Grupa 11 elemente

Disc de cupru obținut prin turnare continuă (puritate 99,95%, diametru aproximativ 83 mm) și curățat prin tratament chimic.

Cristal de argint pur (> 99,95%) obținut prin metoda electrolitică, cu structuri dendritice vizibile. Greutate ≈11g.

Un cristal de aur pur (> 99,99%) obținut artificial prin cristalizare din descompunerea la temperatură ridicată a triclorurii de aur (AuCl ₃ ).

Elementele grupei 11 sunt: cupru (Cu), argint (Ag), aur (Au) și roentgenium (Rg). Grupa 11 face parte din blocul d al tabelului periodic și componentele sale sunt metale de tranziție . Roentgenium este un element artificial radioactiv; au fost produși doar câțiva atomi și proprietățile sale chimice sunt slab înțelese. ^[1] În nomenclatura anterioară, acest grup a fost numit IB . Metalele din grupa 11 sunt cunoscute și sub denumirea de metale de bătut , referindu-se la utilizările tradiționale ale cuprului, argintului și aurului, dar această denumire nu este recunoscută de IUPAC . În mod tradițional, argintul și aurul sunt considerate metale nobile, deoarece chiar și atunci când sunt fierbinți nu sunt oxidate în aer. ^[2] La temperatura camerei aceste elemente sunt toate solide; culoarea roșie pentru numărul atomic indică faptul că elementul este sintetic și nu se găsește în natură.

Surse

Cuprul, argintul și aurul se găsesc în natură în forma lor nativă și, prin urmare, sunt printre primele metale cunoscute și utilizate de om. Cuprul nu este foarte frecvent pe scoarța terestră , fiind cel de-al douăzeci și șaselea element pentru abundență, dar este ușor de obținut din minele cu carieră , unde cel mai comun mineral este calcopirita (CuFeS ₂ ). Alte minerale importante sunt cupritul (Cu ₂ O), malachitul (Cu (OH) ₂ · CuCO ₃ ) și azuritul (Cu (OH) ₂ · 2CuCO ₃ ). Producția anuală de cupru se ridică la aproximativ 16 milioane de tone. Argintul și aurul sunt mult mai rare decât cuprul. Argintul este al șaizeci și șaselea element prin abundență pe scoarța terestră. Mineralele cu cea mai mare importanță economică pentru extracția argintului sunt acantitul (Ag ₂ S) și stefanitul (Ag ₅ SbS ₄ ), dar cea mai mare parte a argintului se obține ca produs secundar al rafinării cuprului și a altor metale. Se produc anual aproximativ 20.000 de tone de argint. Aurul este cel de-al 75-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră, unde se găsește în principal sub formă metalică, dispersat în minerale precum cuarțul și pirita . Peste 100 de tone de aur sunt produse anual, obținute în principal ca subprodus al rafinării cu zinc și cupru. ^[1]

Toxicitate și rol biologic

Cuprul este esențial pentru toate viețuitoarele. Este conținut în mai mult de zece enzime, dintre care unele sunt citocrom-c oxidază , superoxid dismutază și tirozinază . O dietă normală poate merge până la 6 mg de cupru pe zi, iar corpul uman conține aproximativ 70 mg . Prea mult cupru este toxic, dar, din fericire, ingerarea unor cantități excesive de cupru provoacă vărsături, limitând posibilitatea unor efecte acute. Argintul și aurul nu au roluri biologice. Un corp uman conține aprox 2 mg de argint și mai puțin de 0,2 mg de aur. Argintul este prezent în cantități mici în multe alimente, atât de mult încât o dietă normală poate merge până la 80 μg pe zi. Astfel de cantități mici nu creează probleme de sănătate, deoarece argintul numai dacă este ingerat în cantități mari poate provoca argirie . Ionul Ag ⁺ , pe de altă parte, este toxic pentru bacterii și viruși. Aurul și compușii săi sunt considerați puțin toxici și sunt utilizați și în medicină. ^[1]

Aplicații

Cuprul este utilizat în principal pentru conductivitatea termică și electrică ridicată . Aproximativ 60% din cuprul produs este utilizat în echipamente electrice. Restul este utilizat în principal în construcții (acoperișuri și țevi), în schimbătoare de căldură și în multe aliaje ( bronz , alamă , cupronickel și altele). Argintul este cel mai bun conductor termic și electric, precum și cel mai strălucitor metal. Se folosește în echipamente electronice, bijuterii, oglinzi, trofee, tacâmuri și tacâmuri. În trecut, era important în monede , acum limitat la medalii comemorative. Utilizarea în fotografie s- a redus semnificativ odată cu introducerea tehnicilor digitale . Argintul are, de asemenea, nenumărate utilizări minore, inclusiv baterii, amalgame dentare , sterilizarea din bacterii și viruși. Aproximativ trei sferturi din aurul produs este utilizat în bijuterii , obținându-se diverse culori cu adăugarea altor metale aliate. Aurul are diverse alte utilizări, inclusiv lingouri , ochelari pentru a reflecta radiația solară, dispozitive electronice pentru a face contactele electrice inoxidabile, catalizatori în industria chimică. ^[1]

Monetare

Cuprul, argintul și aurul sunt metale moi care pot fi ușor tăiate în manipularea zilnică a monedelor: prin urmare, în utilizarea numismatică, acestea trebuie lipite cu alte metale pentru a obține un material mai dur și mai rezistent la uzură.

• Monedele de aur conțin în mod obișnuit fie 90% aur (cum ar fi monedă americană de dinainte de 1933), fie aur de 22 de karate (91,6%) (cum ar fi monedele obișnuite de colecție și Krugerrands ), cuprul și argintul formând greutatea rămasă în ambele cazuri.
• Monedele de argint conțin în mod obișnuit 90% argint - în cazul monedelor bătute în Statele Unite înainte de 1965, care circulau în multe țări) sau sunt monede de argint sterlin (92,5%) pentru monedele din Commonwealth britanice înainte de 1967 și alte monede de argint, cu cupru alcătuind greutatea rămasă.
• Monedele din cupru sunt adesea cupru foarte pur, în jur de 97%, și sunt de obicei lipite cu cantități mici de zinc și staniu .

Nașterea și afirmarea bancnotelor a determinat scăderea valorii nominale a monedelor metalice sub valoarea de piață a metalului folosit pentru a le bate: acest lucru a determinat monedele moderne din metal să fie bătute cu aliaje slabe de metal, cum ar fi Cupronickel (80% cupru, 20% nichel, culoare argintie, foarte utilizat), nichel - alamă (75% cupru, 5% nichel, 20% zinc, auriu), mangan - alamă (cupru, zinc, mangan, nichel), bronz sau placat oțel .

Proprietățile elementelor

Punctele de topire ale elementelor blocului d.

Aurul are un singur izotop natural și, prin urmare, greutatea sa atomică este cunoscută foarte precis. Cuprul și argintul, pe de altă parte, au doi izotopi stabili, iar în cazul cuprului sunt distribuiți cu o anumită variabilitate; în consecință, greutatea atomică a cuprului este cunoscută cu mai puține cifre semnificative. Aurul este cel mai electronegativ dintre metale; valoarea 2,54 este foarte apropiată de valoarea carbonului ; iodul are 2,5 electronegativitate. Prin urmare, nu este atât de ciudat că aurul poate forma și anioni, așa cum se întâmplă în compusul CsAu ( cesiu auridic ), care este un compus ionic : nu are luciu metalic și în solid nu conduce electricitate. Elementele acestui grup pot fi obținute foarte pure; cu toate acestea, proprietățile lor fizice sunt cunoscute cu valori oarecum variabile, deoarece depind de modul în care au fost preparate metalele. Au un aspect tipic cu luciu metalic și culori caracteristice. Punctele de topire și fierbere continuă să scadă în mod regulat comparativ cu grupurile anterioare; de aceea rezistența legăturii metalice continuă să slăbească. Elementele grupei 11 sunt metale moi, foarte ductile și maleabile . Cel mai ductil și maleabil element este aurul: de la 1,0 g de aur se obține o foaie de aprox 1,0 m² , corespunzând unui strat de numai 230 de atomi. Din același gram de aur, 165 m de sârmă cu un diametru de 20 μm . Cele trei metale au, de asemenea, o conductivitate termică și electrică foarte mare ( în principal argint); aceste proprietăți sunt atribuite configurației electronice d ¹⁰ s ¹ , unde există un electron nepereche în afara subnivelului complet d. ^{[2] [3]}

Reactivitatea chimică și tendințele grupului ^{[2] [3] [4]}

Elementele grupei 11 sunt caracterizate prin faptul că au un singur electron s (configurația electronică d ¹⁰ s ¹ ), precum metalele alcaline (configurația p ⁶ s ¹ ) și, prin urmare, ar fi de așteptat cumva proprietăți similare. În practică, analogiile sunt limitate la existența unei stări de oxidare +1, în timp ce proprietățile chimice sunt foarte diferite. De fapt, ar trebui considerat că un nivel d complet protejează electronul extern mult mai puțin decât un ecran complet de nivel p. În consecință, în ceea ce privește metalele alcaline, în grupa 11 avem:

• electronul s este mai legat de nucleu și prima energie de ionizare este mult mai mare;
• razele ionice sunt mult mai mici decât metalul alcalin corespunzător. K ⁺ , Rb ⁺ și Cs ⁺ au raze ionice de 138, 152 și 167 pm , în timp ce Cu ⁺ , Ag ⁺ și Au ⁺ au raze ionice de 77, 115 și 137 pm;
• punctul de topire este mai mare; elementele grupei 11 sunt mai dure și mai dense;
• reactivitatea este mai mică, iar compușii sunt mai covalenți. În timp ce metalele alcaline sunt cele mai reducătoare din seria electrochimică , cu mai multe potențiale negative de –2,7 V, metalele din grupa 11 sunt aproape de celălalt capăt al scalei: potențialele de reducere M ⁺ / M sunt +0,52, +0,80 și +1,69 V pentru cupru, argint și respectiv aur.

Pe de altă parte, un nivel d complet poate fi afectat mai ușor decât un nivel p complet. În consecință, al doilea și al treilea potențial de ionizare este mai mic în metalele din grupa 11 decât în ​​metalele alcaline, astfel încât cuprul, argintul și aurul pot accesa stări de oxidare mai mari de +1. Pe scurt, toate aceste diferențe se datorează faptului că elementele grupei 11 sunt din toate punctele de vedere metale de tranziție, în timp ce metalele alcaline nu sunt.

Ca metale, elementele grupei 11 formează cu multe alte metale un număr mare de aliaje, care au fost și sunt importante din punct de vedere tehnologic. Reactivitatea Cu, Ag și Au scade coborând în grup, așa cum era de așteptat, având în vedere valorile deja menționate ale potențialelor de reducere; inerția aurului îl unește cu metalele din grupul platinei . Toate cele trei metale sunt stabile în aer uscat la temperatura camerei. În prezența umidității, cuprul este oxidat încet la suprafață, formând patina tipică verdigris, care este un carbonat de cupru de bază CuCO ₃ Cu (OH) ₂ . La căldură roșie, cuprul este oxidat chiar și în aer uscat și se formează oxidul, Cu ₂ O. Cuprul este, de asemenea, atacat de sulf și halogeni . Argintul este sensibil la sulf și la compușii săi și se înnegrește într-un mod caracteristic prin reacția cu urmele de H ₂ S prezente în aer, pentru a da sulfură neagră Ag ₂ S :

2Ag + H ₂ S → Ag ₂ S + H ₂

În condiții similare, cuprul formează un sulfat verde de bază. Pe de altă parte, aurul nu reacționează cu sulf. În general, reactivitatea acestor metale este facilitată în prezența oxidanților și, prin urmare, în absența aerului, nu se dizolvă în acizi diluați. Cu toate acestea, cupru și argint se dizolvă în concentrat , fierbinte H ₂ SO ₄ și cu _HNO3 asemenea diluat:

Cu + 2H ₂ SO ₄ (concentrație de fierbere) → CuSO ₄ + 2H ₂ O + SO ₂

Ag + 2HNO ₃ → _AgNO3 + NO ₂ + H ₂ O

Aurul se dizolvă numai dacă sunt prezenți în același timp un oxidant puternic și un bun agent de complexare; În mod normal se utilizează aqua regia , un amestec 3: 1 de concentrate HCl și HNO ₃ :

Au + 3HNO ₃ + 4HCl → HAuCl ₄ + 3NO ₂ + 3H ₂ O

Diagrama înghețului pentru cupru.

În acest grup, numărul stărilor de oxidare care pot fi obținute continuă să scadă, ca o consecință a stabilizării progresive a orbitalilor d la sfârșitul seriei de tranziție. În soluția apoasă, cele mai frecvente stări de oxidare sunt +2 pentru cupru (Cu ⁺ este instabil), +1 pentru argint și +3 pentru aur. Prin urmare, tendința obișnuită este respectată, cu o stabilitate mai mare a stărilor de oxidare mai mari care coboară de-a lungul unui grup.

În ceea ce privește chimia coordonării , urmând tendința deja observată în grupurile anterioare, având în vedere dimensiunea lor, aceste elemente au o tendință redusă de a forma compuși cu un număr de coordonare mai mare de 6. Trebuie remarcat faptul că se pot forma ioni cu stare de oxidare +1 complexe la coordonarea numărul 2, care sunt destul de rare.

Notă

Bibliografie

• ( EN ) P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F. Armstrong și M. Hagerman, Shriver & Atkins 'Inorganic Chemistry , ed. A V-a, Oxford University Press, 2010, ISBN 978-0199599608 .
• FA Cotton, G. Wilkinson și PL Gaus, Principiile chimiei anorganice , Milano, Editura Ambrosiana, 1991.
• ( EN ) J. Emsley, Nature's Building Blocks: An AZ Guide to the Elements (Ed. Nouă ) , New York, Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-960563-7 .
• ( EN ) NN Greenwood și A. Earnshaw, Chimia elementelor , ediția a II-a, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4 .
• ( EN ) CE Housecroft și AG Sharpe, Chimie anorganică , ediția a 3-a, Harlow (Anglia), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6 .

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre elementele grupului 11

Portalul chimiei

Portalul de fizică