1) типичным окислителям
2) переходным элементам
3) ѕ – элементам
1) газообразными веществами, без цвета и запаха
2) жидкостями при комнатной температуре
3) металлами
2) по два электрона на внешнем уровне
3) полностью заполненный внешний уровень
1) возможность терять два внешних электрона, образуя катион
со степенью окисления +2
со степенью окисления +1
3) возможность приобретать один электрон на внешний уровень, образуя
анион со степенью окисления -1
1) очень твёрдым
2) самым распространённым в земной коре
3) радиоактивным
1) самовоспламеняются на воздухе
2) хранятся в воде
3) хранятся в керосине
все эти металлы являются…
1) типичными изоляторами
2) сильными восстановителями
3) окислителями
1) пероксиды состава Ме2О2
2) оксиды состава Ме2О
t hv
1) К2О2 + 2К === 2К2О 3) 2КО2 + О3 === К2О + 3О2
t
2) КО2 + 3К === 2К2О
образуя…
1) гидроксиды
2) гидраты
3) гидриды
1) гидриды и кислород
2) щёлочи и водород
3) пероксиды и водород
1) КSО4
2) КНSО4
3) К2SО4
1) которые в ряду напряжения металлов стоят после Н
2) которые в ряду напряжения металлов стоят до Н
3) будут реагировать все
1) Аl и Nа
2) К и Nа
3) К и Мn
1) серебром и железом
2) хлоридом железа и серебром
3) нитратом меди (I I) и серебром
а) Nа + Н2 →
б) NаО2 + Н2О →
1. Все элементы главной подгруппы I группы периодической системы относятся к …
3) ѕ – элементам
2. Все ѕ – элементы, кроме водорода и гелия, являются…
3) металлами
3. Атомы щелочных элементов имеют …
1) по одному электрону на внешнем уровне
4. Атомы щелочных элементов имеют …
2) возможность терять единственный внешний электрон, образуя катион
со степенью окисления +1
5. Франций, завершающий I группу, является…
3) радиоактивным
6. Все ѕ – металлы очень активны и поэтому…
3) хранятся в керосине
7.Поскольку внешние электроны ѕ – металлов легко переходят к другим элементам, все эти металлы являются…
2) сильными восстановителями
8. Все щелочные металлы горят в атмосфере кислорода, образуя…
3) пероксиды Ме2О2 и оксиды Ме2О
9. Оксид калия может быть получен в результате реакции…
T
2) КО2 + 3К === 2К2О
10. Все ѕ – металлы соединяются с водородом уже при незначительном нагревании,
образуя…
3) гидриды
11. При взаимодействии щелочных металлов с водой образуютя…
2) щёлочи и водород
12. Сульфатом калия является вещество, имеющее формулу…
3) К2SО4
13. Металлы I группы главной подгруппы будут взаимодействовать с кислотами те, …
3) будут реагировать все
14. Пара металлов, обладающих наиболее сходными свойствами:
2) К и Nа
15. Реакция замещения возможна между…
4) нитратом серебра и железом
I I задание: Осуществите превращения, запишите соответствующие уравнения реакций.
Nа → Nа2О2 → NаО2 → Nа2СО3 → Nа Сl
Na2O2 + Na = Na2O
Na2O + CO2 = Na2CO3
Na2CO3 +2HCl = 2NaCl +H2O +CO2
I I I задание: закончите уравнения реакций
а)2Nа + Н2 → 2NaH
б) Nа2О + Н2О → 2NaOH
1. Все элементы главной подгруппы I группы периодической системы относятся к
3) ѕ – элементам
2. Все ѕ – элементы, кроме водорода и гелия, являются…
3) металлами
3. Атомы щелочных элементов имеют …
1) по одному электрону на внешнем уровне
4. Атомы щелочных элементов имеют …
2) возможность терять единственный внешний электрон, образуя катион
со степенью окисления +1
5. Франций, завершающий I группу, является…
3) радиоактивным
6. Все ѕ – металлы очень активны и поэтому…
Здесь нет правильного ответа: литий не воспламеняется на воздухе и может храниться не в керосине, но скорее всего оставьте, для остальных металлов справедливо
3) хранятся в керосине
7.Поскольку внешние электроны ѕ – металлов легко переходят к другим элементам,
все эти металлы являются…
2) сильными восстановителями
8. Все щелочные металлы горят в атмосфере кислорода, образуя…
3) пероксиды Ме2О2 и оксиды Ме2О, хотя тоже не для всех
9. Оксид калия может быть получен в результате реакции
2) КО2 + 3К === 2К2О
10. Все ѕ – металлы соединяются с водородом уже при незначительном нагревании, образуя…
3) гидриды
11. При взаимодействии щелочных металлов с водой образуютя…
2) щёлочи и водород
12. Сульфатом калия является вещество, имеющее формулу…
3) К2SО4
13. Металлы I группы главной подгруппы будут взаимодействовать с кислотами те, …
3) будут реагировать все
14. Пара металлов, обладающих наиболее сходными свойствами:
2) К и Nа
15. Реакция замещения возможна между…
4) нитратом серебра и железом
I I задание: Осуществите превращения, запишите соответствующие уравнения реакций.
Nа → Nа2О2 → NаО2 → Nа2СО3 → Nа Сl
2Nа+О2=Nа2О2
Nа2О2+2Nа=2Nа2О
Nа2О+СО2=Nа2СО3
Nа2СО3+2НСl=2NаСl+СО2+Н2О
I I I задание: закончите уравнения реакций
а) 2Nа + Н2 →2NаН
б) 2NаО2 + Н2О →NaOH + NaHO2 + O2
Главную подгруппу II группы Периодической системы элементов составляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.
Таблица 18 – Характеристика элементов 2Ап/группы
| Атомный номер | Название | Атомная масса | Электронная конфигурация | г/см 3 | tпл. C | tкип. C | ЭО | Атомный радиус, нм | Степень окисления |
| Бериллий Be | 9,01 | 2s 2 | 1,86 | 1,5 | 0,113 | +2 | |||
| Магний Mg | 24,3 | 3s 2 | 1,74 | 649,5 | 1,2 | 0,16 | +2 | ||
| Кальций Ca | 40,08 | 4s 2 | 1,54 | 1,0 | 0,2 | +2 | |||
| Стронций Sr | 87,62 | 5s 2 | 2,67 | 1,0 | 0,213 | +2 | |||
| Барий Ba | 137,34 | 6s 2 | 3,61 | 0,9 | 0,25 | +2 | |||
| Радий Ra | 7s 2 | 6 | 700 | 0,9 | – | +2 |
Атомы этих элементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона: ns 2 . В хим. реакциях атомы элементов подгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуют соединения, в которых степень окисления элемента равна +2.
Все элементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радий называются щелочноземельными металлами.
В свободном состоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболее распространенных элементов относятся кальций и магний. Основными кальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO 3 (его разновидности – известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO 4 , гипс CaSO 4 ∙ 2H 2 O , флюорит CaF 2 и фторапатит Ca 5 (PO 4) 3 F. Магний входит в состав минералов магнезита MgCO 3 , доломита MgCO 3 ∙ CaCo 3 , карналлита KCl ∙ MgCl 2 ∙ 6H 2 O. Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.
Свойства. Бериллий, магний, кальций, барий и радий – металлы серебристо-белого цвета. Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотности имеют кальций, магний, бериллий.
Радий является радиоактивным химическим элементом.
Бериллий, магний и особенно щелочноземельные элементы – химически активные металлы. Они являются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менее активен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металла защитной оксидной пленки.
1. Взаимодействие с простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуя оксиды и сульфаты:
2Be + O 2 = 2BeO
Бериллий и магний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы – при обычных условиях.
Все металлы этой группы легко реагируют с галогенами:
Mg + Cl 2 = MgCl 2
При нагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другими неметаллами:
Ca + H 2 = CaH 2 (гидрид кальция)
3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 (нитрид магния)
Ca + 2C = CaC 2 (карбид кальция)
Карибит кальция – бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащий различные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбит кальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C 2 H 2 – важного продукта хим. промышленности:
CaC 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2
Расплавленные металлы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллические соединения, например CaSn 3 , Ca 2 Sn.
2. Взаимодействуют с водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствует защитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой при нагревании:
Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2
Остальные металлы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
3. Взаимодействие с кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:
Be + 2HCl = BeCl 2 + H 2
Разбавленную азотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитрата аммония:
2Ca + 10HNO 3 (разб.) = 4Ca(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
В концентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллий пассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.
4. Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:
Be + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2
Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.
5. Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлы могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2
V 2 O 5 + 5Ca = 2V + 5CaO
Бериллий, магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридов или термическим восстановлением их соединений:
BeF 2 + Mg = Be + MgF 2
MgO + C = Mg + CO
3CaO + 2Al = 2Ca + Al 2 O 3
3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3
Радий получают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl 2 с ртутным катодом.
Получение:
1) Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид)
2) Термическое разложение нитратов или карбонатов
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
2Mg(NO 3) 2 – t° = 2MgO + 4NO 2 + O 2
Определение жесткости воды имеет большое практическое значение и широко применяется в технике, промышленности и сельском хозяйстве.
Вода приобретает жесткость при взаимодействии с солями кальция и магния, содержащимися в земной коре. Растворение карбонатов кальция и магния происходит при взаимодействии углекислого газа почвы с указанными солями.
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2
МgCO 3 + CO 2 + H 2 O = Mg(HCO 3) 2
Образовавшиеся бикарбонаты растворяются в грунтовых водах. Гипс СаSO 4
немного непосредственно растворим в воде.
Различают временную, постоянную и общую жесткость.
Временная, или карбонатная, жесткость обусловлена присутствием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция и магния. Эта жесткость легко устраняется при кипячении: t 0
Са(НСО 3) 2 = СаСО 3 + Н 2 О + СО 2
Mg(HCO 3) 2 = МgCO 3 + CO 2 + H 2 O
Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния, не дающих осадка при кипячении (сульфаты и хлориды). Сумма временной и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды . Она определяется суммарным числом миллимолей эквивалентов ионов Са 2+ и Мg 2+ в 1 л воды (ммоль/л) или тысячных долей молярных масс эквивалентов Са 2+ и Мg 2+ в 1 литре воды (мг/л).
Примечание: при расчетах, связанных с жесткостью воды надо учитывать, что Э(Са 2+) = 1/2Са 2+ и Э(Мg 2+) = 1/2 Мg 2+ , а Мэ(Са 2+) = 1/2М иона Са 2+ = 20г/моль и Мэ(Мg 2+) = ½ М иона Мg 2+ = 12 г/моль. Тогда: 0,02г – это масса 0,001 моль или 1ммоль эквивалентов Са 2+ .
По значению общей жесткости воду классифицируют следующим образом:
1. мягкая (< 4 ммоль/л),
1. среднежесткая (4-8 ммоль/л),
2. жесткая (8-12 ммоль/л),
3. очень жесткая (>12 ммоль/л).
Жесткая вода не пригодна для проведения технологических процессов в ряде отраслей и промышленности. При работе парового котла на жесткой воде, его нагреваемая поверхность покрывается накипью, т.к. накипь плохо проводит тепло, прежде всего становиться неэкономной сама работа котла. Уже слой накипи толщенной 1 мм повышает расход топлива приблизительно на 5%. Кроме того, изолированные от воды стенки котла могут нагреться до очень высоких температур. При этом стенки окисляются и теряют былую прочность, что может привести к взрыву котла. Пользование жесткой водой увеличивает расход моющих средств, затрудняет стирку белья, мытье волос и другие операции, связанные с потреблением мыла. Обусловлено это нерастворимостью солей двухвалентных металлов и входящих в состав мыла органических кислот, из за чего с одной стороны загрязняются омываемые предметы, а с другой - непроизводительно расходуется мыло.
Снизить жесткость воды можно различными способами:
1) кипячение (только для временной жесткости);
2) химический способ (с использованием Са(ОН) 2 , Na 2 CO 3 , (NaPO 3) 6 или Na 6 P 6 O 18, Na 3 PO 4 и др.)
3) метод ионного обмена с использованием адюмосиликатов:
Na 2 H 4 Al 2 Si 2 O 10 + Ca(HCO 3) 2 = CaH 4 Al 2 Si 2 O 10 + 2NaHCO 3
Na 2 H 4 Al 2 Si 2 O 10 + CaSO 4 = CaH 4 Al 2 Si 2 O 10 + Na 2 SO 4
и с помощью ионно-обменных смол, представляющих собой высокомолекулярные органические вещества, содержащие кислотные или основные функциональные группы.
Для умягчения воды используют также катиониты. Например, при пропускании жесткой воды через катионит типа RNa протекают следующие процессы ионного обмена:
2RNa + Ca 2+ =R 2 Ca + 2Na +
2RNa + Mg 2+ =R 2 Mg + 2Na +
Лучшим способом умягчения воды является ее перегонка.
Жесткость воды определяют с использованием титриметрических методов количественного анализа, являющегося разделом аналитической химии
Задания для контроля усвоения темы
1. На осаждение гидрокарбонатов кальция и магния из 2л воды израсходовано 2,12г карбоната натрия. Определите жесткость воды.
2. Карбонатная жесткость воды равна 40 мг/л эквивалентов. При кипячении 120л этой воды выделилось 216,8г осадка смеси карбоната кальция и гидроксокарбоната магния. Определите массу каждого компонента смеси.
3. Жесткая вода содержит 50мг/л гидрокарбоната кальция и 15мг/л сульфата кальция. Сколько (по массе) карбоната натрия потребуется для умягчения 1м 3 такой воды?
4. Какую массу фосфата натрия надо прибавить к 500мл воды. Чтобы устранить ее карбонатную жесткость, равную 5 ммоль эквивалентов?
5. Рассчитайте чему равна жесткость воды в 100л которой содержится 14,632г гидрокарбоната магния?
6. При определении жесткости воды комплексометрическим методом, на титрование 100мл воды потребовалось 5мл 0,1н. раствора трилона Б. Рассчитайте жесткость воды.
7. К 100л жесткой воды прибавили 12, 95г гидроксида кальция. На сколько понизилась карбонатная жесткость воды?
8. К жесткой воде, содержащей 1г сульфата кальция в литре, добавили избыток соды. Какова жесткость исходной воды в мг/л эквивалентов. Сколько граммов осадка выпадет после полного устранения жесткости из 1м 3 такой воды?
9. Сточная вода химического завода содержит в одном литре 5г кальциевой селитры м 2г поваренной соли. Какова жесткость этой воды в ммоль/л. Какое вещество и в каком количестве следует добавить к 10л такой воды для полного устранения жесткости?
10. Минеральная вода «Нарзан» содержит в одном литре 0,3394г кальция и 0,0884г магния в виде ионов. Какова общая жесткость нарзана в ммоль/л? Какое вещество и в каком количестве следовало бы добавить к одному кубометру «нарзана» для полного удаления жесткости?
11. Какова жесткость воды (в ммоль/л) , если для ее устранения к 100л воды потребовалось добавить 15,9 г безводной соды?
12. Вычислите жесткость воды, зная, что в 600л ее содержится 65,7г гидрокарбоната магния и 61,2 сульфата калия.
13. Растворимость гипса в воде равна 8 · 10 -3 моль/л. Какова жесткость такого (насыщенного) раствора в мг/л? Какое вещество и в каком количестве следует прибавить к одному кубометру такой воды для полного устранения ее жесткости?
14. При кипячении 250мл воды, содержащей гидрокарбонат кальция, выпал осадок массой 3,5мг. Чему равна жесткость воды?
15. Определите карбонатную жесткость, если на титрование 200мл воды израсходовано 8мл 0,05н. раствора НСl.
Двухатомная молекула существует только в случае азота (тройная связь), уже для фосфора перекрывание оказывается слишком мало. Фосфор образует три связи, но с разными атомами, его аллотропные модификации P 4 - белый фосфор - тетраэдрическая молекула, красный фосфор - соединение тетраэдров, черный фосфор - гофрированные слои, в которых каждый атом связан с тремя другими. У сурьмы и висмута металлические решетки.
Азот
Из металлов реагирует только с магнием и литием, образуя нитриды, с неметаллами реагирует только при высоких температурах с катализаторами. В природе азот переводится в аммиак с помощью фермента нитрогенеза.
Если вещество сочетает в себе азот в минимальной и максимальной степенях окисления, оно обычно способно к самопроизвольному разложению.
Азот образует полный ряд достаточно устойчивых оксидов: N 2 O; NO; N 2 O 3 ; NO 2 ; N 2 O 5 . Из всех оксидов только N 2 O 3 и N 2 O 5 - кислотные, остальные - несолеобразующие. N 2 O - веселящий газ, используется для наркоза, легко разлагается, выделяя кислород. Оксид азота (II) легко окисляется на воздухе:
2 NO + O 2 = 2 NO 2
Формулы кислот - HNO 2 (азотистая), HNO 3 (азотная). Соли называются соответственно нитриты и нитраты.
Нитриты добавляют в колбасы и мясные продукты для сохранения розового цвета. В круговороте азота в природе чрезвычайно важны нитраты. В сухом климате они накапливаются в местах окислительного гниения органических остатков. Практически все нитраты растворимы, поэтому для накопления их нужен сухой климат.
Нитраты и азотная кислота проявляют окислительные свойства:
4 KNO 3 + 5 C = 2 K 2 CO 3 + 3 CO 2 + 2 N 2 горение без доступа воздуха
Ag + 2 HNO 3 (50-70%) = AgNO 3 + NO 2 + H 2 O растворение серебра
При использовании «дымящей» HNO 3 (более 90%):
5 HNO 3 + P(кр.) = H 3 PO 4 + 5 NO 2 + H 2 O горение без доступа воздуха
При реакции азотной кислоты с металламисостав продуктов зависит от активности металла и концентрации кислоты; обычно образуется несколько продуктов окисления азота:
Cu + 4 HNO 3 (50-70%) = Cu(NO 3) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O
3 Cu + 8 HNO 3 (30%) = 3 Cu(NO 3) 2 + 2 NO + 4 H 2 O (примесь NO 2)
4 Zn + 10 HNO 3 (5%) = 4 Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3 H 2 O
Аммиак (NH 3) получают по реакции: N 2 + 3 H 2 = 2 NH 3 + 92 кДж
Аммиак благодаря большой теплоте испарения (23,5 кДж/моль) и удобным параметрам сжижения широко используется в крупных холодильных установках (промышленные пищевые холодильники, катки с искусственным льдом). В водных растворах аммиак проявляет слабые основные свойства. При этом соединение NH 4 OH не существует, ионы аммония находятся в равновесии с комплексом NH 3 *H 2 O:↔ NH 4 + + OH –
При смешивании газообразных хлороводорода и аммиака идет обратимая реакция: NH 3 + HCl ↔ NH 4 Cl. При нагревании большинство солей аммония “дымят” благодаря сдвигу равновесия влево. Щелочные и щелочноземельные металлы растворяются в жидком аммиаке, образуя ярко-синие растворы. Эти растворы постепенно превращаются с выделением водорода в прозрачные растворы амидов металлов. Аммиак как растворитель во многом подобен воде. Получение основания (амида) при растворении в аммиаке щелочного металла происходит по реакции: 2 K + 2 NH 3 = 2 KNH 2 + H 2. Аммиак может быть окислен до N 2 , до NO или N +5:
4 NH 3 + 3 O 2 = 2 N 2 + 6 H 2 O горение без катализатора
4 NH 3 + 5 O 2 = 4 NO + 6 H 2 O горение на катализаторе (Pt) – промышленный процесс
6 NH 3 + 8 KClO 3 + 6 NaOH = 6 NaNO 3 + 8 KCl + 12 H 2 O
N 2 H 4 гидразинможно рассматривать как аналог пероксида водорода. Он эндотермичен, горит с большим выделением тепла:
N 2 H 4 + O 2 = N 2 + 2 H 2 O ∆Н 0 = -622 кДж
Как и аммиак, гидразин – слабое основание: N 2 H 4 *H2O ↔ N 2 H 5 + + OH –
Азотистоводородная кислота (HN 3), по силе близка к уксусной; соли называются азидами. Азид натрия, разлагающийся с выделением азота, применяют в пиросмесях для быстрого наполнения газом автомобильных подушек безопасности.
Фосфор
Фосфор - содержится в мозгу, в скелете 2 кг (26%) Ca 3 (PO 4) 2 , в белках АТФ, в нуклеиновых кислотах.
Получают фосфор по реакции:
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 +5C = 3CaSiO 3 + 5CO + P 2(г) DН=3000 кДж
Фосфор образует ряд кислот, где валентность фосфора равна 5, а степень окисления может быть +1, +3, +5. Формулыкислородных кислот фосфора: H 3 PO 2 (фосфорноватистая), H 3 PO 3 (фосфористая), H 3 PO 4 (ортофосфорная). Названия средних солей соответственно гипофосфит, фосфит и фосфат. Ортофосфорная кислота - сильная кислота по первой ступени диссоциации (К1=7,6*10 -3), довольно слабая (слабее уксусной) по второй (К2 = 6,2*10 -8) и очень слабая (слабее угольной) по третьей (К3 = 4,4*10 -13). У всех фосфорных кислот существует главная черта: для окисленных состояний фосфора типична sp 3 -гибридизация с остающейся d-орбиталью для p-связи. При образовании кислородных кислот из P 2 O 5 последовательно рвутся связи Р-О, к Р присоединяется гидроксил от воды, а к кислороду - водород. При этом фосфор всегда сохраняет присущий sp 3 -гибридизации тетраэдр из атомов кислорода вокруг себя. Он так “любит” ‘этот тетраэдр, что когда не хватает кислорода, как в случае фосфористой или фосфорноватистой кислот, он присоединяет непосредственно к себе атом водорода, но тогда этот водород уже не отщепляется при ионизации.
Аналогичным образом фосфор ведет себя и во всех органических соединениях, включая АТФ и прочие биологические соединения.
Водородные соединения фосфоране устойчивы. Фосфин PH 3 и дифосфин P 2 H 4 самовоспламеняются на воздухе. Соли фосфония образуются только с сильными кислотами, например PH 4 I. Водой соли фосфония разлагаются.
Мышьяк
Оксидам мышьяка (III) и мышьяка (V) соответствуют мышьяковистая (H 3 AsO 3) и мышьяковая (H 3 AsO 4) кислоты. Для первой из них характерны восстановительные, для второй – окислительные свойства.
Мышьяковистый водород AsH 3 не устойчив и легко разлагается при нагревании.
VI группы. Халькогены
Атомы элементов подгруппы имеют следующее строение внешней электронной оболочки: ns 2 np 4 . Только кислород - газ, остальные твердые вещества. Все элементы VI группы - окислители - взаимодействуют с большинством металлов. Активность падает вниз по группе. В воде не растворяются, с разбавленными кислотами не реагируют.
Кислород
Кислород составляет 49,13% от общей массы земной коры. В земном шаре 28,56% кислорода. В воздухе только 0,03% от его массы в земной коре. 1200 минералов содержат кислород.
Кислород является окислителем. В перекиси водорода степень окисления кислорода равна -1, он может быть как окислителем так и восстановителем:
O 2 + 2H + + 2e ® 2H 2 O 2
H 2 O 2 + 2H + + 2e ® 2H 2 O
В воде H 2 O 2 нестабильна, диспропорционирует. Сжигая щелочные металлы в кислороде, можно получить перекиси металлов.
Азон (О 3) получается только при электрическом разряде: 3О 2 = 2О 3 . Озон образует озониды: 3KOH тв + 2O 3 ® 2KO 3(тв) +KOH×H 2 O + 1/2O 2 . Это непрочные соединения, сильнейшие окислители.
Сера
Важнейшими соединениями серы являются минералы: пирит FeS 2 , медный колчедан (халькопирит) CuFeS 2 . Многие сульфиды тяжелых металлов очень плохо растворимы, поэтому выделяются из кислых растворов.
В природе сера существует в виде соединений, в которых она проявляет степени окисления -2, 0, +4, +6. Важнейшее значение во взаимных превращениях соединений серы имеют простейшие микроорганизмы (бактерии и археи), лишенные ядра - прокариоты. Во многих растениях сера ассимилируется в виде сульфат-иона SO 4 2– и восстанавливается далее до сульфидных и дисульфидных групп. Некоторые анаэробные бактерии используют сульфаты фактически в качестве альтернативы кислороду, получая в процессе восстановления их до сульфидов S 2– энергию и синтезируя АТФ.
Сера растворима в щелочах: 3 S + 6 NaOH = Na 2 SO 3 + 2 Na 2 S + 3 H 2 O
Сера растворяется и в концентрированной серной кислоте, но только при нагревании: S + 2 H 2 SO 4 = 3 SO 2 + 2 H 2 O
Способность серы образовывать цепочки (S8 в ромбической и моноклинной сере) сохраняется и в соединениях с водородом: H 2 S 2 , H 2 S 3 , H 2 S 4 . Выделены персульфиды водорода до H 2 S 23 . Сера растворяется в насыщенных растворах сульфидов: Na 2 S + S = Na 2 S 2 .
Сероводород и сульфиды – сильные восстановители. В атмосфере сероводорода серебро чернеет из-за реакции образования Ag 2 S. При взаимодействии простых веществ (серы и ртути) легко образуется сульфид ртути HgS, поэтому пролитую ртуть, особенно попавшие в щели мелкие капли, нужно посыпать растертой серой.
Формулы кислот H 2 S 2 O 3 (тиосерная), H 2 S 3 O 6 (тритионовая), H 2 SO 3 (сернистая), H 2 SO 4 (серная). Соли называются соответственно тиосульфаты, тритионаты, сульфиты, сульфаты.
Тиосульфат получается при кипячении серы в растворе сульфита:
Na 2 SO 3 + S = Na 2 S 2 O 3
В противогазах времени первой мировой войны раствор тиосульфата использовался как “антихлор” благодаря сильному восстановительному действию:
Na 2 S 2 O 3 + 4 Cl 2 + 5 H 2 O = Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 + 8 HCl
С менее сильным окислителем иодом количественно идет реакция образования тетратионата: 2 Na 2 S 2 O 3 + I 2 = Na 2 S 4 O 6 + 2 NaI
Тиосерная кислота неустойчива и диспропорционирует:
H 2 S 2 O 3 = S ↓ + SO 2 + H 2 O
Концентрированная серная кислотасильный окислитель:
2 Ag + 2 H 2 SO 4 (>95%) = Ag 2 SO 4 + SO 2 + 2 H 2 O
4 Zn + 5 H 2 SO 4 (>95%) = 4 ZnSO 4 + H 2 S + 4 H 2 O
В серной кислоте хорошо растворим серный ангидрид SO 3 ; полученные растворы называют олеумом. Из олеума удается выделить пиросерные кислоты H 2 S 2 O 7 и H 2 S 4 O 13 . При электролизе растворов серной кислоты с высокими плотностями тока получается пероксосерная кислота H 2 S 2 O 8 (соли – персульфаты).
Сернистый газ SO 2 и соли сернистой кислоты проявляют свойства окислителя и восстановителя: SO 2 + 2 H 2 S = 3 S + 2 H 2 O
SO 2 + Cl 2 = SO 2 Cl 2
Возможно и диспропорционирование: 4 Na 2 SO 3 = 3 Na 2 SO 4 + Na 2 S
Серная кислота - самый крупнотоннажный продукт химического синтеза. Широко используется сульфат кальция в виде полуводного алебастра CaSO 4 *0,5H 2 O для получения гипса CaSO 4 *2H 2 O. Квасцы K*12H 2 O применяются для дубления кожи и при крашении тканей. Сульфат натрия используется в производстве стекла и бумаги. Тиосульфат натрия – растворитель галогенидов серебра в фотографии. Гидросульфит кальция Ca(HSO 3) 2 используется в производстве целлюлозы. В производстве синтетических моющих средств (сульфохлорирование углеводородов) используют смесь сернистого газа и хлора. На основе сульфидов стронция и бария готовят светящиеся краски. Сульфиды, селениды и теллуриды (кадмия, свинца) – перспективные полупроводники. Теллуриды висмута и сурьмы (Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3) применяются в качестве термопар в термогенераторах. Основное применение элементарной серы – вулканизация каучуков.
Характеристика элементов главной подгруппы VII группы. Галогены Электронная конфигурация ns 2 np 5 . Фтор и хлор - газы, бром - жидкость, иод - твердое вещество, молекулярный кристалл. Молекулы иода удерживаются в решетке за счет сил Ван-дер-Ваальса. Прочность двухатомных молекул падает по группе - уменьшается доля электронной плотности в пространстве между атомами. Исключение - фтор. Он кайносимметрик (первый раз заполняется p-оболочка, под ней нет такой же). Его молекула менее прочная, чем все остальные, поскольку электроны находятся близко друг от друга и сильно отталкиваются. Фтор - самый электроотрицательный элемент, вниз по группе электроотрицательность убывает. Все элементы - сильные окислители. Фтор взаимодействует со всеми элементами, даже с инертными газами (с Xe, Kr, Rn):
Xe + 2 F 2 = XeF 4 ∆H = - 252 кДж
В хлоре горят металлы, и даже неметаллы (P). Бром активно окисляет органические соединения, образует сильный ожог при попадании на кожу. Иод используется как антисептик тоже ввиду его окислительной активности. Поэтому в свободном виде эти элементы в природе встречаться не могут. Их можно получить окислением из солей. Поскольку фтор самый сильный окислитель, его ничем нельзя окислить химически. Поэтому его получают электролизом CaF 2 . Хлор в промышленности также получают путем электролиза поваренной соли. Но в лаборатории хлор уже можно получить окислением соляной кислоты или ее солей:
KMnO 4 + HCl ® MnCl 2 + Cl 2 + KCl + H 2 O
Аналогично можно получать бром и иод: KBr + Cl 2 ® KCl + Br 2
KI + Br 2 ® KBr + I 2
Взаимодействие с водой. Фтор разлагает воду при любом рН.
2 F 2 + 2 H 2 O = 4 HF + O 2
Хлор слабо разлагает воду при рН=0, с повышением рН - лучше. Остальные воду не разлагают: Cl 2 + H 2 O = HCl + HClO. Однако у всех галогенов кроме фтора есть положительные степени окисления, следовательно, они в принципе могут диспропорционировать.
Водородные соединения галогенов. С точки зрения метода молекулярных орбиталей самой прочной должна быть молекула HCl - орбитали наиболее близки по энергии. Однако самая прочная на самом деле HF - за счет водородных связей. У HF даже есть кислые соли - KHF 2 .
Галогенводороды, кроме HF, проявляют восстановительные свойства, которые усиливаются от HCl к HI:
2 KMnO 4 + 16 HCl = 2 MnCl 2 + 2 KCl + 5Cl 2 + 8 H 2 O
2 H 2 SO 4 (конц.) + 2 KBr = K 2 SO 4 + SO 2 + Br 2 + 2 H 2 O
5 H 2 SO 4 (конц.) + 8 KI = 4 K 2 SO 4 + H 2 S + I 2 + 4 H 2 O
Получение галогенводородов: а) прямой синтез из элементов - возможен только для HF и HCl. б) Замещение металлов в солях: KF + H 2 SO 4 ® K 2 SO 4 + НF. При этом кислота должна быть сильной (чтобы вытеснить сильную НF), нелетучей и концентрированной (иначе реакция будет обратимой, кислота НF не будет улетучиваться) и не окислять галогены. Концентрированная H 2 SO 4 является окислителем и окисляет Вr - до Br 2 , I - до I 2 , при этом сама восстанавливается до SO 2 и H 2 S соответственно.
Сила кислот возрастает вниз по группе. HF - слабая кислота, не проявляет восстановительных свойств. Остальные - восстановители.
Соединения неметаллов с галогенами называют галогенангидридами:
SiCl 4 + H 2 O ® H 2 SiO 3 + HCl.
Галогены реагируют друг с другом, при этом менее электроотрицательный элемент приобретает положительную степень окисления, более электроотрицательный - отрицательную. Естественно, все эти соединения - галогенангидриды.
Так как оба элемента – кислород и галоген - электроотрицательные, прочных кислородных соединений галогенов не может быть
2F 2 + 2NaOH = OF 2 + 2NaF + H 2 O.
Все оксиды, кроме I 2 O 5 , нестабильны, их образование из элементов сопровождается колоссальным уменьшением энтропии.
Кислоты - HBrO, HBrO 3 , HBrO 4 (последняя очень неустойчива) HIO, HIO 3 , H 5 IO 6 . HСlO 2 активно окисляет воду и диспропорционирует. HClO - самый сильный окислитель, окисляет воду и диспропорционирует на Cl 2 и HClO 3 . Иными словами, в кислой среде стабильны лишь ClO 4 - и Cl - . В щелочной среде ClO - несколько более стабилен (отбеливатели всегда щелочные).
Галогены – типичные активные неметаллы, реагируют с другими неметаллами и с металлами; реакции обычно экзотермические:
5 Cl 2 + 2 P = 2 PCl 5 реакция начинается при слабом нагревании
3 Br 2 + 2 Al = 2 AlBr 3 реакция начинается самопроизвольно
Окислительные свойства галогенов ослабевают сверху вниз по подгруппе, поэтому вышестоящие молекулярные галогены вытесняют из галогенид-ионов нижестоящие: Cl 2 + 2 NaBr = 2 NaCl + Br 2
Br 2 + 2 KI = 2 KBr + I 2
При взаимодействии галогенов с растворами щелочей состав продуктов реакции зависит от температуры:
Cl 2 + 2 NaOH =200C= NaCl + NaClO + H 2 O
Cl 2 + 6 NaOH =800C= 5 NaCl + NaClO 3 + 3 H 2 O
Характеристика переходных металлов
Переходные металлы это d-элементы побочных подгрупп периодической системы, имеют электронную структуру (n-1)d m ns 2 . Основное отличие от р-элементов - не действует правило четности. Сначала на связь уходят s -электроны, потом d-электроны по одному. У 3d-элементов низшие степени окисления более стабильны, чем высшие, у 4d- и 5d- наоборот, высшие степени окисления более стабильны. Переходные металлы зачастую образуют комплексные ионы и окрашенные соединения. Вплоть до Mn высшая степень окисления этих металлов соответствует номеру группы, далее она понижается. У хрома нестабильны степени окисления: +5 (очень редко встречается) +2 , +4 - только в твердых веществах. У Mn существуют все степени окисления от +2 до +7, но +5 очень неустойчива и получается только в холодной щелочи.
Низшие оксиды всегда основные (только у цинка амфотерный). С повышением степени окисления уменьшается ионность связи и увеличивается кислотность оксидов: MnO - основной оксид, Mn 2 O 3 - амфотерный, MnO 2 - несолеобразующий, остальные кислотные.
Рассмотрим свойства некоторых переходных металлов:
Железо
Железо находится в побочной подгруппе VIII группы периодической системы. Строение электронной оболочки атома: 3d 6 4s 2 .
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Атомы железа проявляют степень окисления +2 и +3.
Железо является одним из самых распространенных элементов в природе, массовая доля в земной коре – 5,1%. Железо входит в состав большинства горных пород. Основными железными рудами являются магнитный железняк, бурый железняк и красный железняк.
Свойства. Железо – серебристо-белый металл. На воздухе подвергается коррозии, покрываясь ржавчиной. Чистое железо достаточно мягкое и пластичное. Температура плавления 1539°С. В интервале температур 910-1390°С железо образует кубическую гранецентрированную решетку. Железо является достаточно химически активным металлом.
Взаимодействие с неметаллами. При нагревании железо реагирует с многими неметаллами: Fe + S – t FeS
2Fe + 3Cl 2 – t 2FeCl 3
2. Взаимодействие с водой. Железо взаимодействует с водой лишь при высоких температурах (свыше 700°С):
3Fe + 4H 2 O – t Fe 3 O 4 + 4H 2
3. Взаимодействие с кислотами. Железо растворяется в хлороводородной и разбавленной серной кислотах, образуя соли железа (II) и водород:
Fe + H 2 SO 4 FeSO 4 + H 2
В достаточно концентрированной серной кислоте реакция протекает по уравнению: Fe + 2H 2 SO 4 FeSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
В серной кислоте очень высокой концентрации железо пассивирует. С разбавленной азотной кислотой железо взаимодействует. Продукты взаимодействия в зависимости от концентрации кислоты могут быть различными. В концентрированной азотной кислоте железо пассивирует.
4. Взаимодействие с солями. Железо может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей: Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu
5. Взаимодействие с оксидом углерода (II). Железо, взаимодействуя с этим оксидом, образует пентокарбонил железа: Fe + 5CO
Железо и его соединения имеют большое значение для народного хозяйства. Сплавы железа с углеродом и другими веществами – стали являются основными конструкционными материалами. В химической промышленности железо используют как катализатор.
Цинк
Цинк находится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементов этой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s 2 p 6 d 10 ns 2 . Проявляют в соединениях степень окисления +2.
Цинк – серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. На воздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, которая ослабляет его металлический блеск.
Цинк – химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами (серой, хлором, кислородом): 2Zn + O 2 2ZnO
Растворяется в разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 и в водных растворах щелочей:
Zn + 2HCl ZnCl 2 + H 2
4Zn + 10HNO 3 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
Zn + 2NaOH + 2H 2 O Na 2 + H 2
Оксид цинка – белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинка являются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами: ZnO +2HCl ZnCl 2 + H 2 O
ZnO + 2KOH + H 2 O K 2
Цинк используют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунные изделия для защиты их от коррозии.
Медь
Медь находится в побочной подгруппе I группы Периодической системы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппы выражается формулой (n-1)d 10 ns 1 . На внешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако в образовании химических связей могут принимать участие и электроны с d-подуровня предпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2, +3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.
Медь – мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокой электрической проводимостью.
Медь – химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании: 2Cu + O 2 – t 2CuO
Не реагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной серной кислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:3Cu + 8HNO 3 (разб.) 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4 (конц.) CuSO 4 + SO 2 +2H 2 O
Во влажной атмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрывается зеленоватым налетом основного карбоната меди:
2Cu + O 2 + CO 2 +H 2 O Cu(OH) 2 ∙ CuCO 3
Хром
Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодической системы. Строение электронной оболочки хрома: Cr 3d 5 4s 1 .
Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%. Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, или хромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено на магний, а хром – на алюминий.
Хром – серебристо серый металл. Чистый хром достаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.
Хром химически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (из неметаллов), образуя смесь фторидов. При высоких температурах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом, галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором: 4Cr + 3O 2 – t ° → 2Cr 2 O 3
2Cr + 3Cl 2 – t ° → 2CrCl 3
2Cr + N 2 – t° → 2CrN
2Cr + 3S – t° → Cr 2 S 3
В азотной и концентрированной серной кислотах он пассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной и разбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностью освобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекает на воздухе – соли хрома (III): Cr + 2HCl → CrCl 2 + H 2
2Cr + 6HCl + O 2 → 2CrCl 3 + 2H 2 O + H 2
C Si Ge Sn Pb
Общая характеристика
Электронная конфигурация ns 2 np 2
Характерные степени окисления: -4; 0; +2; +4.
Максимальная валентность этих элементов, как по отдаче, так и по присоединению электронов, равна четырем. В связи с увеличением объема атомов при переходе от углерода к свинцу процесс принятия электронов ослабевает, а лёгкость их потери возрастает, поэтому металлические свойства атомов возрастают сверху вниз.
Углерод
Нахождение в природе, применение, физические свойства. Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей живых организмов и продуктов их разрушения (каменный уголь, нефть и т. д.), он входит в состав многих минералов, имеющих большей частью общую формулу МСО 3 , где М – двухвалентный металл. Наиболее распространенным из таких минералов является кальцит (CaCO 3), образующий иногда громадные скопления на отдельных участках земной поверхности. В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа , который в растворенном состоянии находится также во всех природных водах.
В форме древесного угля углерод был известен человечеству с незапамятных времен. Современное название он получил в 1787 г. Природный углерод слагается из двух изотопов - 12 С (98,892%) и 13 С(1,108%). Масса изотопа углерода-12 принята за единицу атомных и молекулярных масс. В различных природных объектах соотношение обоих изотопов может незначительно изменяться.
Свободный углерод встречается в природе в виде двух простых веществ - алмаза и графита (наиболее устойчивая форма углерода при обычных условиях). К ним можно отнести и так называемый “аморфный” углерод, простейшим представителем которого является древесный уголь. Алмаз имеет плотность 3,5 г/см 3 и является самым твёрдым из всех минералов. Наиболее чистые алмазы бесцветны и прозрачны. Графит представляет собой серую, имеющую металлический блеск и жирную на ощупь массу с плотностью 2,2 г/см 3 . Он очень мягок - легко царапается ногтем и при трении оставляет серые полосы на бумаге. “Аморфный” углерод по свойствам довольно близок к графиту.
Образование природных алмазов происходило путем кристаллизации углерода в глубинных слоях Земли (200-300 км от поверхности) при температурах порядка 3000°С и давлениях порядка 200 тыс. атм. Их коренные месторождения связаны с весьма редким выходом на поверхность особой горной породы - кимберлита, а рассыпные изредка встречаются в наносных пластах. Промышленные разработки содержат в среднем только 0,5 г алмаза на тонну породы. Богатые месторождения были открыты в Якутии (1955 г). Структуру алмаза можно представить в виде тетраэдров с атомом углерода в центре, которые повторяются в бесконечности в трех измерениях (рис. 1). Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку.
Рис. 1. Схема расположения атомов С в алмазе. Рис. 2. Обычная огранка бриллианта.
Несмотря на свою твердость, алмаз хрупок и легко раскалывается от удара. Он хорошо проводит тепло, но практически не проводит электрический ток. Не все алмазы бесцветны, некоторые из них имеют окраску, от лишь слегка наметившейся до интенсивной. По отношению к рентгеновским лучам алмаз прозрачен (в отличие от подделок), а для ультрафиолетовых одни кристаллы прозрачны, другие нет.
Алмаз отличается большой инертностью: на него не действуют ни кислоты, ни щелочи. На воздухе алмаз горит при температуре около 900 °С, а в кислороде - около 700 °С. После сгорания остаётся немного золы (0,02 вес. % и более), что свидетельствует о наличии в природных алмазах примесей (главным образом алюминия, кремния, кальция и магния). При нагревании выше 1200 °С в отсутствие воздуха начинается графитизация алмаза.
Наиболее красивые алмазы шлифуют и под названием бриллиантов (рис. 2) употребляют в качестве украшений. Для их расценки служит применяемая к драгоценным камням единица массы - карат (0,2 г). Самый крупный добытый алмаз (“Куллинан”) весил 3026 каратов, т.е. более 600 г.
Исключительная твердость алмаза обусловливает его ценность для техники. Промышленность использует все те камни (громадное большинство), в которых имеется какой-либо изъян (некрасивая окраска, трещины и т. д.), делающий их непригодными в качестве украшений.
Существует предположение, что исходным материалом для природного синтеза алмазов служил углерод, возникавший в результате восстановления (при высоких температурах и под большим давлением) карбонатных пород двухвалентным железом по примерной суммарной схеме:
СаСО 3 + 5 FeO → Ca(FeO 2) 2 + Fe 3 O 4 + C.
Fe +2 Fe +3 (Fe +3 O 4)
Необходимое для кристаллизации углерода в форме алмаза очень высокое давление создавалось за счет его случайных местных повышений.
Попытки искусственного получения алмазов предпринимались многократно, но впервые увенчались успехом лишь в 1953 г. Перевод графита в алмаз может быть осуществлен только при очень высоких давлениях, при высоких температурах и наличии катализаторов, из которых наиболее подходящими оказались некоторые элементы триад. Зародышевые кристаллы алмаза возникают на поверхности раздела между графитом и расплавленным металлом-катализатором. Они остаются покрытыми пленкой жидкого углеродсодержащего металла, сквозь который углерод затем и диффундирует от графита к алмазу по мере его роста. Современная техника позволяет получить в одной камере за несколько минут 20 г алмазов.
Интересен также другой метод синтеза - действием на графит (в смеси с катализатором) ударной волны, создаваемой взрывом . Мгновенность этого действия компенсируется возникновением в момент взрыва чрезвычайно высоких давления и температуры. Так при одном из опытов с ударной волной под давлением в 300 тыс. атм. почти весь взятый графит превратился в очень мелкие алмазные кристаллики (размером до 40 мк).
Искусственные алмазы представляют собой мелкие кристаллы, преимущественная форма которых обычно меняется от кубической (при сравнительно низких температурах синтеза) к октаэдрической (при высоких). Цвет их тоже различен: от черного при низких температурах до зеленого, желтого и белого - при высоких. Например, в одном из опытов под давлением 200 тыс. атм. мгновенным (в течение тысячных долей секунды) нагреванием графита электрическим разрядом до 5000°С были получены бесцветные алмазы чистой воды. Цвет искусственных алмазов существенно зависит от природы включаемых в кристаллы примесей (а тем самым и от состава исходной графитовой смеси). Например, примесь никеля придаёт зеленоватые тона, а одновременно никеля и бора - синие.
Крупным потребителем графита является керамическая промышленность, изготовляющая из смеси графита с глиной тигли для переплавки металлов (графитовые тигли). Из прессованного графита делают газовые рули ракет . В металлургии он используется для обсыпки форм при литье. Из-за хорошей электропроводности графита из него изготовляют электроды для электротехнических и электрометаллургических процессов . Значительное количество графита идет для изготовления минеральных красок и (в смеси с глиной) карандашей. Интересным применением графита является использование его порошка (отдельно или вместе с машинным маслом) в качестве смазочного материала для трущихся частей механизмов.
Менее известны два других аллотропа углерода - карбин и фуллерен .
Может существовать отличная и от графита, и от алмаза линейная форма элементарного углерода карбин .
Кроме того, были получены фуллерены С 70 , С 74 , С 84 и т. п., имеющие форму сфероида (рис. 2).
Рис. 2. Молекулы С 60 и С 70 .
Химические свойства. Углерод в свободном состоянии является типичным восстановителем. При окислении кислородом в избытке воздуха он превращается в оксид углерода (IV):
при недостатке - в оксид углерода (II):
Обе реакции сильно экзотермичны.
При нагревании углерода в атмосфере оксида углерода (IV) образуется угарный газ:
Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:
Так протекают реакции с оксидами кадмия, меди, свинца. При взаимодействии углерода с оксидами щелочноземельных металлов, алюминия и некоторых других металлов образуются карбиды:
Объясняется это тем, что активные металлы - более сильные восстановители, чем углерод, поэтому при нагревании образующиеся металлы окисляются избытком углерода, давая карбиды:
Соединения с водородом. У глерод и элементы IV группы образуют гидриды общей формулой Э n H 2 n +2 . Для углерода n может принимать большие значения; кремния – n = 1÷6; германия – n = 1÷3; олова и свинца – n = 1.
СН 4 – карбид водорода (метан). Газ без цвета и запаха, химически инертен, не взаимодействует с кислотами и щелочами, легко загорается, в смеси с воздухом взрывоопасен «гремучая смесь».
Производные метана – метаниды: карбид бериллия и алюминия Be 2 C и Al 4 C 3 . Тугоплавкие вещества, разлагаются водой:
Al 4 C 3 + H 2 O → Al(OH) 3 + CH 4
Углерод образует большое число перкарбидов:
С 2 Н 6 этан; С 2 Н 4 этен; С 2 Н 2 этин.
Перкарбиды металлов s и d-элементов, I и II группы (А) и алюминий – называются ацетилениды.
AgNO 3 + C 2 H 2 → Ag 2 C 2 + HNO 3
ацетилид серебра
Al + C 2 H 2 → Al 2 (C 2) 3 + H 2
ацетилид алюминия
Ацетилид кальция (перкарбид) получают нагреванием оксида кальция с углём:
СаО + С t → СаС 2 + СО
(перкарбид), называют просто карбид кальция, он разлагается водой:
СаС 2 + H 2 O → Са(OH) 2 + C 2 H 2 - используют для получения ацетилена
9 F 1s 2 2s 2 2p 5
17 Cl 3s 2 3p 5
35 Br 3d 10 4s 2 4p 5
53 I 4d 10 5s 2 5p 5
85 At 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5
5 элементов главной подгруппы VII группы имеют общее групповое название «галогены» (Hal), что означает «солерождающие».
В подгруппу галогенов входят фтор, хлор, бром, иод и астат (астат - радиоактивный элемент, изучен мало). Это р-элементы группы периодической системы Д.И. Менделеева. На внешнем энергетическом уровне их атомы имеют по 7 электронов ns 2 np 5 . Этим объясняется общность их свойств.
Свойства элементов подгруппы галогенов
Они легко присоединяют по одному электрону, проявляя степень окисления -1. Такую степень окисления галогены имеют в соединениях с водородом и металлами.
Однако атомы галогенов, кроме фтора, могут проявлять и положительные степени окисления: +1, +3, +5, +7. Возможные значения степеней окисления объясняются электронным строением, которое у атомов фтора можно представить схемой
Будучи наиболее электроотрицательным элементом, фтор может только принимать один электрон на 2р-подуровень. У него один неспаренный электрон, поэтому фтор бывает только одновалентным, а степень окисления всегда -1.
Электронное строение атома хлора выражается схемой:
У атома хлора один неспаренный электрон на 3р-подуровне и обычном (невозбужденном) состоянии хлор одновалентен. Но поскольку хлор находится в третьем периоде, то у него имеется еще пять орбиталей 3 -подуровня, в которых могут разместиться 10 электронов.
В возбужденном состоянии атома хлора электроны переходят с 3p - и 3s-подуровней на 3d-подуровень (на схеме показано стрелками). Разъединение (распаривание) электронов, находящихся в одной орбитали, увеличивает валентность на две единицы. Очевидно, хлор и его аналоги (кроме фтора) могут проявлять лишь нечетную переменную валентность 1, 3, 5, 7 и соответствующие положительные степени окисления. У фтора нет свободных орбиталей, а значит, при химических реакциях не происходит разъединения спаренных электронов в атоме. Поэтому при рассмотрении свойств галогенов всегда надо учитывать особенности фтора и соединений.
Водные растворы водородных соединений галогенов являются кислотами: НF - фтороводородная (плавиковая), НСl - хлороводородная (соляная), НВr - бромводородная, НI - йодоводородная.
Одинаковое строение внешнего электронного слоя (ns 2 np 5) обусловливает большое сходство элементов.
Простые вещества - неметаллы F 2 (газ), Cl 2 (газ), Вг 2 (ж), l 2 (тв.).
При образовании ковалентных связей галогены чаще всего используют один неспаренный р-электрон, имеющийся в невозбужденном атоме, проявляя при этом В = I.
Валентные состояния атомов CI, Br, I.
Образуя связи с атомами более электроотрицательных элементов, атомы хлора, брома и йода могут переходить из основного валентного состояния в возбужденные, что сопровождается переходом электронов на вакантные орбитали d-подуровня. При этом число неспаренных электронов увеличивается, вследствие чего атомы CI, Br, I могут образовывать большее число ковалентных связей:
Отличие F от других галогенов
В атоме F валентные электроны находятся на 2-м энергетическом уровне, имеющем только s- и р- подуровни. Это исключает возможность перехода атомов F в возбужденные состояния, поэтому фтор во всех соединениях проявляет постоянную В, равную I. Кроме того, фтор - самый электроотрицательный элемент, вследствие чего имеет и постоянную с. о. -1.
Важнейшие соединения галогенов
I. Галогеноводороды HHal.
II Галогениды металлов (соли галогеноводородных кислот) - самые многочисленные и устойчивые соединения галогенов
III. Галогенорганические соединения
IV. Кислородсодержащие вещества:
Неустойчивые оксиды, из которых достоверным можно считать существование 6 оксидов (Cl 2 O, ClO 2 , Cl 2 O 7 , Вr 2 O, ВrO 2 , I 2 O 5);
Неустойчивые оксокислоты, из которых только 3 кислоты выделены как индивидуальные вещества (НСlO 4 , НlO 3 , НlO 4);
Соли оксокислот, главным образом хлориты, хлораты и перхлораты.