Текст книги "Шпаргалка по неорганической химии"

55. Общая характеристика подгруппы бериллия

К подгруппе бериллия относятся: бериллий и щелочноземельные металлы: магний, стронций, барий, кальций и радий. Наиболее распространены в природе в виде соединений, причем в основном магния и кальция. Первые два элемента подгруппы занимают в ней несколько обособленное положение – бериллий по свойствам близок к алюминию, а магний – к цинку. Последний элемент подгруппы – радий – имеет радиоактивные изотопы. Кроме бериллия, все элементы подгруппы обладают металлическими свойствами, более твердые по сравнению с щелочными металлами, с высокими температурами плавления. Относятся к легким металлам (кроме радия).

На электронном уровне элементов имеют два электрона (s²), которые они отдают, образуя соединения со степенью окисления +2. По химической активности щелочноземельные металлы уступают щелочным. Они окисляются на воздухе, вытесняют водород из воды, но бериллий и магний взаимодействуют с ней медленно. У щелочноземельных элементов растворимость гидроксидов увеличивается от магния к барию. Сжигая щелочноземельные металлы, можно получить оксиды. Перекиси щелочноземельных металлов менее стойки, чем перекиси щелочных металлов. С водородом образуют гидриды. Способность взаимодействовать с азотом возрастает с увеличением атомного веса, в результате образуются нитриды. Соли щелочноземельных металлов малорастворимы в воде.

Бериллий – открыт Л. Н. Вокленом в 1798 г. Содержание в земной коре составляет 3,8 ·10^-4%. Используется для изготовления окон к рентгеновским установкам, добавляется к сплавам для увеличения твердости и электропроводности.

Магний – открыт Г. Дэви в 1808 г. Содержание в земной коре составляет 1,87 %. Используется для получения сплавов (дюралюминия), улучшения качества чугуна, в качестве восстановителя для получения редких металлов и некоторых неметаллов.

Кальций – открыт Г. Дэви в 1808 г. Содержание в земной коре составляет 3,3 %. Используется в металлургии для очистки, в производстве редких металлов.

Стронций – получен Г. Дэви в 1808 г. Содержание в земной коре составляет 0,034 %. Соединения используются в пиротехнике, сахарной промышленности.

Барий – открыт К. В. Шееле в 1774 г. и Г. Дэви в 1808 г. Содержание в земной коре составляет 0,065 %. Соединения используются в лабораторной практике, для получения пероксида водорода, пиротехнике.

Радий открыт М. и П. Кюри совместно с Ж. Белебном в 1898 г. Содержание в земной коре составляет 10^–10 %. Обладает естественной радиоактивностью. Соединения используются в исследованиях и для получения радона.

56. Кальций

Кальций (Са) – химический элемент 2-й группы периодической системы, является щелочноземельным элементом. Природный кальций состоит из шести стабильных изотопов. Конфигурация внешней электронной оболочки 4s²; имеет степень окисления +2, реже +1. Содержание в земной коре составляет 3,38 %. Встречается исключительно в виде соединений, в основном солей кислородсодержащих кислот. Большое количество кальция находится в природных водах. Значительное количество кальция содержится в организмах многих животных.

Общие свойства. Кальций – серебристо-белый металл. Существует в двух аллотропных модификациях. На воздухе, имеющем пары воды, кальций быстро образует оксид СаО и гидроксид Са (ОН)₂. Вступает в реакцию с кислородом, образуя СаО; при повышении температуры в кислороде и на воздухе воспламеняется. Из воды вытесняет водород Н₂, при этом образуется Са(ОН)₂, в холодной воде скорость реакции уменьшается. Взаимодействует с галогенами, образуя СаХ₂. СН₂ при нагревании кальция дает гидрид СаН₂, в котором водород является анионом. Кальций, нагреваемый в атмосфере азота, загорается и образует нитрид Ca₃N₂. С углеродом образует кальция карбид СаС₂, с бором – борид СаВ₆. Образует соединения с металлами (Ag, Au, Al, Cu, Mg, Rb), вытесняет их из расплавов солей. Кальций растворим в жидком аммиаке NH₃ с образованием синего раствора. Соли получают при взаимодействии кислотных оксидов с оксидом кальция. Они хорошо растворимы, способны образовывать кристаллогидраты.

В водных растворах образуются комплексы преимущественно с кислотосодержащими лигандами, имеющие в своем составе ион Са²⁺. На основе этих комплексов основано действие умягчителей воды – полифосфатов натрия. Ион Са²⁺ в неводных растворах образует комплексы с молекулами растворителя.

Получение. Промышленное получение кальция состоит в алюмотермическом восстановлении оксида кальция и электролизе расплава хлорида кальция (75–85 %) и хлорида калия. Безводный хлорид кальция получают путем хлорирования его оксида в присутствии угля или обезвоживая кристаллогидрат хлорида кальция. По мере выделения кальция в расплаве в него добавляют хлорид кальция. Электролиз проводят, используя графитовый анод и в качестве катода – жидкий расплав кальция (62–65 %) и меди.

Применение. Кальций используют при ме-таллотермическом получении U, Th, Ti, Z r, Cs, Rb и некоторых лантаноидов, для удаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сплавов, обезвоживания органических жидкостей, очистки Аr от примеси N₂. Используются и соединения кальция, например, в качестве вяжущих материалов.

57. Оксид и гидроксид кальция

Оксид кальция (СаO) – негашеная или жженая известь – белое огнестойкое вещество, образованное кристаллами. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной кристаллической решетке. Температура плавления – 2627 °C, температура кипения – 2850 °C.

Называется жженой известью из-за способа его получения – обжигание карбоната кальция. Обжиг производят в высоких шахтных печах. В печь закладывают слоями известняк и топливо, а затем разжигают снизу. При накаливании происходит разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция:

Так как концентрации веществ в твердых фазах неизменны, то константу равновесия этого уравнения можно выразить так: K = [CO₂].

При этом концентрация газа может быть выражена с помощью его парциального давления, то есть равновесие в системе устанавливается при определенном давлении диоксида углерода.

Давление диссоциации вещества – равновесное парциальное давление газа, получающееся при диссоциации вещества.

Чтобы спровоцировать образование новой порции кальция, необходимо повысить температуру или удалить часть получившегося CO₂, при этом уменьшится парциальное давление. Поддерживая постоянное более низкое парциальное давление, чем давление диссоциации, можно добиться непрерывного процесса получения кальция. Для этого при обжигании извести в печах делают хорошую вентиляцию.

Получение:

1) при взаимодействии простых веществ: 2Ca + O₂ = 2CaO;

2) при термическом разложении гидроксида и солей: 2Ca(NO₃)₂ = 2CaO + 4NO₂↑ + O₂↑.

Химические свойства:

1) взаимодействует с водой: СаO + H₂O = Са(OH)₂;

2) реагирует с оксидами неметаллов: СаO + SO₂ = CaSO₃;

3) растворяется в кислотах, образуя соли: CaO + 2HCl = CaCl₂ +H₂O.

Гидроксид кальция (Ca(OH)₂ – гашеная известь, пушонка) – белое кристаллическое вещество, кристаллизуется в гексагональной кристаллической решетке. Является сильным основанием, плохо растворимым вводе.

Известковая вода – насыщенный раствор гидроксида кальция, имеющий щелочную реакцию. На воздухе мутнеет в результате поглощения углекислого газа, образуя карбонат кальция.

Получение:

1) образуется при растворении кальция и оксида кальция вводе: CaO + H₂O = Са(OH)₂ + 16 ккал;

2) при взаимодействии солей кальция со щелочами: Ca(NO₃)₂ + 2NaOH = Ca(OH)₂ + 2NaNO₃.

Химические свойства:

1) при нагревании до 580 °C разлагается: Са(OH)₂ = СаO + H₂O;

2) реагирует с кислотами: Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O.

58. Жесткость воды и способы ее устранения

Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой. Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой. В жесткой воде мыло плохо пенится, поскольку соли кальция и магния образуют с ним нерастворимые соединения. В ней плохо развариваются пищевые продукты. При кипячении на стенках паровых котлов образуется накипь, которая плохо проводит теп-лоту, вызывает увеличение расхода топлива и изнашивание стенок котла. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов (крашение). Образование накипи: Са + 2НСО₃ = Н₂О + СО₂ + СаСО₃↓.

Перечисленные выше факторы указывают на необходимость удаления из воды солей кальция и магния. Процесс удаления этих солей называется водоумягчением, является одной из фаз обработки воды (водоподготовки).

Водоподготовка – обработка воды, используемая для различных бытовых и технологических процессов.

Жесткость воды подразделяется на:

1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения;

2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью.

Верна формула: Общая жесткость = Карбонатная жесткость + Некарбонатная жесткость.

Общую жесткость ликвидируют добавлением химических веществ или при помощи катиони-тов. Для полного устранения жесткости воду иной раз перегоняют.

При применении химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты:

Более модернизированный процесс устранения жесткости воды – при помощи катионитов.

Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na₂R, где R – сложный кислотный остаток.

При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na₂R = 2Na + CaR.

Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na₂R + Ca + 2Cl.

59. Общая характеристика подгруппы бора

Внешняя электронная конфигурация у всех элементов подгруппы – s²p¹. Характерным свойством подгруппы IIIA является полное отсутствие металлических свойств у бора и типичные металлические свойства у таллия. Элементы, стоящие между ними в подгруппе, проявляют промежуточные свойства.

Получение. Наиболее важным является алюминий. Проявляет характерные свойства металла – отражательная способность, проводимость, прочность, деформируемость. Алюминий образует ион в степени окисления +3, гидроксид проявляет свойства кислоты и основания (амфотерность). Алюминий получают из природного минерала боксита (Al₂O₃), подвергаемого обогащению или очистке. Полученный оксид добавляют к расплаву криолита Na₃AlF₆ в электролизной стальной ванне (катод), футерованной графитом. Анод-стержни из углерода. По этой технологии (процесс Холла—Эру) получают алюминий чистотой 98 %. Дальнейшую очистку проводят электролизом методом Хупса.

Бор в виде аморфного коричневатого порошка получают восстановлением B₂O₃ активным металлом (щелочным или магнием). При получении загрязняется примесями боридов, например Mg₃B₂. Более чистый бор получают восстановлением из BBr₃. Другие элементы этой подгруппы получают восстановлением их из оксидов.

Химические свойства:

1) элементы подгруппы IIIA образуют оксиды и гидроксиды со степенью окисления III. Свойства их в ряду от алюминия до таллия изменяются от кислотных к основным;

2) галогениды всех элементов этой подгруппы имеют состав MеX₃, а таллий, кроме того, образует TlCl, во многом сходный с AgCl;

3) элементы и их соединения взаимодействуют с водой;

4) гидроксиды элементов подгруппы IIIA все, кроме таллия, взаимодействуют со щелочами.

Применение. Бор используют как добавку к цветным сплавам и стали, как противокоррозийное средство, получают из него буру, используемую в производстве глазури, эмали, стекла, сварке, паянии, как удобрение.

Галогениды элементов подгруппы IIIA применяются в отраслях промышленности и в лабораторных исследованиях. На основе алюминия производят множество сплавов. Применяют при изготовлении химической аппаратуры, проводов, конденсаторов, для алитирования, для получения искусственных рубинов, сапфиров и наждака.

Галлий используют для наполнения кварцевых термометров, добавляют к алюминию для получения сплавов, поддающихся горячей обработке. Индий используют для покрытия рефлекторов, вкладышей подшипников и для изготовления плавких предохранителей. Таллий используется в оптических приборах, работающих в оптической области спектра, в фотоэлементах.

60. Алюминий. Применение алюминия и его сплавов

Алюминий расположен в 3-й группе главной подгруппы, в 3 периоде. Порядковый номер 13. Атомная масса ~27. Р-элемент. Электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На внешнем уровне 3s²3p¹ находятся 3 валентных электрона. Степень окисления +3, валентность – III.

Физические свойства: алюминий – металл серебристо-белого цвета, мягкий, механически прочный, тепло– и электропроводный, легко вытягивается в проволоку, прокатывается в тонкую фольгу, легко образует сплавы.

Химические свойства:

1) при обычной температуре реагирует с кислородом, образую окисную пленку, препятствуя дальнейшему окислению металла: 4Аl + 3О₂ = 2Аl₂О₃;

2) алюминий, лишенный защитной оксидной пленки, взаимодействует с водой: 2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃↓ + 3Н₂↑;

3) алюминий энергично взаимодействует с растворами щелочей:

4) при нагревании алюминий взаимодействует с галогенами, с азотом, с углеродом, с серой, а также с аммиаком:

Получение. В промышленности алюминий получают электролизом раствора Аl₂О₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆ с добавлением СаF₂. Алюминий выделяется на катоде.

Нахождение в природе: алюминий – один из наиболее распространенных элементов в земной коре – до 250 руд, содержащих алюминий: боксит – Аl₂О₃·хH₂O – содержит от 32–60 % Аl₂О₃ (глинозема); корунд – Аl₂О₃ – кристаллическая модификация глинозема; рубин и сапфир – драгоценные камни; нефелин – (К, Na)₂О·Аl₂О₃·2SiО₂ – одна из важнейших алюминиевых руд; каолин – Аl₂О₃·2SiО₂·2H₂O – составляет основу всех глин; алунит – К₂SO₄·Аl₂(SO₄)₃·2Аl₂О₃·6H₂O – относятся к важнейшим алюминиевым рудам; криолит Na₃[AlF₆]; шпинель Мg(АlО₂)₂ и метаалюминаты типа шпинели Zn(АlО₂)₂. Сплавы алюминия: дюралюминий – 94 % Аl, 4 % Сu, по 0,5 % Мg, Мn, Fe и Si; силумин – Аl + ~13 % Si; магналий – Аl с содержанием Мg – 0,5—11,5 %.

Применение алюминия и его соединений и сплавов: алюминий и его соединения применяется в быту и во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, автостроении, в химической промышленности (для производства и транспортировки холодной концентрированной HNO₃, т. к. алюминий в ней пассивируется). При помощи алюмотерапии производят сварку рельсов, проводят сварочные работы под водой. Чистым алюминием покрывают бензобаки, что способствует предохранению бензина от теплового излучения.

61. Оксид и гидроксид алюминия

Оксид алюминия – Al₂O₃. Физические свойства: оксид алюминия – белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Молекулярная масса = 101,96, плотность – 3,97 г/см³, температура плавления – 2053 °C, температура кипения – 3000 °C.

Химические свойства: оксид алюминия проявляет амфотерные свойства – свойства кислотных оксидов и основных оксидов и реагирует и с кислотами, и с основаниями. Кристаллический Аl₂О₃ химически пассивен, аморфный – более активен. Взаимодействие с растворами кислот дает средние соли алюминия, а с растворами оснований – комплексные соли – гидроксоалюминаты металлов:

При сплавлении оксида алюминия с твердыми щелочами металлов образуются двойные соли – метаалюминаты (безводные алюминаты):

Оксид алюминия не взаимодействует с водой и не растворяется в ней.

Получение: оксид алюминия получают методом восстановления алюминием металлов из их оксидов: хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и др. – металлотермия, открытый Бекетовым:

Применение: оксид алюминия применяется для производства алюминия, в виде порошка – для огнеупорных, химически стойких и аб-разивных материалов, в виде кристаллов – для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Сr₂О₃ (красный цвет), Тi₂О₃ и Fe₂О₃ (голубой цвет).

Гидроксид алюминия – А1(ОН)₃. Физические свойства: гидроксид алюминия – белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Почти не растворим в воде; молекулярная масса – 78,00, плотность – 3,97 г/см³.

Химические свойства: типичный амфотерный гидроксид реагирует:

1) с кислотами, образуя средние соли: Al(ОН)₃ + 3НNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3Н₂О;

2) с растворами щелочей, образуя комплексные соли – гидроксоалюминаты: Al(ОН)₃ + КОН + 2Н₂О = К[Al(ОН)₄(Н₂О)₂].

При сплавлении Al(ОН)₃ с сухими щелочами образуются метаалюминаты: Al(ОН)₃ + КОН = КAlO₂ + 2Н₂О.

Получение:

1) из солей алюминия под действием раствора щелочей: AlСl₃ + 3NaOH = Al(ОН)₃ + 3Н₂О;

2) разложением нитрида алюминия водой: AlN + 3Н₂О = Аl(ОН)₃ + NН₃↑;

3) пропусканием СО₂ через раствор гидроксокомплекса: [Аl(ОН)₄]^- + СО₂ = Аl(ОН)₃ + НСО₃^-;

4) действием на соли Аl гидратом аммиака; при комнатной температуре образуется Аl(ОН)₃.

62. Общая характеристика подгруппы хрома

Элементы подгруппы хрома занимают промежуточное положение в ряду переходных металлов. Имеют высокие температуры плавления и кипения, свободные места на электронных орбиталях. Элементы хром и молибден обладают нетипичной электронной структурой – на внешней s-орбитали имеют один электрон (как у Nb из подгруппы VB). У этих элементов на внешних d– и s-орбиталях находится 6 электронов, поэтому все орбитали заполнены наполовину, т. е. на каждой находится по одному электрону. Имея подобную электронную конфигурацию, элемент обладает особенной стабильностью и устойчивостью к окислению. Вольфрам имеет более сильную металлическая связь, нежели молибден. Степень окисления у элементов подгруппы хрома сильно варьирует. В надлежащих условиях все элементы проявляют положительную степень окисления от 2 до 6, максимальная степень окисления соответствует номеру группы. Не все степени окисления у элементов стабильны, у хрома самая стабильная – +3.

Все элементы образуют оксид MVIO3, известны также оксиды с низшими степенями окисления. Все элементы данной подгруппы амфотерны – образуют комплексные соединения и кислоты.

Хром, молибден и вольфрам востребованы в металлургии и электротехнике. Все рассматриваемые металлы покрываются пассивирующей оксидной пленкой при хранении на воздухе или в среде кислоты-окислителя. Удалив пленку химическим или механическим способом, можно повысить химическую активность металлов.

Хром. Элемент получают из хромитной руды Fe(CrO₂)₂, восстанавливая углем: Fe(CrO₂)₂ + 4C = (Fe + 2Cr) + 4CO↑.

Чистый хром получают восстановлением Cr₂O₃ с помощью алюминия или электролиза раствора, содержащего ионы хрома. Выделяя хром с помощью электролиза, можно получить хромовое покрытие, используемое в качестве декоративных и защитных пленок.

Из хрома получают феррохром, применяемый при производстве стали.

Молибден. Получают из сульфидной руды. Его соединения используют при производстве стали. Сам металл получают при восстановлении его оксида. Прокаливая оксид молибдена с железом, можно получить ферромолибден. Используют для изготовления нитей и трубок для обмотки печей и электроконтактов. Сталь с добавлением молибдена используют в автомобильном производстве.

Вольфрам. Получают из оксида, добываемого из обогащенной руды. В качестве восстановителя используют алюминий или водород. Получившийся вольфрам в идее порошка впоследствии формуют при высоком давлении и термической обработке (порошковая металлургия). В таком виде вольфрам используют для изготовления нитей накаливания, добавляют к стали.

63. Хром

Хром (Cr) – d-элемент расположенный в 4-м периоде, в VI группе побочной подгруппы. Высшая степень окисления – +6. В соединениях может проявлять степень окисления от + до +6, но наиболее характерными для хрома является степень окисления +3 и +6. В остальных степенях окисления соединения хрома неустойчивы.

Физические свойства: хром – серовато-белый металл с характерным металлическим блеском. Природный хром состоит из смеси 5 изотопов: 50, 52, 53, 54, 56. Это самый твердый из всех известных металлов, его плотность 7,2 г/см³. Температура плавления – 1855 °C, температура кипения – 2642 °C. При обычной температуре хром устойчив к воздействию воды и воздуха.

Химические свойства: электронная конфигурация: 1s²2s²2p²3s²3p⁶3d⁵4s¹. В образовании химических связей хрома участвуют не только электроны внешнего 4 уровня, но и электроны предпоследнего уровня – 3d-подуровня.

При высокой температуре хром горит в кислороде: 4Cr + 3О₂ = 2Cr₂О₃.

Раскаленный хром реагирует с парами воды, вытесняя из нее кислород: 2Cr + 3Н₂О = Cr₂О₃ + 3Н₂↑.

При нагревании реагирует с галогеноводородами, S, N₂, P₄, C, Si, B:

С галогенами реагирует не одинаково:

а) со фтором взаимодействует даже на холоде: Cr + 3F₂ = CrF₆;

б) с хлором реагирует при нагревании: 2Cr + 3Cl₂ = 2CrCl₃.

Разбавленная соляная и серная кислоты растворяют хром с выделением водорода, а в холодной азотной он пассивируется. Хром образует три оксида: CrО, Cr₂О₃ и CrО₃.

Получение: В чистом виде хром получают двумя способами:

1) металлотермический – восстановление металла из его оксида с помощью другого металла;

2) электролитический – электролиз водного раствора хромовых кислот. При этом одновременно с хромом на катоде выделяется водород. Поэтому получаемый хром содержит включения водорода. Для получения чистого хрома его переплавляют в вакууме.

Металлический хром получают алюмотерми-ческим способом (способ Бекетова) из оксида Cr₂О₃: Cr₂О₃ + 2Al = Al₂О₃ + 2Cr.

Нахождение в природе: в природе хром встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является хромистый железняк FeCrO₄ или Fe(CrO)₂, из которого путем восстановления углеродом в электропечах получают сплав – феррохром. Используется хром в инструментальной и автомобильной промышленности: хромирование – покрытие хромом других металлов; в металлургии – при производстве легированной стали.