Текст книги "Шпаргалка по неорганической химии"

19. Общая характеристика подгруппы галогенов

Галогены – элементы VII группы – фтор, хлор, бром, йод, астат (астат мало изучен в связи с его радиоактивностью). Галогены – ярко выраженные неметаллы. Лишь йод в редких случаях обнаруживает некоторые свойства, схожие с металлами.

В невозбужденном состоянии атомы галогенов имеют общие электронную конфигурацию: ns²np⁵. Это значит, что галогены имеют 7 валентных электронов, кроме фтора.

Физические свойства галогенов: F₂ – бесцветный, трудно сжижающийся газ; Cl₂ – желто-зеленый, легко сжижающийся газ с резким удушливым запахом; Br₂ – жидкость красно-бурого цвета; I₂ – кристаллическое вещество фиолетового цвета.

Водные растворы галогеноводородов образуют кислоты. НF – фтороводородная (плавиковая); НCl – хлороводородная (соляная); НBr – бромоводородная; НI – йодоводородная. Силы кислот сверху вниз снижаются. Плавиковая кислота является самой слабой в ряду галогеново-дородных кислот, а йодоводородная – самой сильной. Это объясняется тем, что энергия связи Нг сверху уменьшается. В том же направлении уменьшается и прочность молекулы Н Г, что связано с ростом межъядерного расстояния. Растворимость малорастворимых солей в воде тоже уменьшается:

Слева направо растворимость галогенидов уменьшается. АgF хорошо растворим в воде. Все галогены в свободном состоянии – окислители. Сила их как окислителей снижается от фтора к йоду. В кристаллическом, жидком и газообразном состоянии все галогены существуют в виде отдельных молекул. Атомные радиусы возрастают в том же направлении, что приводит к повышению температуры плавления и кипения. Фтор диссоциирует на атомы лучше йода. Электродные потенциалы при переходе вниз по подгруппе галогенов снижаются. У фтора самый высокий электродный потенциал. Фтор – самый сильный окислитель. Любой вышестоящий свободный галоген вытеснит нижестоящий, находящийся в состоянии отрицательного однозарядного иона в растворе.

20. Хлор. Хлороводород и соляная кислота

Хлор (Cl) – стоит в 3-м периоде, в VII группе главной подгруппы периодической системы, порядковый номер 17, атомная масса 35,453; относится к галогенам.

Физические свойства: газ желто-зеленого цвета с резким запахом. Плотность 3,214 г/л; температура плавления -101 °C; температура кипения -33,97 °C, При обычной температуре легко сжижается под давлением 0,6 МПа. Растворяясь в воде, образует хлорную воду желтоватого цвета. Хорошо растворим в органических растворителях, особенно в гексане (C₆H₁₄), в четырех-хлористом углероде.

Химические свойства хлора: электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²2p⁵. На внешнем уровне 7 электронов. До завершения уровня нужен 1 электрон, который хлор принимает, проявляя степень окисления -1. Существуют и положительные степени окисления хлора вплоть до + 7. Известны следующие оксиды хлора: Cl₂O, ClO₂, Cl₂O₆ и Cl₂O₇. Все они неустойчивы. Хлор – сильный окислитель. Он непосредственно реагирует с металлами и неметаллами:

Реагирует с водородом. При обычных условиях реакция идет медленно, при сильном нагревании или освещении – со взрывом, по цепному механизму:

Хлор взаимодействует с растворами щелочей, образуя соли – гипохлориты и хлориды:

При пропускании хлора в раствор щелочи образуется смесь растворов хлорида и гипохлорита:

Хлор – восстановитель: Cl₂ + 3F₂ = 2ClF₃.

Взаимодействие с водой:

Хлор не взаимодействует непосредственно с углеродом, азотом и кислородом.

Получение: 2NaCl + F₂ = 2NaF + Cl₂.

Электролиз: 2NaCl + 2H₂O = Cl₂ + H₂ + 2NaOH.

Нахождение в природе: содержится в составе минералов: галит (каменная соль), сильвин, бишофит; морская вода содержит хлориды натрия, калия, магния и других элементов.

Хлороводород HCl . Физические свойства: бесцветный газ, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде с образованием соляной кислоты.

Получение: в лаборатории:

В промышленности: сжигают водород в струе хлора. Далее хлороводород растворяют в воде, и получают соляную кислоту (см. выше).

Химические свойства: соляная кислота – сильная, одноосновная, взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂.

Как восстановитель реагирует с оксидами и гидроксидами многих металлов:

21. Краткие сведения о фторе, броме и йоде

Фтор (F); бром (Br); йод (I) относятся к группе галогенов. Стоят в 7-й группе главной подгруппы периодической системы. Общая электронная формула: ns²np⁶.

Физические свойства: F₂ – бесцветный, трудно сжижающийся газ; Br₂ – жидкость красно-бурого цвета, легко испаряется, образуя красно-бурые пары; I₂ – кристаллическое вещество фиолетового цвета со слабым металлическим блеском, при постепенном нагревании йод сублимируется, превращаясь в пар, минуя жидкое состояние. Бром и йод малорастворимы в воде, хорошо растворяются в органических растворителях – в бензине, бензоле, спирте. Химические свойства: галогены – ярко выраженные неметаллы. Фтор F₂ – связь ковалентная неполярная обладает высокой химической активностью, за счет маленького радиуса атома, является сильнейшим окислителем. Фтор реагирует практически со всеми простыми и сложными веществами. Окисляет кислород, образуя фториды кислорода: ОF₂ и О₂F₂. Вступает во взаимодействие даже с некоторыми инертными газами: 2F₂ + Хе = ХеF₄.

Не реагирует фтор только с гелием, неоном и аргоном. Водородное соединение фтора – НF (фтороводород) при растворении в воде образует плавиковую кислоту. Бром и йод тоже вступают в реакции со многими соединениями, особенно с металлами, которые сгорают в них и образуются соответствующие соли. Металлы при этом отдают электроны, а галогены их принимают, являясь окислителями. При растворении в воде дает бромную воду. Молекулы их также двухатомные, ковалентные неполярные, но они менее активны, чем фтор, что объясняется большим радиусом атома у брома и йода, чем у фтора. Все галогены – активные окислители, что проявляется при взаимодействии их с различными сложными веществами – смешивание сероводородной воды с раствором брома:

Бром с нулевой степенью окисления окисляет серу (-2) до 0, сам при этом восстанавливаясь до -1.

Йод (0) окисляет серу (+4) до +6, восстанавливаясь до -1.

Галогены нашли широкое применение в химической промышленности: фтор используют в синтезе полимеров – фторопластов, пластмассы, стойкой к химическим воздействиям (тефлон), смазочных веществ, жидкостей для холодильников (фреоны). Бром используется в изготовлении лекарственных препаратов, некоторых красителей; йод широко используется в медицине – 10 %-ный раствор йода в спирте – как антисептическое, дезинфицирующее средство, йод входит в состав некоторых фармацевтических препаратов. Также бром и йод используются при различных синтезах и анализах веществ.

22. Общая характеристика подгруппы кислорода

Подгруппа кислорода, или халькогенов – 6-я группа периодической системы Д.И. Менделле-ва, включающая следующие элементы:

1) кислород – О;

2) сера – S;

3) селен – Se;

4) теллур – Te;

5) полоний – Po (радиоактивный элемент).

Номер группы указывает на максимальную валентность элементов, стоящих в этой группе. Общая электронная формула халькогенов: ns²np⁴ – на внешнем валентном уровне у всех элементов имеется 6 электронов, которые редко отдают и чаще принимают 2 недостающих до завершения уровня электрона. Наличие одинакового валентного уровня обуславливает химическое сходство халькогенов. Характерные степени окисления: -1; -2; 0; +1; +2; +4; +6. Кислород проявляет только -1 – в пероксидах; -2 – в оксидах; 0 – в свободном состоянии; +1 и +2 – во фторидах – О₂F₂, ОF₂ т. к. у него нет d-под-уровня и электроны разъединяться не могут, и валентность всегда – 2; S – все, кроме +1 и -1. У серы появляется d-подуровень и электроны с 3р и с 3s в возбужденном состоянии могут разъединиться и уйти на d-подуровень. В невозбужденном состоянии валентность серы – 2 – в SО, 4 – в SО₂, 6 – в SО₃. Se +2; +4; +6, Te +4; +6, Po +2; -2. Валентности у селена, теллура и полония также 2, 4, 6. Значения степеней окисления отражены в электронном строении элементов: О – 2s²2p⁴; S – 3s²3p⁴; Se – 4s²4p⁴; Te – 5s²5p⁴; Po – 6s²6p⁴. Сверху вниз, с нарастанием внешнего энергетического уровня закономерно изменяются физические и химические свойства халькогенов: радиус атома элементов увеличивается, энергия ионизации и сродства к электрону, а также электроотрицательность уменьшаются; уменьшаются неметаллические свойства, металлические увеличиваются (кислород, сера, селен, теллур – неметаллы), у полония имеется металлический блеск и электропроводимость. Водородные соединения халькогенов соответствуют формуле: H₂R: H₂О, H₂S, H₂Sе, H₂Те – хальководороды. Водород в этих соединениях может быть замещен на ионы металлов. Степень окисления всех халькогенов в соединении с водородом -2 и валентность тоже 2. При растворении хальководородов в воде образуются соответствующие кислоты. Эти кислоты – восстановители. Сила этих кислот сверху вниз возрастает, т. к. уменьшается энергия связи и способствует активной диссоциации. Кислородные соединения халькогенов отвечают формуле: RО₂ и RО₃ – кислотные оксиды. При растворении этих оксидов в воде они образуют соответствующие кислоты: Н₂RО₃ и Н₂RO₄. В направлении сверху вниз сила этих кислот убывает. Н₂RО₃ – кислоты-восстановители, Н₂RO₄ – окислители.

23. Кислород и его свойства

Кислород (О) стоит в 1 периоде, VI группе, в главной подгруппе. р-элемент. Электронная конфигурация 1s²2s²2p⁴. Число электронов на внешнем уровне – 6. Кислород может принять 2 электрона и в редких случаях отдать. Валентность кислорода 2, степень окисления -2.

Физические свойства: кислород (О₂) – бесцветный газ, без запаха и вкуса; в воде малорастворим, немного тяжелее воздуха. При -183 °C и 101,325 Па кислород сжижается, приобретая голубоватый цвет. Строение молекулы: молекула кислорода двухатомна, в обычных условиях прочная, обладает магнитными свойствами. Связь в молекуле ковалентная неполярная. Кислород имеет аллотропную модификацию – озон (О₃) – более сильный окислитель, чем кислород.

Химические свойства: до завершения энергетического уровня кислороду нужно 2 электрона, которые он принимает проявляя степень окисления -2, но в соединении со фтором кислород ОF₂ -2 и О₂F₂ -1. Благодаря химической активности кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами. С металлами образует оксиды и пероксиды:

Кислород не реагирует только с платиной. При повышенных и высоких температурах реагирует со многими неметаллами:

Непосредственно кислород не взаимодействует с галогенами. Кислород реагирует со многими сложными веществами:

Кислороду характерны реакции горения:

В кислороде горят многие органические вещества:

При окислении кислородом уксусного альдегида получают уксусную кислоту:

Получение: в лаборатории: 1) электролизом водного раствора щелочи: при этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород; 2) разложением бертолетовой соли при нагревании: 2КСlО₃→2КСl + 3О₂↑; 3) очень чистый кислород получают: 2КМnO₄→К₂МnO₄ + МnО₂ + О₂↑.

Нахождение в природе: кислород составляет 47,2 % массы земной коры. В свободном состоянии он содержится в атмосферном воздухе – 21 %. Входит в состав многих природных минералов, огромное его количество содержится в организмах растений и животных. Природный кислород состоит из 3 изотопов: О₍₁₆₎, О₍₁₇₎, О₍₁₈₎.

Применение: используется в химической, металлургической промышленности, в медицине.

24. Озон и его свойства

В твердом состоянии у кислорода зафиксировано три модификации: α-, β– и γ– модификации. Озон (О₃) – одна из аллотропных модификаций кислорода. Строение молекулы: озон имеет нелинейное строение молекулы с углом между атомами 117°. Молекула озона обладает некоторой полярностью (несмотря на атомы одного рода, образующих молекулу озона), диамагнитна, так как не имеет неспаренных электронов.

Физические свойства: озон – синий газ, имеющий характерный запах; молекулярная масса = 48, температура плавления (твердого) = 192,7 °C, температура кипения = 111,9 °C. Жидкий и твердый озон взрывчат, токсичен, хорошо растворим в воде: при 0 °C в 100 объемах воды растворяется до 49 объемов озона.

Химические свойства: озон – сильный окислитель, он окисляет все металлы, в том числе золото – Au и платину – Pt (и металлы платиновой группы). Озон воздействует на блестящую серебряную пластинку, которая мгновенно покрывается черным пероксидом серебра – Аg₂О₂; бумага, смоченная скипидаром, воспламеняется, сернистые соединения металлов окисляются до солей серной кислоты; многие красящие вещества обесцвечиваются; разрушает органические вещества – при этом молекула озона отщепляет один атом кислорода, и озон превращается в обыкновенный кислород. Атакже большинство неметаллов, переводит низшие оксиды в высшие, а сульфиды их металлов – в их сульфаты:

Йодид калия озон окисляет до молекулярного йода:

Но с пероксидом водорода Н₂О₂ озон выступает в качестве восстановителя:

В химическом отношении молекулы озона неустойчивы – озон способен самопроизвольно распадаться на молекулярный кислород:

Получение: получают озон в озонаторах путем пропускания через кислород или воздух электрические искры. Образование озона из кислорода:

Озон может образовываться при окислении влажного фосфора, смолистых веществ. Определитель озона: чтобы опознать в воздухе наличие озона, необходимо в воздух погрузить бумажку, пропитанную раствором йодида калия и крахмальным клейстером – если бумажка приобрела синюю окраску, значит, в воздухе присутствует озон. Нахождение в природе: в атмосфере озон образуется во время электрических разрядов. Применение: будучи сильным окислителем озон уничтожает различного рода бактерии, поэтому широко применяется в целях очищения воды и дезинфекции воздуха, используется как белящее средство.

25. Сера и ее свойства

Сера (S) в природе встречается в соединениях и свободном виде. Распространены и соединения серы, такие как свинцовый блеск PbS, цинковая обманка ZnS, медный блеск Cu₂S. Для получения серы основным источником служит железный колчедан (пирит) FeS₂. Газовую серу получают из газов, образованных при коксовании и газификации угля.

Существует несколько известных аллотропных модификаций серы:

1) циклическая форма;

2) моноклинная форма;

3) кристаллическая ромбическая форма.

При температуре 20–25 °C (комнатная) наиболее устойчива желтая ромбическая сера (a-сера, r = 2,1 г/см³). При температурном интервале от 95,4 °C до 119,3 °C (температура плавления) наиболее стабильной является моноклинная сера (b-сера). При комнатной температуре кристаллы моноклинной серы постепенно переходят в монолит микроскопических кристаллов ромбической серы. При резком охлаждении сильно нагретой серы происходит образование пластической серы.

Реже встречается пурпурная сера, образующаяся при быстрой конденсации паров серы на поверхности, охлаждаемой жидким азотом.

Сера находится в VI группе третьего периода периодической системы. Имеет на внешнем электронном слое атома шесть электронов.

Проявляет степень окисления от -2 до +6.

Сера не растворима в воде, но растворима в органических растворителях. Является диэлектриком.

Сера – неметалл с типичными для него свойствами. Взаимодействует со многими металлами непосредственно (медью, железом, цинком), выделяя при этом теплоту. Среди металлов лишь золото, платина и рутений не вступают в реакцию с серой. Взаимодействует также с большинством неметаллов, за исключением азота и йода.

Химические свойства:

1) при нагревании сера реагирует с водородом, образуя сероводород: S + Н₂ = H₂S;

2) взаимодействуя с металлами, сера образует сульфиды: S + Fe = FeS; 2Al + 3S = Al₂S₃;

3) при сжигании серы в струе кислорода образуется сернистый газ или сернистый ангидрид SO₂: S + O₂ = SO₂;

4) чистая сера способна проявлять восстановительные свойства: S + 2HNO₃ = H₂SO₄ + 2NO.

Сера используется в большом количестве в народном хозяйстве. Серу используют для получения резины – при помощи серы происходит ее затвердевание (вулканизация).

Каучук с высоким содержанием серы называется эбонит, являющийся качественным электрическим изолятором. Для уничтожения некоторых сельскохозяйственных вредителей серу применяют в виде серного цвета. Серу используют для приготовления спичек, синей краски (ультрамарина), сероуглерода, серной кислоты.

26. Сероводород и сульфиды

Сероводород (H₂S) – бесцветный газ с резким запахом гниющего белка. В природе встречается вводах минеральных ключей вулканических газах, гниении отбросов, а также при разложении белков погибших растений и животных.

Получение:

1) прямой синтез из элементов, при температуре 600 °C;

2) воздействием на сульфиды натрия и железа соляной кислотой.

Физические свойства: сероводород тяжелее воздуха, очень ядовит. Сжижение его происходит при -60,8 °C, затвердение – при -85,7 °C. Легко воспламеняется на воздухе. Растворим в воде – при температуре 20 °C в 1 литре воды можно растворить 2,5 литра сероводорода, при этом образуется сероводородная кислота.

Химические свойства: сероводород – сильный восстановитель, в зависимости от условий (температура, pH раствора, концентрация окислителя) при взаимодействии с окислителями он окисляется до диоксида серы или серной кислоты:

1) горит голубоватым пламенем на воздухе:

2) при высокой температуре разлагается:

3) вступает в реакцию с галогенами:

4) взаимодействует с окислителями:

5) серебро при взаимодействии с сероводородом темнеет:

Применение: сероводород используют как химический реактив, а также как сырье для получения серы и серной кислоты.

Сероводородная кислота – слабая кислота. Водный раствор сероводорода.

Сульфиды – средние соли сероводородной кислоты.

Получение сульфидов:

1) взаимодействие металлов с серой при высокой температуре: Fe + S = FeS;

2) взаимодействие сводными растворами солей металлов: CuSO₄ + H₂S = CuS↓ + H₂SO₄;

3) сульфиды подвергаются гидролизу:

Взбалтывая раствор сульфида с серой можно обнаружить после выпаривания остаток, содержащий полисульфиды (многосернистые металлы).

Полисульфиды – соединения с большим содержанием серы, например Na₂S₂, Na₂S₅.

Для сульфидов характерны соединения переменного состава (FeS_1,01—FeS_1,14).

Природные сульфиды – основа руд цветных и редких металлов, поэтому их используют в металлургии. Некоторые сульфиды используют в производстве серной кислоты(FeS₂ – железный колчедан). В химической и легкой промышленности применяют сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов (в качестве основы люминофоров). В электронной технике используются как полупроводники.

27. Свойства серной кислоты и ее практическое значение

Структура формулы серной кислоты:

Получение: основным методом производства серной кислоты из SO₃ является контактный метод. Вначале получают диоксид серы SO₂ (сжигание серы и др.). Самый распространенный способ получения – обжиг серного колчедана FeS₂, затем диоксид серы SO₂ окисляют в триоксид серы SO₃ контактным методом. Полученный три-оксид серы SO₃ направляют на стадию поглощения, которую проводят концентрированной серной кислотой. Раствор SO₃ в H₂SO₄ называется олеум. Контактным методом получают 92,5 %-ную серную кислоту. При нитрозном методе H₂SO₄ получают, окисляя SO₂ в сернокислотном растворе, для этого в качестве катализатора используют смесь оксидов азота NO и NO₂. Нитрозным методом получают 75 %-ную серную кислоту.

Чтобы приготовить раствор серной кислоты, ее необходимо выливать в воду тонкой струйкой, сильно перемешивая, при этом в воде образуются гидраты и происходит выделение теплоты.

Физические свойства: Серная кислота – бесцветная вязкая жидкость, имеющая температуру плавления 10 °C, температура кипения 296 °C (с разложением на H₂O и SO₃). Серная кислота – сильная кислота. Концентрированная серная кислота в большом количестве поглощает пары воды, поэтому ее используют для осушения газов.

Химические свойства.

1. Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Окислительно-восстановительные реакции требуют нагревания, а продуктом реакции в основном является SO₂.

2. С металлами вступает в реакцию по-разному в зависимости от концентрации. Разбавленная серная кислота взаимодействует со всеми металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. Концентрированная серная кислота окисляет все металлы, стоящие в ряду напряжений, и серебро в том числе.

3. Разбавленная серная кислота взаимодействует с основаниями, основными и амфотерными оксидами, солями.

Серная кислота образует два вида солей: средние (сульфаты) и кислые (гидросульфаты).

Применение: серная кислота относится к главным продуктам химической промышленности. Ее используют для изготовления фосфорных и азотных удобрений, искусственных волокон, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов. С ее помощью получают другие кислоты, сульфаты, очищают нефтепродукты, применяют как электролит в свинцовых аккумуляторах, подготавливают поверхность металлов для гальванических покрытий.