T.C. MİLLİ EĞİTİM BAKANLIĞI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) KİMYA TEKNOLOJİSİ METALLER 2 ANKARA 2008
Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının 02.06.2006 tarih ve 269 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan 42 alan ve 192 dala ait çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşılabilirler. Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR... V GİRİŞ...1 ÖĞRENME FAALİYETİ-1...3 1. BAKIR...3 1.1. B Grubu Elementleri...3 1.2. Alaşım...3 1.2.1. Alaşımların Yapısı...4 1.2.2. Alaşımların Özellikleri...4 1.3. Grup I B Elementleri...4 1.4. Genel Özellikleri...6 1.4.1. Fiziksel Özellikleri...6 1.4.2. Kimyasal Özellikleri...7 1.5. Bakırın Doğada Bulunuşu...7 1.6. Bakırın Elde Edilmesi...8 1.7. Bakırın Özellikleri...10 1.8. Bakırın Kullanıldığı Yerler...11 1.9. Laboratuvarda Bakır (II) Nitratın Elde Edilmesi...11 UYGULAMA FAALİYETİ...12 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...13 ÖĞRENME FAALİYETİ-2...15 2. BAKIRIN ÖNEMLİ BİLEŞİKLERİ...15 2.1. Oksijenli Bileşikleri...15 2.1.1. Küproz Oksit [Cu 2 O ]...15 2.1.2. Küprik Oksit [CuO ]...16 2.2. Halojenürleri...17 2.2.1. Bakır (I) Halojenürleri...17 2.2.2. Bakır (II) Halojenürleri [ CuX 2 ]...17 2.3. Sülfürleri...18 2.3.1. Bakır (I) Sülfür [ Cu 2 S ]...18 2.3.2. Bakır (II) Sülfür [ CuS ]...18 2.4. Bakır (II) Sülfat [ CuSO 4 ]...19 2.5. Bakırın Alaşımları...19 2.6. Laboratuvarda Bakır (II) Sülfatın Elde Edilmesi...20 UYGULAMA FAALİYETİ...21 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...23 ÖĞRENME FAALİYETİ-3...25 3. GÜMÜŞ...25 3.1. Doğada Bulunuşu...25 3.2. Elde Edilmesi...25 3.2.1. Yan Ürün Olarak Elde Edilmesi...25 3.2.2. Minerallerinden Gümüş Elde Edilmesi...26 3.3. Elektrolitik Saflaştırma...27 3.4. Gümüşün Özellikleri...27 3.5. Kullanıldığı Yerler...28 3.6. Önemli Bileşikleri...29 i
3.6.1. Gümüş Oksit [Ag 2 O ]...29 3.6.2. Halojenürleri...30 3.6.3. Gümüş Sülfür [ Ag 2 S ]...31 3.6.4. Gümüş nitrat [ AgNO 3 ]...31 3.7. Alaşımları...32 3.8. Laboratuvarda Gümüş Aynası Elde Edilmesi...32 UYGULAMA FAALİYETİ...33 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...35 ÖĞRENME FAALİYETİ-4...37 4. ÇİNKO...37 4.1. Grup II B Elementleri...37 4.2. Grup II B Elementlerinin Özellikleri...38 4.2.1. Fiziksel Özellikleri...38 4.2.2. Kimyasal Özellikleri...38 4.3. Çinkonun Doğada Bulunuşu...39 4.4. Çinkonun Elde Edilmesi...39 4.5. Çinkonun Özellikleri...40 4.6. Çinkonun Kullanıldığı Yerler...41 4.7. Önemli Bileşikleri...42 4.7.1. Çinko Oksit [ ZnO ]ve Çinko Hidroksit [ Zn(OH) 2 ]...42 4.7.2. Çinko Halojenürleri...43 4.7.3. Çinko Sülfür [ ZnS ]...44 4.7.4. Çinko Sülfat [ ZnSO 4 ]...44 4.8. Alaşımları...45 4.9. Çinko Hidroksidin Amfoter Özelliğinin İncelenmesi...45 UYGULAMA FAALİYETİ...46 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...48 ÖĞRENME FAALİYETİ-5...50 5. KROM...50 5.1. Grup VI B Elementleri...50 5.2. Grup VI B Elementlerinin Özellikleri...50 5.3. Kromun Doğada Bulunuşu...52 5.4. Kromun Elde Edilmesi...52 5.5. Kromun Özellikleri...53 5.6. Kullanıldığı Yerler ve Alaşımları...54 5.7. Önemli Bileşikleri...55 5.7.1. Oksijenli Bileşikleri...55 5.7.2. Kromatlar [ CrO -2 4 ]ve Bikromatlar [ Cr 2 O -2 7 ]...56 5.7.3. Halojenürleri...57 5.7.4. Diğer Bileşikleri...58 5.8. Laboratuvarda Sodyum Kromat Elde Edilmesi...58 UYGULAMA FAALİYETİ...60 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...62 ÖĞRENME FAALİYETİ-6...64 6. MANGAN...64 6.1. Grup (VII) B Elementleri...64 6.2. Genel Özelikleri...65 ii
6.3. Manganın Doğada Bulunuşu...66 6.4. Manganın Elde Edilmesi...66 6.5. Manganın Özellikleri...66 6.6. Manganın Kullanıldığı Yerler...67 6.7. Manganın Önemli Bileşikleri...67 6.7.1. İki Değerlikli Mangan Bileşikleri...67 6.7.2. Üç Değerlikli Mangan Bileşikleri...69 6.7.3. Dört Değerlikli Mangan Bileşikleri...69 6.7.4. Altı Değerlikli Mangan Bileşikleri...70 6.7.5. Yedi Değerlikli Mangan Bileşikleri...71 6.8. Asidik ve Bazik Ortamda Potasyum Permanganatı...72 Özelliklerinin İncelenmesi...72 UYGULAMA FAALİYETİ...73 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...76 ÖĞRENME FAALİYETİ-7...78 7. DEMİR...78 7.1. Grup VIII B Elementleri...78 7.2. Demir Grubu Metallerinin Genel Özellikleri...79 7.3. Demirin Doğada Bulunuşu...80 7.4. Demirin Elde Edilmesi...80 7.4.1. Yüksek Fırında Ham Demirin Elde Edilmesi...81 7.4.2. Ham Demirden Çelik Elde Edilmesi...83 7.5. Demirin Özellikleri...87 7.6. Kullanıldığı Yerler...88 7.7. Laboratuvarda Demir (II) ve Demir (III) Klorür Elde Edilmesi...88 UYGULAMA FAALİYETİ...89 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...91 ÖĞRENME FAALİYETİ-8...93 8. DEMİRİN ÖNEMLİ BİLEŞİKLERİ...93 8.1. Oksijenli Bileşikleri...94 8.1.1. Demir (II) Oksit (Ferro Oksit) [FeO ]...94 8.1.2. Demir (III) Oksit (Ferri Oksit) [Fe 2 O 3 ]...94 8.1.3. Demir (II, III) Oksit (Manyetik Demir Oksit) [ Fe 3 O 4 ]...94 8.1.4. Demir (II) Hidroksit (Ferro Hidroksit) [Fe(OH) 2 ]...95 8.1.5. Demir (III) Hidroksit (Ferri Hidroksit) [Fe(OH) 3 ]...95 8.2. Halojenürleri...96 8.2.1. Demir (II) ve Demir (III) Florür (Ferro ve Ferri Florür) [ FeF 2, FeF 3 ]...96 8.2.2. Demir (II) ve Demir (III) Klorür ( Ferro ve Ferri) [ FeCl 2 ve FeCl 3 ]...96 8.3. Sülfürleri...97 8.3.1. Demir (II) Sülfür [ FeS ]...97 8.3.2. Demir (III) Sülfür [ Fe 2 S 3 ]...97 8.3.3. Pirit [ FeS 2 ]...98 8.4. Kompleks Bileşikleri...98 8.4.1. Potasyum Ferrosiyanür [ K 4 [Fe(CN) 6 ] ]...98 8.4.2. Potasyum Ferrisiyanür [ K 3 [Fe(CN) 6 ] ]...99 8.5. Diğer Bileşikleri...100 8.5.1. Demir (II) Sülfat [ FeSO 4 ]...100 iii
8.5.2. Demir (II) Karbonat [ FeCO 3 ]...101 8.5.3. Demir (II) Nitrat [ Fe(NO 3 ) 2 ] ve Demir (III) Nitrat [ Fe(NO 3 ) 3 ]...101 8.6. Demirin Önemli Alaşımları...102 8.7. Laboratuvarda Demir III Sülfat Elde Edilmesi...102 UYGULAMA FAALİYETİ...103 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...105 ÖĞRENME FAALİYETİ-9...107 9. KOBALT...107 9.1. Doğada Bulunuşu...107 9.2. Elde Edilmesi...107 9.3. Özellikleri...108 9.4. Kullanıldığı Yerler...108 9.5. Laboratuvarda Kobalt Klorür ile Nem Belirlemek...108 UYGULAMA FAALİYETİ...109 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...111 ÖĞRENME FAALİYETİ-10...113 10. KOBALTIN ÖNEMLİ BİLEŞİKLERİ...113 10.1. Oksijenli Bileşikleri...113 10.1.1. Kobalt (II) Hidroksit [ Co(OH) 2 ]...113 10.1.2. Kobalt (II) Oksit [ CoO ]...114 10.1.3. Kobalt (II, III) Oksit [ Co 3 O 4 ]...114 10.2. Halojenürleri...114 10.3. Kompleks Bileşikleri...115 10.4. Kobalt (II) Nitrat [Co(NO 3 ) 2 ]...116 10.5. Kobalt (II) Sülfat [CoSO 4 ]...116 10.6. Kobalt (III) Sülfat [Co 2 (SO 4 ) 3 ]...116 10.7. Kobaltın Alaşımları...116 10.8. Kobalt Klorür Çözeltisine Isının Etkisinin İncelenmesi...117 UYGULAMA FAALİYETİ...118 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...119 ÖĞRENME FAALİYETİ-11...121 11. NİKEL...121 11.1. Doğada Bulunuşu...121 11.2. Elde Edilmesi...121 11.3. Özellikleri...122 11.4. Kullanıldığı Yerler ve Önemli Alaşımları...122 11.5. Önemli Bileşikleri...122 11.6. Laboratuvarda Nikel Oksit Elde Edilmesi...124 UYGULAMA FAALİYETİ...125 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...127 MODÜL DEĞERLENDİRME...129 CEVAP ANAHTARLARI...131 KAYNAKÇA...133 iv
AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD 524KI0147 ALAN Kimya Teknolojisi DAL Kimya MODÜLÜN ADI Metaller 2 Bakır, gümüş, çinko, krom, mangan, demir, kobalt ve nikel MODÜLÜN TANIMI elementlerinin bulunuşu, özellikleri, kullanıldığı yerler, önemli alaşım ve bileşiklerle ilgili bilgilerin verildiği öğrenme materyalidir. SÜRE 40/24 ÖN KOŞUL Metaller 1 modülünü başarmış olmak YETERLİK Metal bileşiklerini elde etmek ve özelliklerini incelemek Genel Amaç Bu modül ile gerekli ortam sağlandığında metalleri elde edebilecek ve inceleyebileceksiniz. MODÜLÜN AMACI EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Amaçlar Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak; 1. Bakır II nitrat elde edebileceksiniz. 2. Bakır II sülfat elde edebileceksiniz. 3. Gümüş aynası elde edebileceksiniz. 4. Çinko hidroksidin amfoter özelliğini inceleyebileceksiniz. 5. Sodyum kromat elde edebileceksiniz. 6. Asitli ve bazik ortamda potasyum permanganatı inceleyebileceksiniz. 7. Demir II klorür ve demir III klorür elde edebileceksiniz 8. Demir III sülfat elde edebileceksiniz 9. Kobalt klorür ile havadaki nemi belirleyebileceksiniz 10. Kobalt klorür çözeltisine ısının etkisini inceleyebileceksiniz. 11. Nikel oksit elde edebileceksiniz. Donanım Projeksiyon, bilgisayar, DVD çalar, televizyon, beher, baget, deney tüpü, spatül, damlalık, bek, destek, mezür, piset. Isıtıcı, kristalizuvar, üçayak, z borusu, lastik tıpa, gaz toplama borusu, adi süzgeç kâğıdı, kibrit çöpü, maşa. Modülün içinde yer alan herhangi bir öğrenme faaliyetinden sonra, verilen ölçme araçları ile kendi kendinizi değerlendireceksiniz. Modül sonunda öğretmeniniz tarafından ölçme teknikleri uygulanarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileriniz değerlendirilecektir. v
vi
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Bu modülde günlük yaşamda sürekli olarak kullandığımız, bakır, gümüş, çinko, krom, mangan, demir, kobalt ve nikel metallerinin bulunuşu, elde edilmesi, özellikleri ve kullanılışıyla ilgili bilgiler verilmektedir. Sürekli olarak kullandığımız tencere, çatal, bıçak vb. eşyaların çoğu alaşımlardan yapılmaktadır. Bu modülde bu alaşımların nasıl yapıldığını, yine bazı kimyasal maddelerin laboratuvarda kolaylıkla elde edilebileceğini ve ülkemizde bulunan çok sayıdaki minerallerden elementlerin nasıl elde edildiğini öğreneceksiniz. Uygulama faaliyetlerini dikkatlice yapınız. Gözlemlerinizi yazınız. Uygulama faaliyetlerindeki her bir ayrıntıyı dikkatlice gözlemleyiniz. Kimya teknolojisinde nitelikli ve bilgili gençlere olan ihtiyaç, her geçen zaman içinde artmaktadır. Bu iş alanında çalışmak için gereken bilgi ve becerileri kazanmaya gayret ediniz. Başarılar dileriz. 1
2
ÖĞRENME FAALİYETİ-1 ÖĞRENME FAALİYETİ-1 AMAÇ Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak bakır (II) nitrat elde edebilecek bilgi, beceri ve deneyime sahip olabileceksiniz. ARAŞTIRMA Kıbrıs ın adının bakırla ilişkisi var mı? Araştırınız. Bakırın suda çözünmeyen önemli bileşiklerinin Kç lerini (çözünürlük çarpımı) araştırınız. Bakır metalinin teknik önemini araştırınız. 1.1. B Grubu Elementleri 1. BAKIR B grubu elementleri (d) orbitallerine elektron almaya başlayan ve dolmamış (d) orbitaline sahip olan elementlerdir. 1B - VIII B grupları ile lantanit aktinit serileri bu grupta yer alır. Lantanit ve aktinit serisi elementleri iç geçiş, 1B - VIII B grupları geçiş elementleri olarak adlandırılır. Tamamı metaldir. Dolmamış (d) orbitalleri nedeniyle değişik değerliklerde bileşikler yaparlar. Her grup B elementleri ve özellikleri ileride öğrenme faaliyetlerinde anlatılacaktır. 1.2. Alaşım Metallerin çoğu istenilen sağlamlıkta, esneklikte veya havaya ve diğer kimyasal etkenlere karşı dayanıklı olmadıklarından sanayide doğrudan doğruya kullanılmaz. Fakat bir metal içerisine belirli oranlarda başka elementler katılarak özellikleri değiştirilebilir. Bu şekilde tekniğin istediği özellikte metal karışımları hazırlanır ki bunlara alaşım denir. Alaşım; iki veya daha fazla metalin eritilip karıştırılması ile elde edilen, metalik görünüşlü, kristal yapıya sahip maddelerdir. Sadece cıvanın meydana getirdiği alaşımlara özel olarak amalgam denir. Ekseriya, metaller içerisine çok az miktarda karbon, silisyum, fosfor gibi ametaller katılırsa metal, istenilen özelliği kazanır. Örneğin, çokça kullandığımız pirinç alaşımı bakır ve çinko metalleri karıştırılarak elde edilir. Yine bilinen çelik, demir içerisine az miktarda karbon katılarak elde edilir. Bugün çeşitli özellik gösteren binlerce alaşım, sanayide türlü amaçlarla kullanılmaktadır. 3
1.2.1. Alaşımların Yapısı Erimiş metallerin birbirleriyle karıştırılması sonucu meydana gelen alaşımların yapısı üç ayrı şekilde olabilir: Alaşım kristali, her iki metali karıştırıldıkları oranda kristal yapısında bulundurur. Örneğin, altın - gümüş alaşımı bu özelliktedir. Alaşımda her iki metal, ayrı ayrı saf metal kristalleri hâlinde bulunur. Kalay kurşun alaşımı bu grup arasına girer. Alaşım kristali, her iki metali belirli atom sayıları oranında kristal yapısında bulundurur. Örneğin, sodyum amalgam kristalinde sodyum ve cıva, NaHg 4 ve NaHg 2 gibi belirli oranlarda bulunur. 1.2.2. Alaşımların Özellikleri Her alaşımın kendine has özellikleri var ise de alaşımların genel özellikleri de vardır. Bu özellikler aşağıda sıralanmıştır: Bir alaşımın erime noktası, kendisini meydana getiren metallerin erime noktalarından daha düşüktür. Örneğin lehim, kalay kurşun alaşımıdır. Kalay 231,9 C de, kurşun 327,4 C de erirken lehim 182 C de erir. Alaşımlar, kendilerini meydana getiren metallere göre ısı ve elektriği daha az iletir. Alaşımlar, daha güç tel ve levha hâline gelir. Yani, serttir. Fakat, döküme daha elverişlidir. Metalik parlaklık gösterirler, yüzeyleri parlaktır. 1.3. Grup I B Elementleri Bakır (Cu), gümüş (Ag) ve altın (Au) elementlerinin oluşturduğu bakır grubu elementlerine Grup I B elementleri denir. Bu grup elementler 8 bin yıl öncesinden beri bilinmektedir. Bu grup metallerin yer kabuğunda serbest olarak bulunmaları veya kolaylıkla elde edilebilmeleri bunların çok eski çağlardan beri bilinen metaller olmasını sağlamıştır. 4
H He Li Be B C N O F Ne 8B Na Mg Al Si P S Cl Ar 3B 4B 5B 6B 7B 1B 2B K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni 29Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd 47Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Fr Ra Ac 79Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw Tablo 1.1: Periyodik tablo Doğada az bulunmaları ve korozyona dayanıklı olmaları nedeniyle bu metaller, daha çok para yapımında kullanılırdı. Önceleri yalnız altın ve gümüş bu amaçla kullanılırken sonraları bakırın da bu metallere katılmasıyla daha dayanıklı alaşımların yapılması, paranın hem daha ucuza mal edilmesi hem de daha uzun süre aşınmadan kalmasını sağlamış ve her üç metale para metalleri adı verilmiştir. Bu grup elementlerinde tam dolu d yörüngelerinden sonra gelen en dış s yörüngelerinde bir elektron vardır. Benzer bir yapının alkali metaller grubunda da olması, bu grup elementlerin grup I A elementleriyle benzer özellikler göstermesi ve o nedenle de aynı grupta incelenmesi gerektiğini düşündürebilir. Ancak iki grubun benzerliği yüksek elektrik iletkenliği ve + 1 değerlikli olmaktan ileri geçmez. Bu iki grup arasındaki farklar şu şekilde özetlenebilir: Grup I A elementleri çok aktif metaller oldukları hâlde bu grup elementleri çok zor yükseltgenir ve bu nedenle de soy metaller adını alırlar. Grup I A elementleri yalnız + 1 değerlikli olurken grup I B elementleri + 1 değerliğin yanı sıra + 2 ve + 3 değerlikli de olabilirler. Grup I B elementleri çok sayıda kompleks bileşikler oluşturduğu hâlde grup I A elementlerinde bu özellik hiç görülmez. Grup I B elementlerinin birçok bileşikleri renkli iken grup I A elementleri, potasyum permanganatta olduğu gibi, anyona bağlı olarak bazı renkli bileşikler verir. Grup I B elementlerinin oksit ve hidroksitleri zayıf bazken grup I A elementlerinin oksit ve hidroksitleri kuvvetli bazlardır. Grup I A elementlerinin bileşiklerinin çoğu suda kolay çözünürken grup I B elementlerinin bileşiklerinin çoğu suda zor çözünür. 5
Özellikler Bakır Gümüş Altın Sembolü Cu Ag Au Atom numarası 29 47 79 Atom kütlesi 63,54 107,87 196,97 Elektron dizilişi [Ar] 3d 10 4s 1 [Kr] 4d 10 5s 1 [Xe] 4f 14 5d 10 6s 1 Erime noktası( C) 1083 961 1063 Kaynama noktası( C) 2595 2210 2970 Öz kütlesi (g/cm 3 ) 8,96 10,5 19,3 Değerliği +2, +1 +1 +3,+1 İyon yarıçapı(a ) 1,17 1,34 1,34 Atom yarıçapı(a ) 1,28 1,44 1,46 Birinci iyonlaşma enerjisi (kcal/mol) 178 175 213 İkinci iyonlaşma enerjisi (kcal/mol) 469 497 474 Elektronegatifliği 1,9 1,9 2,4 Erime ısısı(kcal/mol) 1,76 1,46 0,56 Buharlaşma ısısı(kcal/mol) 72,8 60,7 81,8 Özgül ısısı(cal/g/ C) 0,092 0,056 0,031 Elektrik iletkenliği(mikroohm 1 ) 0,593 0,616 0,420 Isı iletkenliği 0,94 0,93 0,71 (cal/cm 2 /cm/ C/sn) Standart indirgenme (M + /M ) = 0,52 (M + /M ) = 0,80 potansiyeli (volt) (M +2 /M) = 0,34 (M +2 /M) = 0,34 Atom hacmi(w/d) 7,1 10,3 10,2 Tablo1.2: I B Grubu elementlerinin bazı özellikleri (M + /M ) = 1,69 (M +3 /M) = 1,42 1.4. Genel Özellikleri 1.4.1. Fiziksel Özellikleri Grup I B elementleri metal özellikleri gösterir. Bu elementler tel ve levha hâline getirilebilir, elektrik ve ısıyı çok iyi iletir, kesitleri metalik parlaklık gösterir, kristal örgüleri yüzey merkezli küp şeklindedir. Bu grupta bakırdan altına doğru metallerin aktifliği, esnekliği, germe direnci ve özgül ısıları azalırken yoğunlukları ve iyonlaşma enerjileri artar. Bazı fiziksel özellikleri Tablo 1.1 de verilmiştir. 6
1.4.2. Kimyasal Özellikleri Grup I B elementleri çoğunlukla zor yükseltgenirler, asit ve bazlarla çok zor tepkime verirler. Elektron dizilişinden beklenildiği gibi (Tablo1.1) en dış s yörüngelerindeki bir elektronu vererek + 1 değerlikli olurlar. s yörüngeciyle tam dolu d yörüngelerinin enerjileri birbirine çok yakın olduğundan az bir enerji eklenmesiyle d yörüngelerinden de elektron vererek + 2 ve + 3 değerlikli de olabilirler. Ancak bakır ve gümüş + 1 ve + 2, altın ise + 1 ve + 3 değerlikli bileşikler oluştururlar. Gümüşün + 1, bakırın + 2, altının ise + 3 değerlikli bileşikleri daha kararlıdır. Madde Genel Denklem Açıklama Cu ile n=2 F 2,Br 2,Cl 2 için n=1 I 2 için X 2 2M + n X 2 2MX n Ag ile n=1 F 2,Br 2,Cl 2, I 2 için O 2 4 M + O 2 2M 2 O Au ile n=3 Br 2 ve Cl 2 için n=1 I 2 için Bakırla 1000 C nin üstünde Gümüşle basınç altında 2 M + O 2 2 MO Bakırla 1000 C nin altında S 2M + S M 2 S Bakır ve gümüşle P 3 M + P M 3 P Bakırla Asit 2 M + 4H + +O 2 2M +2 + 2 H 2 O Bakırla oksijenli ortamda NH 3 2 M + 8 NH 3 + O 2 + 2 H 2 O 2 [M(NH 3 ) 4 ] +2 + 4 OH - Bakırla amonyak çözeltisinde HNO 3 3 M + 4 H + +NO - 3 3 M + + NO + 2 H 2 O Gümüşle(Bakır, Cu +2 verir) H 2 SO 4 2 M + 4 H + +SO -2 4 2 M + +SO 2 + 2 H 2 O Gümüşle(Bakır, Cu +2 verir) Altın M + 5H + + 4Cl - + NO - suyu 3 HMCl 4 + NO + 2H 2 O Altınla (Bakır, Cu+2 gümüş AgCl verir ) 1.5. Bakırın Doğada Bulunuşu Tablo1.3: Grup I B elementlerinin bazı tepkimeleri Bakır, yer kabuğunun yaklaşık % 1.10 4 ünü oluşturur. Doğada serbest hâlde veya bileşikleri hâlinde bulunur. Önemli mineralleri; kalkosit [Cu 2 S], kalkopirit (bakır piriti) [CuFeS 2 ], kovelit [CuS], kuprit [Cu 2 O], malahit [CuCO 3.Cu(OH) 2 ], azurit [2CuCO 3.Cu(OH) 2 ] ve tenorit [CuO] tir. Bu minerallerden malahit güzel yeşil renktedir ve mücevher olarak doğrudan kullanılır. Türkiye de bakır cevheri Artvin, Trabzon, Kastamonu, Rize, Elazığ, Giresun ve Siirt te bulunmaktadır. 7
1.6. Bakırın Elde Edilmesi Serbest hâldeki bakır çok fazla değildir. Bu durumdaki bakır cevheri toz hâline getirildikten sonra yıkanarak temizlenir. Daha sonra ergitilerek safsızlıklardan ayrılır. Bakır oksit veya karbonat mineralleri seyreltik sülfürik asitle küprik çözeltilerine dönüştürülür ve buradan bakır elektroliz yöntemiyle elde edilir. Kullanılmakta olan bakırın % 80 kadarı kükürtlü minerallerden elde edilmektedir. Bu mineral cevherlerindeki bakır, çoğunlukla % 0,3 5 oranında bulunmaktadır. Bu durumda cevher flotasyon (yüzdürme) yöntemiyle bakır oranı % 20 25 olacak şekilde zenginleştirilir. Daha sonra bakır elde edilmesi, pirometalurjik (kavurma) ve midrometalurjik (sıyırma) yöntemlerinden biri veya her ikisiyle yapılır. Pirometalurjik yöntemde cevher (örneğin kalkopirit) havada kavrulur. 2 CuFeS 2 + 4 O 2 Cu 2 S + 2 FeO + 3 SO 2 Kavrulan mineral alev fırınında silisyumdioksitle birlikte ısıtılır. Demir ve diğer safsızlıklar silikatları hâlinde cürufa geçer; bakır (I) sülfür ve demir (II) sülfürden oluşan kütle (mat) elde edilir. Ergimiş mat, fırının altından alınır ve Bessemer tipi bir fırında silisyumdioksit eklenmesiyle hava üflenerek yakılır. Geride kalan demir sülfür, oksijenle demir (II) okside, 2 FeS + 3 O 2 FeO + 2 SO 2 FeO + SiO 2 FeSiO 3 Bu da silisyumdioksitle demir silikatı vererek cüruf hâlinde ayrılır. Kükürt, kükürt dioksite dönüştürülerek yan ürün olarak ortamdan uzaklaşır. Bakır (I) sülfür önce bakır (I) okside dönüşür, daha sonra bakır (I) sülfürle bakıra indirgenir. 2 Cu 2 S + 3 O 2 2 Cu 2 O + 2 SO 2 2 Cu 2 O + Cu 2 S 6 Cu + SO 2 Bu şekilde elde edilen bakır % 97 99 saflıkta olup kalıplar hâlinde alınır. Ergimiş bakırın soğuması sırasında, çözünmüş gazların kabarcıklar hâlinde çıkması nedeniyle bu bakıra blister bakır denir. Bakırın oksit ve karbonatlı minerallerinden elde edilmesinde diğer bir yöntem ise mineraller kavrulur ve karbonla indirgenir. CuCO 3 CuO + CO 2 2 CuO + C 2 Cu + CO 2 8
Blister bakırdan saf bakır elde etmek için elektroliz yönteminden yararlanılır. Elektroliz için Şekil 1.1 deki gibi bir düzenek kullanılır. Burada elektrolit olarak bakır sülfat, katot olarak saf bakır, anot olarak saf olmayan (blister) bakır kullanılır. Şekil 1.1: Bakırın elektrolizle saflaştırılması Devreden geçen akımın amperi veya gerilimin voltajı kontrol edilerek saf bakır elde edilir. İçinde safsızlık olarak en çok demir, çinko, altın ve gümüş bulunan bir bakır çubuğun saflaştırılması incelenirse çinko ve demir, bakıra göre daha kolay; gümüş ve altın ise bakıra göre daha zor yükseltgenir. Bu durum, yükseltgenme potansiyellerinden anlaşılabilir. Zn Zn +2 + 2 e - E = 0,76 volt Fe Fe +2 + 2 e - E = 0,44volt Cu Cu +2 + 2 e - E = - 0,34 volt Ag Ag + + e - E = - 0,80 volt Au Au +3 + 3 e - E = - 1,49 volt Devredeki voltaj uygun bir değerde tutulursa çinko, demir ve bakır yükseltgenerek çözeltiye geçer, gümüş ve altın ise değişmeden çöker. Çözeltideki bakır (II) iyonları daha kolay indirgeneceğinden katotta saf bakır olarak toplanır, çinko ve demir (II) ise çözeltide kalır. Yükseltgenmeyen altın, gümüş ve platin metalleri anot çamurunu oluşturur. Anot çamurundan elde edilen bu kıymetli metaller elektroliz işleminin bütün masraflarını karşılayabilir. Çoğu cevherde bir ton bakır eldesinde 100 150 g gümüş ve 10 20 g altın yan ürün olarak elde edilir. 9
Hidrometalurjik yöntem uygulaması son yıllarda önemli bir artış göstermektedir. Bu yöntemin temeli, düşük tenorlu (yüzdeli) cevherlerden bakırın sıyrılarak alınmasıdır. Cevherin asidik veya bazik (eğer fazla kireç taşı içeriyorsa) çözeltilerinden hava geçirilmesiyle Cu +2 çözeltiye alınır. Cu 2 S + 5/2O 2 + 2 H + 2 Cu +2 + SO 4 2 + H 2 O Cu 2 S + 5/2O 2 + 8 NH 3 + H 2 O 2 Cu(NH 3 ) 4 +2 + SO 4 2 + 2 OH - Çözeltiye atık demir parçaları eklenirse bakır indirgenerek ayrılır. Cu +2 + Fe Cu + Fe +2 Buradan elde edilen bakır, elektroliz yöntemiyle saf hâle getirilir. 1.7. Bakırın Özellikleri Kolaylıkla işlenebilen yumuşak bir metaldir. Isı ve elektriği çok iyi iletir. Diğer fiziksel özelikleri için Tablo 1.1 e bakınız. Bakır çok zor tepkime verir. Asit ve bazlar bakıra zor etki eder. Bakır, normal koşullarda kuru havadan etkilenmez. Fakat bakır ısıtıldığı zaman havanın nemi ve karbondioksidin katalitik etkisiyle hava oksijeni tarafından önce oksitlenir. Daha sonra yüzeyi yeşil renkli, çok zehirli bazik bakır karbonat ( Cu 2 (OH) 2 CO 3 ) tabakasıyla örtülür. Bu tabaka bakırı dış etkenlere karşı korur. 2 Cu + CO 2 + O 2 + H 2 O Cu 2 (OH) 2 CO 3 Nemli hava ve SO 2 gazı da benzer şekilde bazik bakır sülfat [CuSO 4. 3Cu(OH) 2 ] tabakasını oluşturur. 4 Cu + SO 2 + 5/2 O 2 + 3 H 2 O CuSO 4. 3Cu(OH) 2 Sıcakta derişik sülfürik asit, bakıra etki ederek bakırı yükseltger ve kükürtdioksit gazı açığa çıkarır. Cu + 2 H 2 SO 4 CuSO 4 + 2 H 2 O + SO 2 Nitrik asit yükseltgen bir ortamda (hava, potasyum klorat gibi) etki eder, fakat hidrojen açığa çıkarmaz. 2 Cu + 4 HNO 3 + O 2 2 Cu(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O Derişik nitrik asit sıcakta bakıra etki ederek azotdioksit gazı oluşturur. Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O + 2 NO 2 10
Seyreltik nitrik asit bakıra sıcakta etki ederek azotmonoksit verir. 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) 2 + 4 H 2 O + 2 NO Kral suyu da bakıra etki eder ve azotmonoksit gazı çıkışı olur. 3 Cu + 6 HCl + 2 HNO 3 3 CuCl 2 + 2 NO + 4 H 2 O Halojenler, fosfor, kükürtle ve NH 3 inceleyiniz. ile verdiği tepkimeler için Tablo 1.2 yi Kuvvetli bazlar bakıra etki etmez. 1.8. Bakırın Kullanıldığı Yerler Bakır, en çok elektrikli araçlarda ve elektrik kablolarında (% 53) Buhar boruları ve kazanlar gibi yapı inşaatında (% 16) Endüstriyel makinelerde (% 12) Ulaşımda (% 8) Bakır bileşiklerinin sentezinde Alaşım yapımında kullanılır Bakır insan sağlığı için önemlidir. Su ve yiyeceklerle yeterli miktarda bakır alınır. Bünyedeki bakır azlığı veya fazlalığı birçok sorunu doğurur. Bakır azlığı kan hücrelerinin zayıflamasına, saçların renk kaybına, hemoglobin ve fosfolipidlerin sentezlerinin azalmasına ve hücrelerdeki enerji veren tepkimelerin durmasına neden olur. Bakırın az olduğu bünyelerin radyasyon etkilerine karşı daha dayanıksız olduğu söylenmektedir. Kanda bakır oranı artarsa başka dokulara geçer, özellikle akciğer ve beyinde fazla miktarda toplanır. Bu durum ölüme neden olabilir. 1.9. Laboratuvarda Bakır (II) Nitratın Elde Edilmesi Bakır üzerine derişik nitrik asit eklenirse azot dioksit gazı çıkışı ile birlikte bakır (II) nitrat meydana gelir. Çıkan azot dioksit gazı çok zehirli olup bu deneyin çeker ocakta yapılması gerekir Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O + 2 NO 2 Araç ve gereçler: Bakır, derişik nitrik asit ve deney tüpü 11
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ İşlem Basamakları Deney tüpüne yarım spatül bakır tozu alınız. Öneriler Laboratuvar önlüğünüzü giyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Laboratuvar güvenlik kurallarına uygun çalışınız. Kullandığınız araç ve gereçlerin temizliğine dikkat ediniz. Derişik nitrik asit ekleyiniz. Çeker ocakta dikkatli ve titiz çalışınız. Azot oksitlerinin çok zehirli olduklarını unutmayınız. HNO 3 asit yakıcıdır, giysinize ve cildinize temas etmesini önleyiniz, temas etmiş ise giysinizi ve cildinizi bol su ile yıkayınız. Oluşan karakteristik rengi gözlemleyiniz. Tepkimede hangi azot oksidin oluştuğunu belirleyiniz. Tepkimenin denklemini yazmaya çalışınız. 12
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME OBJEKTİF TEST (YETERLİK ÖLÇME) Aşağıdaki sorularda uygun seçeneği işaretleyiniz. 1. Aşağıdakilerden hangisi bakır minerali değildir? A) Galen B) Kalkosit C) Kuprit D) Azurit 2. Elektroliz yöntemiyle saf bakır elde edilirken elektroliz devresinden 9650 Coulomb yük geçmektedir. Katotta kaç g saf bakır toplanır? ( Cu: 64 ) (1 mol 96485 Coulomb a eşittir. Bu nedenle 0.1 mol bakır toplanır. Cevap 6.4 olmalıdır.) A) 0,32 B) 0,64 C) 3,2 D) 6,4 3. CuSO 4.5 H 2 O (göz taşı) bileşiğindeki bakır % si aşağıdakilerden hangisidir? ( Cu: 64, S: 32, O: 16, H: 1 ) A) 2,56 B) 4,12 C) 10,5 D) 25,6 4. Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + H 2 O + NO tepkime denkleştirilirse HNO 3 asidin kat sayısı kaç olur? A) 3 B) 8 C) 4 D) 2 5. 0,1 M 200 ml Cu +2 çözeltisindeki bakır iyonlarının tamamını metalik bakıra indirgemek için kaç g demir metali gerekir? ( Cu: 64, Fe: 56 ) A) 1,12 B) 5,6 C) 11,2 D) 56 DEĞERLENDİRME Yukarıdaki teste verdiğiniz cevapları, cevap anahtarı ile karşılaştırınız. Eksik konularınız varsa bu eksikliğin neden kaynaklandığını düşünerek arkadaşlarınızla tartışınız. Öğretmeninize danışarak tekrar bilgi konularına dönüp eksiklerinizi gideriniz. 13
UYGULAMALI TEST (YETERLİK ÖLÇME) Uygulama faaliyetinde kazandığınız becerileri aşağıdaki tablo doğrultusunda ölçünüz. Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır Laboratuvar önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? Kullanılacak malzemeleri temin ettiniz mi? Deney tüpüne yarım spatül bakır tozu aldınız mı? Aldığınız bakır tozu üzerine derişik nitrik asit eklediniz mi? Oluşan karakteristik rengi gözlemlediniz mi? Hesaplamaları yaptınız mı? Deney araç ve gereçlerini temizleyerek raporunuzu hazırlayıp öğretmeninize teslim ettiniz mi? DEĞERLENDİRME Bu yeterlik sırasında bilgi konularında veya uygulamada anlamadığınız veya beceri kazanamadığınız konuları tekrar ediniz. Konuları arkadaşlarınızla tartışınız. Kendinizi yeterli görüyorsanız diğer öğrenme faaliyetine geçiniz. Yetersiz olduğunuzu düşünüyorsanız öğretmeninize danışınız. 14
ÖĞRENME FAALİYETİ-2 ÖĞRENME FAALİYETİ-2 AMAÇ Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak bakır (II) sülfat elde edebilme bilgi, beceri ve deneyimine sahip olabileceksiniz. ARAŞTIRMA Bir çözeltide bakır iyonlarının varlığı nasıl anlaşılır? Araştırınız. Çevrenizde bakır metalini işleyerek değerlendiren işletme veya işletmeler var mı? Araştırınız. Bakır metali ile bakır iyonu arasındaki farkları araştırınız. Araştırma neticelerini maddeler hâlinde yazınız. Araştırma sonucunu sınıfta arkadaşlarınızla tartışınız. 2. BAKIRIN ÖNEMLİ BİLEŞİKLERİ Bakır, iki tür bileşik yapar. Bakırın + 1 değerlikli bileşiklerine bakır (I) (küproz) bileşikleri, bakırın + 2 değerlikli bileşiklerine ise bakır (II) (küprik) bileşikleri denir. Bakır (I) bileşikleri yüksek sıcaklıkta, bakır (II) bileşikleri daha düşük sıcaklıkta kararlıdır. 2.1. Oksijenli Bileşikleri Bakırın en önemli oksijenli bileşikleri bakır (I) ve bakır (II) oksitleridir. 2.1.1. Küproz Oksit [Cu 2 O ] Tabiatta küprit minerali hâlinde bulunur. Laboratuvarda Bakır (I) klorürün sodyum hidroksitle kaynatılmasıyla kırmızı kahve renkli bakır (I) oksit elde edilir. 2 CuCl + 2 OH - Cu 2 O + 2 Cl - + H 2 O Bakır (II) çözeltileri indirgen maddelerle ısıtılıp tepkimeye sokulduğunda kırmızı bakır (I) oksit oluşur. 2 Cu +2 + 2 OH - + 2 e - (indirgenden) Cu 2 O + H 2 O 15
Bu tepkime kanda şeker aranmasında kullanılır. Bu amaç için bakır (II) sülfat ile sodyum hidroksit ve sodyum potasyum tartarak çözeltilerinden Fehling çözeltisi oluşturulur. Bu çözelti ile hastanın kanının karıştırılıp ısıtılması ile kırmızı kahve renkli bakır (I) oksit çöker. Bakır (II) oksidin 1000 C dolayında ısıtılmasıyla kırmızı bakır (I) oksit oluşur. 4 CuO 2 Cu 2 O + O 2 Bakır (I) oksit, seyreltik nitrik asit ve sülfürik asitle bakır (II) tuzlarını ve elementel bakırı verir. Cu 2 O + H 2 SO 4 CuSO 4 + H 2 O + Cu Cu 2 O + 2 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + H 2 O + Cu Bakır (I) oksit suda çözünmez, amonyakta çözünerek diamın bakır (I) kompleks iyonunu verir. 2.1.2. Küprik Oksit [CuO ] 4 NH 3 + H 2 O + Cu 2 O 2 [Cu(NH 3 ) 2 ] +1 + 2 OH - Doğada tenorit minerali hâlinde bulunur. Siyah renkte, suda çözünmeyen bir oksittir. Bakır (II) hidroksit, bakır (II) nitrat veya bazik bakır (II) karbonatın ısıtılması ile elde edilir. Cu(OH) 2 CuO + H 2 O Cu(NO 3 ) 2 CuO + N 2 O 5 CuCO 3.Cu(OH) 2 2 CuO +CO 2 + H 2 O Asitlerde çözünerek bakır (II) tuzlarını verir. CuO + 2 HCl CuCl 2 + H 2 O Kuvvetle ısıtıldığında oksijen vererek küproz okside dönüşür. 4 CuO 2 Cu 2 O + O 2 Hidrojen ve karbonmonoksitle metalik bakıra indirgenir. CuO + H 2 Cu + H 2 O 2CuO + C 2 Cu + CO 2 16
2.2. Halojenürleri Bakır bütün halojenlerle birleşerek küproz ve küprik halojenürleri verir. 2.2.1. Bakır (I) Halojenürleri Bakır (I) florür bilinmemektedir. Bakır (I) klorür ve bromür, bakır (II) tuzlarının asidik çözeltilerde aşırı orandaki bakırla kaynatılmasıyla önce kompleks iyonu hâlinde elde edilir, su eklenirse beyaz renkte bakır (I) klorür, Cu + Cu +2 + 4 Cl - 2 [CuCl 2 ] -1 [CuCl 2 ] -1 CuCl + Cl ve açık sarı renkte bakır (I) bromür çöker. Cu + Cu +2 + 4 Br - 2 [CuBr 2 ] -1 [CuBr 2 ] -1 CuBr + Br Bakır (II) tuzlarına iyodür eklenmesiyle önce bakır (II) iyodür çöker, ancak bu hemen bakır (I) iyodür ve iyoda ayrışır. 2 CuI 2 2 CuI + I 2 Bakır (I) halojenürlerinin üçü de düzgün dört yüzlü yapısındadır. Halojen iyonları düzgün dört yüzlünün köşelerinde, bakır (I) iyonları da merkezinde yer alır. Bakır (I) halojenürleri suda çok az çözünür. 2.2.2. Bakır (II) Halojenürleri [ CuX 2 ] CuCl Cu + + Cl - Kç = 3,2.10 7 CuBr Cu + + Br - Kç = 5,9.10 9 CuI Cu + + I - Kç = 1,1.10 12 Bakır (II) florür: Bakır ve florun doğrudan tepkimesiyle elde edilir. Renksiz, iyonik bir bileşiktir. Cu + F 2 CuF 2 Bakır (II) klorür: Bakır ve klor elementlerinin doğrudan birleşmesiyle sarı renkte kristaller hâlinde elde edilir. Cu + Cl 2 CuCl 2 17
Kristal suyu içeren bakır (II) klorür, bakır (II) hidroksit veya bakır (II) karbonatın HCl asit ile tepkimesi ve çözeltinin buharlaştırılmasıyla elde edilir. Cu(OH) 2 + 2 HCl Cu (H 2 O) 2.Cl 2 Derişik bakır (II) klorür çözeltileri yeşil renktedir, çünkü hem mavi renkte hidrata bakır (II) iyonlarını [Cu(H 2 O) 4 ] +2 hem de sarı renkte kompleks küprik klorür iyonlarını [CuCl 4 ] -2 içerir. Çözelti seyreltilirse klorür iyonlarının yerini su molekülleri alır ve çözelti mavileşir. Bakır(II) bromür: Doğrudan elementlerinden veya HBr asidin bakır (II) oksit veya bakır (II) karbonatla tepkimesiyle elde edilen siyah renkte bir katıdır. Cu + Br 2 CuBr 2 CuO + 2 HBr CuBr 2 + H 2 O CuCO 3 + 2 HBr CuBr 2 + H 2 CO 3 2.3. Sülfürleri Bakır kükürtle birleşerek bakır (I) ve bakır (II) sülfürlerini verir. 2.3.1. Bakır (I) Sülfür [ Cu 2 S ] Doğada kalkosit minerali hâlinde bulunur. Bakırın kükürtle havasız bir ortamda ısıtılmasıyla, 2 Cu + S Cu 2 S veya bakır (II) sülfürün havasız bir ortamda ısıtılmasıyla elde edilir. 2CuS Cu 2 S + S Bakır (I) sülfür yüksek sıcaklıkta kararlı bir bileşiktir. 2.3.2. Bakır (II) Sülfür [ CuS ] Doğada en az çözünen bakır (II) bileşiği CuS dür. Bakır (II) tuzu çözeltilerinden asidik, bazik veya nötr ortamda hidrojen sülfür gazı geçirilmesiyle siyah renkte çöker. Ancak nitrik asitle ısıtılırsa çözünür. Cu +2 + H 2 S CuS + 2 H + K= 8.10 37-3 CuS + 2 NO 3 + 8 H + 3 Cu +2 + 3 S + NO + 4 H 2 O 18
2.4. Bakır (II) Sülfat [ CuSO 4 ] Bakır (II) sülfat en çok bilinen bakır (II) bileşiğidir. Çoğunlukla beş mol kristal suyu içerir. 5 mol kristal su içeren ( CuSO 4.5 H 2 O ) mavi renkli bu bileşiğe halk arasında göztaşı denir. Bakır (II) sülfat 300 C de kristal suyunun tamamını vererek susuz bakır (II) sülfatı oluşturur. Susuz olanı renksizdir. Daha yüksek sıcaklıkta ısıtılırsa bakır (II) okside dönüşür. CuSO 4 CuO + SO 3 Bakır (II) sülfat, endüstride bakır(ii) sülfürün havada kavrulduktan sonra sülfürik asitle tepkimesiyle elde edilir. 2 CuS + 3 O 2 2 CuO + 2 SO 2 CuO + H 2 SO 4 CuSO 4 + H 2 O Laboratuvarda ise bakır metali üzerine seyreltik sülfürik asit eklenmesi ve hava üflenmesiyle elde edilir. 2 Cu + 2 H 2 SO 4 + O 2 2 CuSO 4 + 2 H 2 O Bu tepkimede derişik sülfürik asit kullanılırsa kükürt dioksit gazı açığa çıkar. Cu + 2 H 2 SO 4 CuSO 4 + 2 H 2 O + SO 2 Bakır (II) sülfat, elektrolizlerde elektrolit olarak kullanılır. Mikrop ve bakterileri öldürücü ilaçların yapımında, suların temizlenmesinde ve benzeri alanlarda da kullanılır. 2.5. Bakırın Alaşımları En önemli alaşımları bronz ve pirinçtir. Bronzun ana bileşimi % 90 bakır ve % 10 kalaydır. Ancak bazen çok az miktarda başka bazı metallerin katılmasıyla ek bazı özellikler kazandırabilir. Pirinç, bir bakır çinko alaşımıdır. Çinko oranı % 18 ile % 30 arasında değişir, korozyona karşı saf bakırdan daha dayanıklıdır. Bakırın önemli alaşımlarından biri de devarda alaşımıdır. Bu alaşım % 5 Zn, % 45 Al ve % 50 Cu içerir. Çok kırılgandır. Kolaylıkla toz hâline getirilebilir. Bu toz laboratuvarlarda alkali hidroksitlerden hidrojen açığa çıkararak kuvvetli bir indirgen ortam oluşturmakta kullanılır. Alaşımın Adı Monel metal Para (gümüş), Amerikan gümüşü Para (bakır) Alman gümüşü İngiliz gümüşü Bileşimi % 60 Ni, % 33 Cu, % 7 Fe % 90 Ag, % 10 Cu % 75 Cu, % 25 Ni % 50 60 Cu, % 20 Zn, % 20 25 Ni % 92,5 Ag, % 7,5 Cu Tablo1.3: Bakırın diğer önemli alaşımları 19
2.6. Laboratuvarda Bakır (II) Sülfatın Elde Edilmesi Bakır üzerine derişik sülfürik asit eklenip ısıtılırsa kükürtdioksit gazı çıkışı ile birlikte bakır (II) sülfat oluşur. Kükürt dioksit gazı çok zehirli olduğundan bu deney mutlaka çeker ocakta yapılmalıdır. Cu + 2 H 2 SO 4 CuSO 4 + SO 2 + H 2 O Mavi renkte bakır (II) sülfat çözeltisi kaynatmadan bir süre ısıtılıp soğutulursa CuSO 4.5 H 2 O (göztaşı) kristalleri meydana gelir. Araç ve gereçler: Isıtıcı, beher, baget, bakır tozu ve derişik sülfürik asit Şekil 2.1: Bakır sülfat kristalleri 20
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ İşlem Basamakları Behere yarım spatül bakır tozu koyunuz. Öneriler Laboratuvar önlüğünüzü giyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Laboratuvar güvenlik kurallarına uygun çalışınız. Kullandığınız araç ve gereçlerin temizliğine dikkat ediniz. Üzerini örtecek kadar derişik sülfürik asit ekleyiniz. Deneyi çeker ocakta yapınız. H 2 SO 4 asit yakıcıdır, giysinize ve cildinize temas etmesini önleyiniz, temas etmiş ise giysi veya cildinizi bol su ile yıkayınız. Bakır tozları çözününceye kadar ısıtınız SO 2 gazı zehirlidir, ısıtma işlemini mutlaka çeker ocakta yapınız. 21
Mavi rengi gözlemleyiniz. Çözeltinin rengini tam gözlemleyebilmek için karışımı adi süzgeç kâğıdından sıcak olarak süzmeyi unutmayınız. Beherdeki suyu buharlaştırınız. Karışımı kaynatmadan ısıtınız. Çözeltiyi kuruluğa kadar buharlaştırmayınız, aksi hâlde beyaz bir tortu oluşur. Kristalleri gözlemleyiniz. Kristalin renginden maddenin formülünü belirlemeye çalışınız. 22
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME OBJEKTİF TEST (YETERLİK ÖLÇME) Aşağıdaki sorularda uygun seçeneği işaretleyiniz. 1. 0,1 mol CuO (bakır (II) oksit) bileşiği yeteri kadar H 2 gazı ile indirgendiğinde kaç gram bakır metali elde edilir? Bulunuz. ( Cu : 64, O : 16, H : 1 ) A) 3,2 B) 6,4 C) 32 D) 64 2. NH 3 + H 2 O + Cu 2 O [Cu(NH 3 ) 2 ] +1 + OH - tepkimesi denkleştirildiğinde amonyağın kat sayısı kaç olur? Bulunuz. A) 4 B) 3 C) 2 D) 1 3. 3.2 g bakır metali üzerine yeterince derişik H 2 SO 4 asit etki ettiriliyor. En çok kaç gram göz taşı (CuSO 4.5 H 2 O) elde edilir? Bulunuz. (Cu : 64, S : 32, O :1 6, H : 1 ) A) 1.25 B) 3,2 C) 12,5 D) 125 4. 10 gram bakır para ( % 75 Cu, % 25 Ni) yapmak için kaç gram nikel metali gerekir? Bulunuz. A) 2,5 B) 5 C) 7,5 D) 9 5. Elektrolizle saf bakır elde edilirken anot çamurunda aşağıdaki metallerden hangisi bulunmaz? A) Au B) Ag C) Pt D) Ni DEĞERLENDİRME Yukarıdaki teste verdiğiniz cevapları, cevap anahtarı ile karşılaştırınız. Eksik konularınız varsa bu eksikliğin neden kaynaklandığını düşünerek arkadaşlarınızla tartışınız. Öğretmeninize danışarak tekrar bilgi konularına dönüp eksiklerinizi gideriniz. 23
UYGULAMALI TEST (YETERLİK ÖLÇME) Uygulama faaliyetin de kazandığınız becerileri aşağıdaki tablo doğrultusunda ölçünüz. Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır Laboratuvar önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? Kullanılacak malzemeleri temin ettiniz mi? Behere yarım spatül bakır tozu koydunuz mu? Üzerini örtecek kadar derişik sülfürik asit eklediniz mi? Bakır tozları çözününceye kadar ısıttınız mı? Mavi rengi gözlemlediniz mi? Beherdeki suyu buharlaştırdınız mı? Deney araç ve gereçlerini temizleyerek öğretmeninize teslim ettiniz mi? DEĞERLENDİRME Bu yeterlik sırasında bilgi konularında veya uygulamada anlamadığınız veya beceri kazanamadığınız konuları tekrar ediniz. Konuları arkadaşlarınızla tartışınız. Kendinizi yeterli görüyorsanız diğer öğrenme faaliyetine geçiniz. Yetersiz olduğunuzu düşünüyorsanız öğretmeninize danışınız. 24
ÖĞRENME FAALİYETİ-3 ÖĞRENME FAALİYETİ-3 AMAÇ Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak gümüş aynası elde etme bilgi, beceri ve deneyimine sahip olabileceksiniz. ARAŞTIRMA Gümüşhane iline niçin bu ad verilmiştir? Araştırınız. Ülkemizde yılda kaç kg veya ton gümüş elde edilmektedir? Araştırınız. Çevrenizde gümüş metalini işleyen işletmeler var mı? Araştırınız. 3.1. Doğada Bulunuşu 3. GÜMÜŞ Gümüş doğada az bulunan bir elementtir. Yer kabuğunun yaklaşık % 10 18 ini oluşturur. Serbest olarak galen [PbS] mineraliyle birlikte simli kurşun olarak bulunur. Ayrıca bileşikleri hâlinde argentit [Ag 2 S], horn gümüşü [AgCl], kırmızı gümüş [3Ag 2 S.Sb 2 S 3 ] mineralleri hâlinde bulunur. 3.2. Elde Edilmesi 3.2.1. Yan Ürün Olarak Elde Edilmesi Gümüş daha çok bakır ve kurşun minerallerinde safsızlık olarak bulunur ve bunların elde edilmesinde yan ürün olarak görülür. 3.2.1.1. Bakır Üretiminde Yan Ürün Olarak Elde Edilmesi Bakır üretiminde, bakırın elektrolitik saflaştırılmasında, altın ve gümüş anot çamurunda toplanır. Buradan gümüşün kazanılması için çamur seyreltik sülfürik asitle karıştırılırsa gümüşten daha aktif olan safsızlıklar çözünür. Çözeltinin süzülerek alınmasından sonra geride kalan artık bu kez derişik sülfürik asitle etki ettirilirse gümüş, gümüş sülfat çözeltisi hâlinde altından ayrılır. Bu çözelti içine bakır parçaları atılmasıyla gümüş açığa çıkar. 2 Ag + 2 H 2 SO 4 Ag 2 SO 4 + 2 H 2 O + SO 2 Ag 2 SO 4 + Cu CuSO 4 + 2 Ag 25
3.2.1.2. Kurşun üretiminde Yan Ürün Olarak Elde Edilmesi Kurşun minerallerinde safsızlık olarak bulunan gümüş değişik yöntemlerle kazanılabilir. Bunlar, birbirini tamamlayan Pattinson, Parkes ve Kupellet yöntemleridir. Pattinson yöntemi: Bu yöntem, kurşun minerallerinden gümüş elde edilmesinde kullanılan bir yöntemdir. Bunun için mineral ergitilir ve soğumaya bırakılırsa kurşun kristalleşir. Bu kristallerin sürekli olarak süzgeçli kaşıklarla alınmasıyla geride % 2 kadar gümüş içeren gümüş kurşun alaşımı kalır. Parkes yöntemi: Bu yöntem Pattinson yöntemi ile elde edilen gümüş alaşımından gümüş elde edilmesini sağlamak üzere kullanılır. Yöntem, gümüşün ergimiş çinkoda ergimiş kurşundakinden çok daha fazla çözünmesi temeline dayanır. Gümüşün çinkoda çözünürlüğü kurşundakinden 300 kez daha fazladır. Kurşun ise çinkoda çözünmez. Parkes yönteminde gümüş içeren karışım ergitilir ve bir miktar çinko eklenerek iyice karıştırılır. Gümüşün büyük bir kısmı çinkoda çözünür. Karıştırma durdurulduğunda çinko gümüş alaşımı yüzeyde toplanır ve katılaşır. Buradan alınan alaşım damıtılarak daha uçucu olan çinko uzaklaştırılır ve az miktarda kurşun içeren gümüş geride kalır. Kupellet yöntemi: Parkes yöntemiyle elde edilen gümüşün daha çok saflaştırılması amacıyla kullanılır. Bunun için, içinde az miktarda kurşun bulunan gümüş, kemik külünden yapılmış Kupellet adı verilen sığ kaplar içinde ergitilir. Hava üflenerek kurşun oksitlenir ve dışarıya alınır. Gümüş (varsa altın) değişmeden kalır. Buradan elde edilen gümüşte de kısmen safsızlık bulunur. Çok saf gümüş elektrolitik saflaştırma ile elde edilir. 3.2.2. Minerallerinden Gümüş Elde Edilmesi Gümüş minerallerinden gümüş elde ederken en önemli olay, çözünmeyen gümüş bileşiklerinin çözeltiye geçmesini sağlamaktır. Bunun için değişik yöntemler kullanılır. 3.2.2.1. Siyanürleştirme Yöntemi Metalik gümüş ve bütün gümüş bileşikleri, oksijenli ortamda alkali siyanürlerde kolayca çözünerek gümüş komplekslerini verir. 4 Ag + 8 NaCN + 2 H 2 O + O 2 4 Na Ag(CN) 2 + 4 NaOH AgCl + 2 NaCN Na Ag(CN) 2 + NaCl 2 Ag 2 S + 8 NaCN + O 2 + 2 H 2 O 4 Na Ag(CN) 2 + 4 NaOH + 2 S 26
Yabancı maddelerden süzülerek arındırılan kompleks, toz hâlinde metalik çinko veya alüminyum eklenerek gümüşe indirgenir. 2 Na Ag(CN) 2 + Zn Na 2 Zn(CN) 4 + 2 Ag 3 Na Ag(CN) 2 + Al + 4 NaOH 3 Ag + NaAlO 2 + 6 NaCN + 2 H 2 O Burada elde edilen gümüş kısmen safsızlık içerir. Elektrolitik saflaştırma ile çok saf gümüş elde edilebilir. 3.2.2.2. Amalgam Yöntemi Bu yöntem, metalik hâlde gümüş veya gümüş klorür içeren minerallerden gümüşün elde edilmesinde kullanılır. Bunun için toz hâline getirilen mineral su ve cıva ile karıştırılır. Cıva metalik gümüşü çözer, gümüş klorürü de metalik gümüşe indirgeyerek amalgam oluşturur. 2 AgCl + 2 Hg Hg 2 Cl 2 + 2 Hg n Hg + Ag Ag(Hg) n amalgam Oluşan amalgam diğer safsızlıklardan ayrılır. Demirden yapılmış damıtma kaplarında ısıtılırsa cıva uçar, yoğunlaştırılarak tekrar kullanılır, gümüş ise geride kalır. Buradan elde edilen gümüş de kısmen safsızlık bulunduğundan elektrolitik saflaştırma ile saflaştırılır. 3.3. Elektrolitik Saflaştırma Burada saf gümüş, katodu; saf olmayan gümüş ise anodu oluşturur. Elektrolit olarak seyreltik nitrik asit içeren gümüş nitrat çözeltisi kullanılır. Saf gümüş katoda toplanır. 3.4. Gümüşün Özellikleri Gümüş yumuşak, beyaz ve parlak bir metaldir. Isı ve elektriği iyi iletir. Kolaylıkla şekil verilebilir. Normal koşullarda oksijenden etkilenmez, ancak hidrojen sülfür veya sülfür içeren maddelerin yanında (yumurta, hardal gibi) oksijenden kolaylıkla etkilenir ve parlaklığını kaybeder. Gümüşün bazı özelliklerini Tablo1.2 de görebilirsiniz 4 Ag + 2 H 2 S + O 2 2 Ag 2 S + 2 H 2 O Halojenler gümüşle tepkimeye girerek halojenürlerini oluşturur. 2 Ag + X 2 2 AgX Nitrik asit ve sülfürik asit gibi yükseltgen asitlerle tepkimeye girerek tuzlarını oluşturur. 27
3 Ag + 4 HNO 3 3 AgNO 3 + NO + 2 H 2 O 2 Ag + 2 H 2 SO 4 Ag 2 SO 4 + SO 2 + 2 H 2 O Aktiflik sırasında hidrojenin altında olduğu için gümüş, yükseltgen olmayan hidroklorik asit gibi asitlerde çözünmez. Gümüş tuzlarının çoğu suda çok az, gümüş nitrat ise çok çözünür. Gümüşün değerliği + 1 dir. Ancak AgO ve Ag 2 O 3 ve birçok kompleks bileşiklerinde + 2 ve + 3 değerlikli olabilir. 3.5. Kullanıldığı Yerler Ev eşyaları yapımında: Çatal, kaşık, vazo ve süs eşyalarının yapımında kullanılır. Kaplamacılıkta: Gümüş kaplama yapılırken kaplanacak eşya katodu, saf gümüş anodu oluşturacak şekilde bir elektroliz hücresi hazırlanır. Elektrolit olarak sodyum gümüş siyanür kompleks bileşiğinin çözeltisi kullanılır. Şekil 3.1 de böyle bir kaplama hücresi görülmektedir. Şekil 3.1: Gümüş kaplama hücresi Anot ve katot tepkimeleri aşağıda olduğu gibi gösterilebilir. Anot : Ag + 2 CN - Ag(CN) 2 - + e - Katot : Ag(CN) 2 - + e - Ag + 2 CN Anotta çözünen gümüş, katotta metalik hâle geçerek kaplanacak maddenin üzerini ince bir tabaka hâlinde kaplar. Kaplama düz, beyaz bir görünümdedir. Gümüş ayna yapımında: Gümüş aynaların yapımında cam üzerinde ince bir gümüş tabakası oluşturulur. Amonyaklı gümüş nitrat çözeltisi çok kuvvetli 28
olmayan bir indirgenle (glikoz veya formaldehit) ısıtılırsa metalik gümüşe indirgenir. Amonyaklı gümüş nitrat ve indirgenden oluşan karışım cam üzerine dökülüp ısıtılırsa metalik gümüş ayrılıp cam üzerinde ince bir tabaka oluşturur. Daha sonra yıkanan cam kurutulursa ayna meydana gelir. Ag(NH 3 ) 2 + + e - Ag + 2 NH 3 veya 2 Ag(NH 3 ) 2 OH + HCOH 2 Ag + 3 NH 3 + HCOONH 4 + H 2 O diamin gümüş formaldehit gümüş amonyum hidroksit aynası formiyat Fotoğrafçılıkta: Fotoğraf film ve camlarının üzeri AgNO3 den elde edilen AgBr ün sıcak jelatinli emülsiyonu ince homojen bir tabaka hâlinde sürülür. Soğuduğunda gümüş bromür jelatin çözeltisi donar, böylece fotoğraf filmi hazırlanmış olur. Alaşımlarının yapımında: Bakınız 3.7 Dişçilikte: Diş dolgu maddelerinin yapımında ve diş kaplamasında kullanılır. 3.6. Önemli Bileşikleri Gümüş bileşiklerinde en çok + 1 değerlikli olur, buna argentus adı verilir. Gümüş (I) iyonları fazla hidroliz olmaz, iyi bir yükseltkendir. 3.6.1. Gümüş Oksit [Ag 2 O ] Ag + + e - Ag E = - 0,80 volt Gümüşün ozonla tepkimesiyle toz hâlindeki gümüşün basınç altında oksijen içinde ısıtılmasıyla veya gümüş nitrat çözeltisine kuvvetli bazların etkisiyle koyu kahverengi amorf bir madde olarak elde edilir. 6 Ag + O 3 3 Ag 2 O 4 Ag + O 2 2 Ag 2 O 2 AgNO 3 + 2 NaOH Ag 2 O + 2 NaNO 3 + H 2 O Gümüş oksit suda çok az çözünür, çözeltisi baziktir. Ag 2 O + H 2 O 2 Ag + + 2 OH - Ancak amonyaklı çözeltilerde çok az çözünür, kuvvetli bir baz verir. Ag 2 O + 4 NH 3 + H 2 O 2 Ag(NH 3 ) 2 + + 2 OH - 29
Bu diamin gümüş kompleks çözeltisi gümüş kaplamacılığında ve ayna yapımında kullanılır. Çözelti buharlaştırılırsa kompleksten amonyak ayrılmaz, patlayıcı bir çökelek oluşur. Bu patlayıcı bileşiklerin gümüş amin veya gümüş nitrür (AgNH 2 veya Ag 3 N) yapısında olduğu sanılmaktadır. Gümüş oksit havada ısıtılırsa kolaylıkla oksijen vererek bozunur. C 300 2 Ag 2 O 4 Ag + O 2 3.6.2. Halojenürleri En önemli gümüş bileşikleri gümüş halojenürleridir. Gümüş florür suda çok çözünür, diğerlerinin çözünürlükleri ise klorürden iyodüre doğru azalır. Bileşik Çözünürlük çarpımı (Kç) AgCl 2,8.10 10 AgBr 5,0.10 13 AgI 8,5.10 17 Tablo 3.1: Gümüş halojenürlerin çözünürlük çarpımları Gümüş florür, gümüş oksidin sulu hidroflorik asitte çözünmesiyle elde edilir. Ag 2 O + 2 HF 2 AgF + H 2 O Çözelti buharlaştırılırsa suda çok çözünen AgF. 2 H 2 O kristalleri ayrılır. Bu kristaller 40 C dolayında ısıtılırsa suyunu kaybeder. Suda çözünmeyen gümüş halojenürleri gümüş tuzları çözeltisine halojenür iyonlarının eklenmesiyle elde edilir. Ag + + X - AgX Gümüş florür beyaz, gümüş klorür kirli beyaz, gümüş bromür açık sarı ve gümüş iyodür ise sarı renktedir. Gümüş klorür; derişik nitrik asit, derişik hidroklorik asit ve alkali klorürlerde klor kompleksleri yaparak çözünür. Ayrıca amonyak, siyanür ve tiyosülfat çözeltilerinde de kompleks vererek çözünür. AgCl + HCl AgCl 2 - + H + AgCl + 2 NH 3 Ag (NH 3 ) 2 + + Cl AgCl + 2 KCN K Ag(CN) 2 + KCl 30
AgCl + 2 Na 2 S 2 O 3 Na 3 Ag(S 2 O 3 ) 2 + NaCl Gümüşün florürü dışında bütün halojenürleri ışığa duyarlıdır. Işıkta elementlerine ayrışarak önce menekşe, daha sonra siyah renge dönüşür. 2 AgX + ışık (hν) 2 Ag + X 2 Bu nedenle özellikle gümüş bromür, ışığa duyarlı fotoğraf çözeltilerinin yapımında kullanılır. 3.6.3. Gümüş Sülfür [ Ag 2 S ] Gümüş sülfür, doğada argentit minerali hâlinde bulunur. Gümüş metali üzerinden kızıl derecede kükürt buharı geçirilmesi veya gümüş tuzları çözeltisinden hidrojen sülfür gazı geçirilmesiyle siyah renkte elde edilir. 2 Ag + S Ag 2 S 2 AgNO 3 + H 2 S Ag 2 S + 2 HNO 3 Gümüş sülfür sıcak nitrik asitte çözünür. 3 Ag 2 S + 8 HNO 3 6 Ag NO 3 + 3 S + 2 NO + 4 H 2 O Gümüş, bileşikleri arasında suda en az çözünenidir. Kç = 5,5.10 51 ortamlarda kolay çözünür. dir. Siyanürlü 3.6.4. Gümüş nitrat [ AgNO 3 ] Ag 2 S + 4 CN - 2 [Ag(CN) 2 ] - + S -2 Gümüş nitrat, gümüşün nitrik asitte çözünmesi ve suyunun buharlaştırılmasıyla kristaller hâlinde elde edilir. 3 Ag + 4 HNO 3 3 AgNO 3 + 2 H 2 O + NO Bu bileşik diğer birçok elementlerin nitratları gibi suda kolay çözünür, fakat bunlardan farklı olarak nem çekici değildir, çözeltisi nötraldir. Isıtılırsa azotdioksit vererek bozunur. 2 AgNO 3 2 Ag + 2 NO 2 + O 2 Gümüş nitrat, organik maddelerle siyah renkte metalik gümüşe indirgenir. Bu nedenle bezlere kalıcı yazı yazmada kullanılır. Işığa karşı çok duyarlıdır, ışıkta hemen bozunarak metalik gümüşe indirgenir. Cehennem taşı adı altında tıpta tümörlerin tedavisinde, makyajcılıkta yapay ben yapımında kullanılır. 31