natálie: To radši nezkoušej. Ale pak je tu oxidační stav +VI. A ten je naopak vysoce toxický a karcinogenní. To je ta odvrácená tvář.

Jakub: Aha, chápu. A jaké jsou to sloučeniny?

Natálie: Jde hlavně o soli. Žluté chromany a oranžové dichromany. Jsou to silná oxidační činidla a používají se v průmyslu, ale musí se s nimi zacházet extrémně opatrně.

Jakub: Takže abych to shrnul: chrom jako kov je super na nerez ocel a chromování, trojmocný je zelený a v pohodě, a šestimocný je oranžový a jedovatý.

Natálie: Líp bych to neřekla. Je to skvělý příklad toho, jak jeden prvek může mít dvě naprosto odlišné tváře. A podobně zajímavý je i další prvek v téhle skupině...

Jakub: A který prvek to je? Jsem zvědavý!

Natálie: Jsou to hned dva – molybden a wolfram. Jsou to takoví tiší, ale neuvěřitelně pracovití příbuzní chromu.

Jakub: Molybden... to jméno moc často neslýchám. Co je jeho hlavní role?

Natálie: Je to mistr slitin. Sám o sobě není moc reaktivní, ale když ho přidáš do oceli, stane se z ní super-materiál. Extrémně tvrdý, odolný vůči vysokým teplotám i korozi. Používá se třeba v leteckých motorech.

Jakub: Aha! Takže takový superhrdina v pozadí. A co ten druhý, wolfram? Ten název zní německy, ne?

Natálie: Přesně tak, znamená to "vlčí pěna". Je to kvůli minerálu wolframitu. Wolfram je hlavně známý dvěma věcmi: je neuvěřitelně hustý a má nejvyšší bod tání ze všech kovů.

Jakub: Nejvyšší ze všech? Páni. Takže proto ty žárovky?

Natálie: Přesně. To tenké vlákno se muselo rozžhavit do běla, aniž by se roztavilo. To zvládne jen wolfram. Dneska ho najdeš třeba ve speciálních svářecích elektrodách.

Jakub: Takže abychom to shrnuli: molybden dělá ocel nezničitelnou a wolfram snese jakýkoliv žár. Fascinující.

Natálie: Krásně řečeno. Jsou to prostě specialisté na extrémní podmínky.

Jakub: Skvělé! Šestá skupina za námi. Pojďme se vrhnout na sedmou. Tam na nás čeká mangan, je to tak?

Natálie: Přesně tak. Po specialistech na extrémy přichází prvek, který bych nazvala spíš chameleonem. Mangan je totiž mistr v měnění oxidačních čísel a s tím i barev.

Jakub: Chameleon? To zní zábavně! Tak jaké barvy umí?

Natálie: Začíná to celkem nenápadně. V oxidačním stavu plus dvě jsou jeho sloučeniny v roztoku takové... pleťové. Skoro bezbarvé.

Jakub: Takže to je takový ten základní nátěr, než se začne vybarvovat?

Natálie: Přesně! Ale už tady umí zajímavé reakce. Třeba když smícháme burel, tedy oxid manganičitý, s kyselinou chlorovodíkovou, vznikne nám právě sůl manganu a jako bonus se uvolní chlor.

Jakub: Burel, to zní povědomě. To je ta hnědočerná pevná látka, že?

Natálie: Ano, to je oxidační stav plus čtyři. A je super stabilní a užitečný. Používá se v ocelářství, do barev, keramiky nebo třeba do baterií, těch suchých článků.

Jakub: A co ty další barvy? Slíbila jsi chameleona!

Natálie: Neboj, už se k tomu dostáváme! V oxidačním stavu plus šest tvoří manganany, a ty jsou typicky zelené. Jsou ale stálé jen v zásaditém prostředí.

Jakub: A vrchol přichází kdy?

Natálie: Teď! V oxidačním stavu plus sedm máme manganistany. A ten nejznámější je manganistan draselný, KMnO₄. To je ta slavná, sytě fialová látka!

Jakub: Jasně, hypermangan! To znám, používá se k dezinfekci, že?

Natálie: Přesně. Je to extrémně silné oxidační činidlo a jeho barva se mění podle prostředí, ve kterém reaguje. V kyselém se odbarví, v neutrálním zhnědne... je to takový chemický semafor.

Jakub: Páni. Takže chrom, molybden, wolfram a teď tenhle barevný mangan. Šestá a sedmá skupina jsou fakt fascinující. Díky moc, Natálie, za skvělé vysvětlení.

Natálie: Já děkuji za skvělé otázky, Jakube. Doufám, že jsme vás u poslechu také nadchli.

Jakub: Určitě ano. Tak zase příště u dalšího dílu Studyfi Podcastu. Mějte se hezky!

Natálie: Na slyšenou.