Текст книги "Шпаргалка по неорганической химии"

46. Химические свойства металлов

Металлы обладают низким потенциалом ионизации и сродством к электрону, поэтому в химических реакциях выступают в качестве восстановителей, в растворах образуют катионы. Электроотрицательность у металлов ниже, чем у неметаллов. Могут входить в состав сложных анионов или комплексов, но при этом являются центрами положительного заряда. Лишь у амфотерных металлов (проявляющих как окислительные, так и восстановительные свойства) – Sn олово, Po полоний, Sb сурьма и др. – существуют соединения с отрицательной степенью окисления. Во всех химических соединениях у металлов химическая ковалентная полярная связь.

Сильно варьируется способность металлов к окислению. Основная часть металлов взаимодействует с кислородом воздуха при комнатной температуре, но скорость и механизм протекания реакции зависят от состава и чистоты металла (чаще образуются оксиды, у щелочных металлов – пероксиды). Некоторые металлы на воздухе образуют оксидную пленку, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления (Al – алюминий, Ti – титан, Сr – хром).

Металлы, имеющие стандартный электродный потенциал отрицательнее -0,413 В, окисляются водой, выделяя при этом Н₂. Щелочные и щелочноземельные металлы вступают во взаимодействие с водой при комнатной температуре, другие (Zn – цинк, Fe – железо и др.) – при высоких температурах. Растворимые анионные комплексы бериллия, цинка, алюминия, галлия, олова вступают в реакцию с растворами щелочей.

Основная часть металлов окисляется определенными кислотами. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, окисляются ионом водорода, входящего в состав кислот и образуют раствор соли, если не происходит образования нерастворимых продуктов реакции. С азотной кислотой в зависимости от ее концентрации металлы взаимодействуют по-разному. Концентрированная азотная кислота пассивирует некоторые металлы, например, железо, а разбавленная вступает во взаимодействие с ними, образуя катионные комплексы. Чтобы получить раствор малоактивных металлов, например, золота или платины, используют смеси, содержащие окислитель и поставщика лигандов, такие как царская водка или смесь HNO₃ и HF.

Важным характерным свойством металлов является способность образовывать основные оксиды и гидроксиды. В главных подгруппах периодической системы основность оксидов и гидроксидов идет на возрастание сверху вниз, а в побочных подгруппах (исключение составляют I–III) – наоборот – снизу вверх. С ростом порядкового номера в периодах и рядах основность металла убывает. Металлы, имеющие несколько степеней окисления, имеют кислотные оксиды.

47. Металлы и сплавы в технике

В периодической системе из 110 известных элементов 88 – металлы. В XX веке при помощи ядерных реакций были получены радиоактивные металлы, которых не существует в природе. В современной металлургии получают более 60 металлов, на основе которых – 5000 сплавов.

Основой структуры металлов является металлическая связь (кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов). Она обуславливает физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность – способность металлов изменять форму, уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe.

Высокая электропроводность металлов связана с наличием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. Лучший проводник электричества – серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо.

Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см³), самый тяжелый – осмий (22,6 г/см³).

Легкие металлы – металлы с плотностью меньше 5 г/см³.

Тяжелые металлы – металлы с плотностью больше 5 г/см³.

Сильно разнятся температуры плавления металлов. Металлы различаются по твердости. Прочность металлической связи влияет на прочность, температуру плавления и твердость металлов.

Сплавы – системы, в состав которых входят два или более металлов, реже могут входить неметаллы (углерод, кремний, бор). Все сплавы на основе железа (чугун, сталь), в том числе и само железо называют черными металлами. Все остальные – цветные металлы (дуралюмин, латунь).

Компоненты, входящие в состав сплава:

1) механическая смесь (между простыми веществами без взаимодействия);

2) химические соединения (вещества в сплаве, вступающие во взаимодействие);

3) твердые растворы (вещества взаиморастворяющиеся);

4) промежуточные соединения.

В расплавленном состоянии большая часть металлов при растворении друг в друге образуют однородный жидкий сплав. Но, кристаллизуясь, ведут себя по-разному. В твердом состоянии металлы не растворяются и не взаимодействуют друг с другом. Сплав представлен механической смесью из кристаллитов компонентов. Металлы сплавляемые вступают в реакцию друг с другом, образуя новое химическое соединение. Твердый раствор – образование однородных кристаллов в результате сохранения растворимости металлов друг в друге. Сталь – сплав железа и углерода, имеющий примеси марганца, кремния, серы и фосфора.

48. Основные способы получения металлов

Большое количество металлов находится в природе в виде соединений. Самородными металлами называются те, которые встречаются в свободном состоянии (золото, платина, ртуть, олово). Золото добывают либо отделяя механически от примесей, либо извлекая из породы при помощи реагентов. Остальные металлы получают с помощью химической обработки их соединений. Руды – горные породы и минералы, имеющие в составе соединения металлов, пригодные для получения их промышленным способом (оксиды, сульфиды и карбонаты металлов).

Способы получения металлов:

1) одним из главных способов получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем: Cu₂O + C = 2Cu + CO↑;

2) производят выплавку чугуна из железных руд, получение олова из оловянного камня SnO₂ и восстановление других металлов из оксидов;

3) для получения металлов из сернистых руд, последние вначале переводят в сернистые соединения с помощью обжигания в специальных печах:

Руду, представляющую собой соль угольной кислоты, можно сразу восстанавливать при помощи угля: ZnCO₃ = ZnO + CO₂↑.

Руды содержат в себе немало примесей (песок, известняк, глина). Для облегчения выплавки металла смеси устраняют, добавляя разнообразные вещества (флюсы), образующие с ними легкоплавкие соединения – шлаки. В тех случаях, когда примесей в руде много, ее обогащают путем удаления части примесей. Самый распространенный способ обогащения – флотация. Пример: руду, состоящую из сернистого металла и пустой породы, измельчают, заливают водой, прибавляя малополярное органическое вещество (для образования пены) и небольшое количество реагента «коллектора», который адсорбируется поверхностью минерала. Через смесь снизу пропускают струю воздуха. В результате частицы минерала со слоем молекул «коллектора» прилипают к пузырькам воздуха, а частицы пустой породы, смоченные водой, опускаются на дно. Затем пену собирают, отжимают и получают руду с большим содержанием металла. Существует также гравитационное обогащение, основанное на различии плотности и разнице падения частиц металлов и воды. Магнитный способ – разделение металлов по магнитным свойствам.

4) Металл можно получить путем электролиза. С его помощью получают одни из наиболее активных металлов.

5) Промышленные способы получения металлов: пирометаллургический, электрохимический, гидрометаллургический.

49. Коррозия металлов

Коррозия металлов (corrosio – разъедание) – физико-химическая реакция металлов и сплавов с окружающей средой, в результате чего они теряют свои свойства. В основе коррозии лежит реакция на границе раздела фаз между материалом и средой: 3Fe+2О₂=Fe3O₄.

По условиям протекания коррозия подразделяется на: 1) контактную; 2) щелевую; 3) по ватерлинии; 4) в зонах обрызгивания; 5) в зонах переменного смачивания; 6) протекающую по конденсации кислых паров; 7) радиационную; 8) происходящую при теплоотдаче; 9) образованную блуждающими токами.

Типы коррозии:

Химическая или газовая коррозия (металлы и сплавы разрушаются, взаимодействуя с кислородом, водородом и другими газами при отсутствии влаги).

Электрохимическая коррозия (возникновение контакта металла или сплава в растворе электролита).

Химическая коррозия. Представлена процессами окисления металла и восстановления агента коррозии (чаще всего – кислород): 2Ме + О₂ = 2МеО.

Важную роль играет газовая коррозия – коррозия металлов при высоких температурах в сухих газах (продукты сгорания топлива и др.).

Факторы, воздействующие на скорость газовой коррозии:

1) природа металла (сплава);

2) состав газовой среды;

3) механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок);

4) температура.

Электрохимическая коррозия более распространена, включает в себя процессы окисления металла и восстановления коррозийного агента, протекающие раздельно в электролитной среде (растворы солей, кислот, почва и др.).

Ход электрохимической коррозии является совокупностью двух сопряженно протекающих реакций: анодной реакции (окисления) Ме = Меz⁺ + ze^- и катодной реакции (восстановления) D + ze^- + (Dze^-), где D – деполяризатор (окислитель), присоединяющий к себе электроны металла (кислород, ионы водорода и некоторых металлов).

Процесс ржавления железа: 2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe²⁺ + 4OH^-.

В углеродистых сталях нередко возникают гальванические элементы «катод—анод». Это происходит в связи с дифференциацией поверхностей сталей на участки, имеющие различные электронные потенциалы.

Электрохимическая коррозия в зависимости от коррозийной среды делится на:

1) атмосферную; 2) почвенную; 3) микробиологическую; 4) жидкостную.

Интенсивность коррозии зависит от химического состава металла (его сплавов), содержания примесей и самого окислителя, его концентрации, влажности воздуха.

50. Защита металлов от коррозии

Защита металлов и сплавов от коррозии в агрессивных средах основывается на:

1) повышении коррозионной стойкости самого материала; 2) снижении агрессивности среды; 3) предотвращении контакта материала со средой с помощью изолирующего покрытия; 4) регулировании электродного потенциала защищаемого изделия в данной среде.

Существуют методы, используемые для защиты от электрохимической коррозии:

1) использование химически стойких сплавов; 2) защита покрытием поверхности металла или сплава; 3) снижение активности коррозийной среды; 4) электрохимические методы.

Самыми химически устойчивыми сплавами считаются нержавеющие (13 % хрома) и кислотоупорные (18 % хрома, 8—10 % никеля) стали.

Для покрытия металлов используются различные виды покрытий – металлические, неметаллические, покрытия, образующиеся при электрохимической и химической обработке поверхности металлов. Металлические покрытия – хром, никель, цинк, кадмий, алюминий, олово и др. Их наносят, используя методы гальванотехники.

Неметаллические покрытия – лаки, краски, эмали, фенолформальдегидные смолы и др.

Покрытия, получающиеся в результате обработки металла, – оксидные или солевые пленки (оксидирование алюминия).

Метод снижения агрессивности среды наиболее эффективен для изделий, используемых в малом количестве жидкости. Самыми распространенными агрессивными средами являются вода, водные растворы щелочей и кислот, почва и атмосфера. От концентрации растворенных кислорода и углекислого газа зависит агрессивность водных сред. Физически кислород и углекислый газ можно удалить, нагревая воду при пониженном давлении, химически – пропуская через слой стальных или железных стружек или обрабатывая восстановителем. Еще агрессивность водных сред снимают, используя ингибиторы коррозии. Анодные ингибиторы – гидроксид, карбонат, фосфаты, нитрит и бензоат натрия. Катодные ингибиторы – сульфаты цинка, бикарбонат натрия.

Лучший эффект достигается в сочетании с катодными ингибиторами. В кислых средах применяют органические ингибиторы. Существуют ингибиторы-пассиваторы – переводят металл в пассивное состояние (окислители пероксидного типа, соединения благородных металлов).

Агрессивность атмосферы зависит от ее влажности и района (промышленный, сельский и др.). Влияние атмосферы зависит от гигроскопичности продуктов коррозии металла и пылевых частиц на поверхности. Гигроскопичность продуктов коррозии стали уменьшают легированием медью в небольших количествах. Коррозионная агрессивность почвы обусловливается содержанием в ней О₂, влажностью, электрической проводимостью, рН.

51. Общая характеристика подгруппы лития

Подгруппа лития – 1 группа, главная подгруппа – включает щелочные металлы: Li – литий, Na – натрий, K – калий, Cs – цезий, Rb – рубидий, Fr – франций. Общая электронная конфигурация – ns¹. Физические свойства: невысокие температуры плавления и кипения, малая плотность, все металлы мягкие, легко режутся, кристаллизуются в объемной кристаллической решетке. Металлы серебристо-белые, только цезий золотисто-желтого цвета. Пары металлов имеют разную окраску: Li – кирпичный, Na – желтый, K – фиолетовый, Cs – голубой, Rb – красный. Химические и физические свойства щелочных металлов от Li к Fr изменяются. Возрастает атомная масса, вследствие чего растет плотность, увеличивается радиус атома – ослабляются силы притяжения между атомами, снижается температура плавления и кипения, уменьшается энергия атомизации атомов и энергия ионизации – сверху вниз ослабевают неметаллические свойства, а усиливаются металлические. Химические свойства: вследствие повышении металлических свойств усиливается химическая активность металлов – они легко отдают один валентный электрон, имеющийся на внешнем s-подуровне. Все щелочные металлы – сильные восстановители. В куске металла связь металлическая. Вступают во взаимодействие почти со всеми неметаллами. Соединения характеризуются преобладающим наличием ионной связи:

Легко реагируют с солями, вытесняя другие металлы: 2R + СuSO₄ = R₂SO₄ + Сu.

Реагируют с водосодержащими соединениями – со спиртами, образуя алкоголяты: 2R + С₂Н₅ОН = 2С₂Н₅ОR + Н₂↑ – этилат. С кислородом образуют оксиды: 2R + О₂ = 2R₂О. Оксиды с водой дают основания – щелочи: 2R₂О + Н₂О = 2RОН. Степень окисления щелочных металлов в соединениях равна +1, валентность – I. Щелочные металлы вступают в реакцию с водородом, образуя гидриды: 2R + Н₂ = 2RН.

Водород в гидридах имеет степень окисления -1, являясь окислителем.

Получение щелочных металлов:

1) восстановлением из их оксидов:

2) электролизом расплава гидроксидов:

Нахождение в природе: щелочные металлы в силу повышенной активности встречаются в природе в виде хлоридов, алюмосиликатов, сульфатов и др. Наиболее распространены Na и К, встречающиеся в виде солей в морской воде, а также поваренной соли. Li, Cs, Rb содержатся в незначительных количествах в калиевых и литиевых минералах.

52. Натрий и калий

Натрий и калий – щелочные металлы, стоят в 1 группе главной подгруппы.

Физические свойства: схожи по физическим свойствам: легкие серебристо-белые мягкие металлы, с невысокими температурами плавления и кипения, малой плотностью. Пары натрия имеют желтый цвет, а пары калия – фиолетовый. Природный натрий состоит из одного изотопа (23), а К – из двух изотопов (39) и (41).

Химические свойства: химические свойства натрия и калия очень схожи, калий активнее натрия, так как радиус его атома больше и внешний 1s-электрон находится дальше от ядра. Электронная конфигурация Na: 1s²2s¹; К: 1s²2s¹2р⁶3s¹. Они легко отдают один электрон, имеющийся на внешнем s-подуровне, превращаясь в положительно заряженные ионы. На воздухе тускнеют и окисляются. Связь между атомами металлическая. Соединения с натрием и калием носят ионный характер. Высокая химическая активность.

1. Очень бурно реагируют с кислородом: 2Na + О₂ = Na₂O₂ (пероксид натрия) при t ниже180 °C: 4Na + О₂ = 2Na₂O.

Аналогичные реакции идут с калием, но калий образует еще и надпероксид – KO₂.

2. С водой идет бурная реакция: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H2↑.

У калия данная реакция проходит с воспламенением водорода: 2К + 2H₂O = 2KOH + H₂↑.

3. Реагируют с водородом при нагревании, образуя солеобразные гидриды: 2Na + H₂ = 2NaH.

4. Легко взаимодействуют с серой, образуя сульфиды: 2Na + S = Na₂S.

5. В атмосфере фтора и хлора натрий и калий воспламеняются, сгорают и образуют соли: 2Na + Cl₂ = 2NaCl.

6. С жидким бромом натрий пассивно взаимодействует: 2Na + Вr₂ = 2NaВr, а калий реагирует со взрывом: 2К + Вr₂ = 2КВr.

7. При пропускании над расплавленным натрием и калием газообразного аммиака образуются амиды: 2Na + 2NН₃ = 2NaNН₂ + Н₂↑; 2К + 2NН₃ = 2КNН₂ + Н₂↑.

8. Реагируют с водосодержащими соединениями – со спиртами, образуя алкоголяты: 2К + С₂Н₅ОН = 2С₂Н₅ОК (этилат калия) + Н₂↑.

Со ртутью калий и натрий образуют амальгамы – твердые сплавы – восстановители вместо чистых металлов.

Получение натрия и калия:

1) восстановлением из их оксидов: Si + 2К₂O = SiO₂ + 4К;

2) электролизом расплава гидроксидов:

Нахождение в природе: Na и К встречаются в виде солей в морской воде, а также в виде поваренной соли. Наибольшее значение имеют минералы сильвинит – КCl·NaCl и карналлит – КCl·МgCl₂·6Н₂О. Натрий и калий – одни из самых распространенных элементов в земной коре.

53. Едкие щелочи

Щелочи образуют гидроксиды щелочных металлов 1 группы главной подгруппы при растворении их в воде.

Физические свойства: растворы щелочей в воде мылкие на ощупь, они разъедают кожу, ткани, бумагу – едкие щелочи (едкий натр NaOH, едкий калий КОН). На коже они вызывают долго незаживающие раны. Очень гигроскопичны.

Химические свойства LiOH, NaOH, КОН, RbOH, CsOH. В этом ряду сила и растворимость щелочей возрастает, что связано с увеличением размеров ионов щелочных металлов (катионов) и ослаблением электростатического притяжения с гидроксидной группой (анионом). К щелочам относится гидроксид щелочно-земельного металла бария – Ва(ОН)₂.

Щелочи – сильные основания, химически очень активные вещества. При растворении их в воде выделяется большое количество теплоты.

В водном растворе идет диссоциация щелочей:

Химические свойства щелочей:

1) щелочи вступают в реакцию нейтрализации с кислотами, образуя соль и воду:

2) взаимодействуют с кислотными оксидами, образуя как средние, так и кислые соли:

в ионной форме:

3) вступают со средними солями в реакцию обмена: CuSO₄ + KOH = Cu(OH)₂ + K₂SO₄, с кислыми солями: NaНSO₄ + KOH = Na₂SO₄ + К₂SO₃ + H₂O (окислительно-восстановительная);

4) растворы щелочей вступают в реакцию с амфотерными оксидами – образуются комплексные соли: Al₂O₃ + NaOH + 7Н₂О = 2Na[Al(ОН)₄(Н₂О)₂];

5) при сплавлении твердых щелочей с оксидами амфотерных металлов образуются двойные безводные соли: Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ (метаалюминат натрия);

6) взаимодействуют с галогенами в зависимости от температурных условий – на холоде: Cl₂ + 2NaOH = NaClO + NaCl + H₂O, при нагревании: 3Cl₂ + 6NaOH = NaClO₃ + 5NaCl + 3H₂O;

7) взаимодействуют с некоторыми органическими веществами: С₂Н₅ОН + NaOH = С₂Н₅ОNa + Н₂О;

8) растворы и расплавы щелочей подвергаются электролизу

Получение:

1) реакция металлов с водой: 2К + 2H₂O = 2KOH + H₂;

2) реакция оксидов металлов с водой: 2К₂О + 2H₂O = 2KOH.

Применение: NaOH и KOH используют в производстве мыла, бумаги, в текстильной промышленности и др.

54. Соли натрия и калия

Натрий и калий образуют соли со всеми кислотами. Соли натрия и калия очень похожи по химическим свойствам. Характерная особенность этих солей – хорошая растворимость в воде, поэтому доступных качественных реакций на ионы этих элементов нет. Наличие в соединении даже ничтожно малого количества ионов натрия или калия определяют путем внесения этого соединения в бесцветное пламя: в случае натрия пламя окрашивается в желтый цвет, а в случае калия – в розово-фиолетовый. Натрий и калий образует средние, кислые, двойные и комплексные соли. Большинство средних солей натрия и калия – термически устойчивые вещества и разлагаются только при очень высоких температурах. При умеренном нагревании разлагаются только соли галогенсодержащих оксокислот, нитраты и некоторые другие соединения:

Кислые соли менее устойчивы, при нагревании все они разлагаются:

Основных солей эти элементы не образуют.

Из солей наибольшее значение имеет хлорид натрия – NaCl – поваренная соль. Это необходимая составная часть пищи, консервант, сырье для химической промышленности. Из него получают гидроксид натрия, питьевую соду (NaHCO₃), соду (Na₂CO₃) и многие другие соединения натрия. Многие соли натрия образуют кристаллогидраты. Na₂S₂O₃·Н₂О – тиосульфат натрия, соответствующий тиосерной кислоте Н₂S₂O₃, применяется в фотографии, для фиксации проявленных бумаг. Na₂SO₄·10H₂O – десятиводный сульфат натрия, глауберова соль, используется в сульфатном способе получения соды и в производстве стекла. Na₂CO₃·10H₂O – карбонат натрия или кальцинированная сода применяется в стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной, химической промышленностях, а также в быту. NaNO₃ – нитрат натрия, натриевая или чилийская селитра – используется как минеральное удобрение. Соли калия – необходимые минеральные удобрения. Na₂SiO₃ – силикат натрия – используется в производстве стекла. Соли калия выделяются из раствора в основном без кристаллизационной воды. К₂CO₃ – карбонат калия или поташ – используется в производстве мыла, в производстве тугоплавкого стекла, в фотографии. КNO₃ – карбонат калия или калиевая селитра – применяется при изготовлении черного пороха. КCl – хлорид калия – применяется в качестве удобрения. Многие соли калия встречаются в природе: КCl·MgCl·6Н₂О – карналлит; КCl·NaCl – сильвинит. Соли К содержатся в квасцах.