Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Г л а в а ХI. ТРЕТЬЯ ГРУППА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ
83. Общая харамтеристика элементов III группы
К III группе относятся бор, алюминий, галлий, индии, таллий (главная подгруппа), а также скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды (побочная подгруппа).
На внешнем электронном уровне элементов главной подгруппы имеется по три электрона (s2р1). Они легко отдают эти электроны или образуют три неспаренных электрона за счет перехода одного электрона на р-уровень. Для бора и алюминия хярактерны соединения только со степенью окисления +3. У элементов подгруппы галлия (галлий, индий, таллий) на внешнем электронном уровне также находится по три электрона, образуя конфигурацию s2р1, но они расположены после 18-электронного слоя. Поэтому в отличие от алюминия галлий обладает явно неметаллическими свойствами. Эти свойства в ряду Gа, In, Тl ослабевают, а металлические свойства усиливаются.
У элементов подгруппы скандия на внешнем электронном уровне также находится по три электрона. Однако эти элементы относятся к переходным d-элементам, электронная конфигурация их валентного слоя d1s2. Эти электроны все три элемента довольно легко отдают. Элементы подгруппы лантаноидов имеют отличительную конфигурацию внешнего электронного уровня: у них застраиваетси 4f -уровень и исчезает d-уровень. Начиная с церия все элементы, кроме гадолиния и лютеция, имеют электронную конфигурацию внешнего электронного уровня 4fn6s2 (гадолиний и лютеций имеют 5d1-электроны). Число n изменяется от 2 до 14. Поэтому в образовании валентных связей принимают участие s- и f-электроны. Чаще всего степень окисления лантаноидов +3, реже +4.
Электронное строение валентного слоя актиноидов во многом напоминает электронное строение валентного слоя лантаноидов. Все лантаноиды и актиноиды — типичные металлы.
Все элементы III группы обладают очень сильным сродством к кислороду, и образование их оксидов сопровождается выделением большого количества теплоты.
Элементы III группы находят самое разнообразное применение.
Бор был открыт Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром в 1808 г. Содержание его в земной коре составляет 1,2103 %.
Соединения бора с металлами (б о р и д ы ) обладают высокой твердостью и термостойкостью. Поэтому их используют для получения сверхтвердых и жаропрочных специальных сплавов. Большой термостойкостью обладают карбид и нитрид бора. Последний применяют в качестве высокотемпературной смазки. Кристаллогидрат тетрабората натрия Nа2В4O710Н2О (бура) имеет постоянный состав, его растворы применяют в аналитической химии для установления концентрации растворов кислот. Реакция буры с кислотой протекает по уравнению
Nа2В4O7 + 2 НСl + 5 Н2О = 2 NаСl + 4 Н3ВО3
Содержание галлия в земной коре составляет 1,9103 %. Он был предсказан Д. И. Менделеевым (экаалюминий) и открыт французским химиком Р. Э. Лекок де Буабодраном в 1875 г. Свойства галлия почти полностью совпали со свойствами экаалюминия, предсказанными Д, И. Менделеевым на основе периодического закона.
Соединения галлия с элементами VI группы (серой, селеном, теллуром) являются полупроводниками. Жидким галлием наполняют высокотемпературные термометры.
Индий был открыт Т. Рихтером и Ф. Райхом в 1863 г. Содержание его в земной хоре составляет 2,5105 %. Добавка индия к сплавам меди увеличивает устойчивость последних к действию морской воды. Присадка этого металла к серебру увеличивает блеск серебра и препятствует его тускнению на воздухе. Индиевые покрытия предохраняют металлы от коррозии. Он входит в состав некоторых сплавов, применяющихся в стоматологии, а также некоторых легкоплавких сплавов (сплав индия, висмута, свинца, олова и кадмия плавится при 47 С). Соединения индия с различными неметаллами обладают полупроводниковыми свойствами.
Таллий был открыт У. Круксом в 1861 г. Содержание его в земной коре составляет 104 %. Сплав таллия (10 %) с оловом (20 %) и свинцом (70 %) обладает очень высокой кислотоупорностью, он выдерживает действие смеси серной, соляной и азотной кислот. Таллий повышает чувствительность фотоэлементов к инфракрасному излучению, исходящему от нагретых предметов. Соединения таллия весьма ядовиты и вызывают выпадение волос.
Галлий, индий и таллий относятся к рассеянным элементам. Содержание их в рудах, как правило, не превышает тысячных долей процента.
Соединения скандия, иттрия, лантана и лантаноидов были известны еще в начале Х1Х в. Чистый скандий был выделен Л. Ф. Нильсоном в 1879 г. Содержание этого элемента в земной коре составляет 103 %. Иттрий был открыт Ю. Гадолином в 1794 г. Его содержание в земной коре составляет 2,9103 %. Содержание в земной коре лантана, открытого К. Г. Мосандером в 1839 г., составляет 4,9103 %. Применяются эти металлы в основном для получения специальных сплавов, обладающих специфическими электрическими и магнитными свойствами. Кроме того, лантаноиды используются для приготовления различных пирофорных составов, церий — для получения алюминиевых сплавов. Добавка церия увеличивает электропроводность алюминия и улучшает его механические свойства, облегчает прокатку вольфрама. Диоксид церия применяется при шлифовке оптического стекла.
К семейству актиноидов относятся наиболее тяжелые элементы, следующие в периодической системе за актинием.
Из актиноидов практическое применение находят уран, торий
и плутоний.
Уран был открыт М. Г. Клапротом в 1789. Содержание его в земной коре составляет 2,5104 %. В природе уран встречается н виде трех изотопов: 238U — 99,285 %, 235U — 0,71 %, 234U — 0,005 %. Изотоп 235U способен самопроизвольно распадаться, Поэтому уран, используемый в реакторах в качестве ядерного горючего, обогащают с целью увеличения в нем содержания изотопа-235. Для этого изотопа существует понятие критической массы, при достижении которой начинается цепная реакция и происходит ядерный взрыв. Если масса 235U меньше критической, скорость реакции самопроизвольного распада можно регулировать. Это свойство 235U используется в ядерном реакторе. Соединения урана применяются также в качестве красителей в полиграфической и силикатной промышленности.
Диоксид тория был открыт Й. Я. Берцелиусом в 1828 г., но металлический торий получен сравнительно недавно. Содержание тория в земной коре составляет 1,3103 %. Небольшие добавки этого металла к вольфраму увеличивают срок службы электроспиралей в лампах накаливания (торий поглощает газы, способствующие быстрому износу вольфрамовой нити). Диоксид тория применяется в медицине, а также при изготовлении некоторых катализаторов.
Плутоний был открыт Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Дж. Кеннеди и А. Валем в 1940 г. Содержание его в земной коре ничтожно. Получают плутоний из продуктов распада горючего ядерных реакторов. Используется он для тех же целей, что и уран235.
84. Алюминий
Алюминий впервые получен химическим путем датским химиком Х. К. Эрстедом в 1825 г. В 1854 г. французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль выделил его электрохимическим методом.
Нахождение в природе. Алюминий является самым распространенным в природе металлом. Содержание его в земной коре составляет 8,05 %. Важнейшие природные соединения алюминия — алюмосиликаты, боксит, корунд.
Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры. Продукт их выветривания — глина и полевые шпаты (ортоклаз, альбит, анортит). Основу глин составляет каолин Аl2O32SiO22Н2О.
Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Состоит главным образом из гидратов оксида алюминия Аl2O3nН2О.
Физические свойства. Алюминий — серебристо-белый легкий металл, плавящийся при 660 С. Очень пластичный, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы: из него можно изготовить фольгу толщиной менее 0,01 мм. Алюминий обладает очень большой тепло- и электропроводностью. Его сплавы с различными металлами прочны и легки.
Химические свойства. Алюминий — очень активный металл. В ряду напряжений он стоит после щелочных и щелочноземельных металлов. Однако на воздухе он довольно устойчив, так как его поверхность покрывается очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от контакта с воздухом. Если с алюминиевой проволоки снять защитную оксидную пленку, то алюминий начнет энергично взаимодействовать с кислородом и водяными парами воздуха, превращаясь в рыхлую массу — гидроксид алюминия:
4 Аl + 3 O2 + 6 Н2О = 4 Аl(ОН)3
Эта реакция сопровождается выделением теплоты.
Очищенный от защитной оксидной пленки алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода:
2 Аl + 6 Н2О = 2 Аl(ОН)3 + 3 Н2
Алюминий хорошо растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах:
2 Аl + 6 НСl = 2 AlСl3 + 3 Н2
2 Аl + 3 Н2SO4 = Аl2(SO4)3 +3 Н2
Разбавленная азотная кислота на холоду пассивирует алюминий, но при нагревании алюминий растворяется в ней с выделением монооксида азота, гемиоксида азота, свободного азота или аммиака, например:
8 Аl + 30 НNО3 = 8 Аl(NО3)3 + 3 N2О + 15 Н2О
Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий.
Так как оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными
свойствами, алюминий легко растворяется в водных растворах всех щелочей, кроме гидроксида аммония:
2 Аl + 6 КОН + 6 Н2О = 2 К3[Аl(ОН)6] + 3 Н2
Порошкообразный алюминий легко взаимодействует с галогенами, кислородом и всеми неметаллами. Для начала реакций необходимо нагревание, затем они протекают очень интенсивно и сопровождаются выделением большого количества теплоты:
2 Аl + 3 Вr2 = 2 АlВr3 (бромид алюминия)
4 Аl + 3 O2 = 2 Аl2O3 (оксид алюминия)
2 Аl + 3 S = Аl2S3 (сульфид алюминия)
2 Аl + N2 = 2 АlN (нитрид алюминия)
4 Аl + 3 С = Аl4С3 (карбид алюминия)
Сульфид алюминия может существовать только в твердом виде. В водных растворах он подвергается полному гидролизу с образованием гидроксида алюминия и сероводорода:
Аl2S3 + 6 Н2О = 2 Аl(ОН)3 + 3 Н2S
Алюминий легко отнимает кислород и галогены у оксидов и солей других металлов. Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты:
8 Al + 3 Fе3О4 = 9 Fе + 4 Аl2O3
Процесс восстановления металлов из их оксидов алюминием называется алюмотермией. Алюмотермией пользуются при получении некоторых редких металлов, которые образуют прочную связь с кислородом (ниобий, тантал, молибден, вольфрам и др.), а также для сваривания рельсов. Если с помощью специального запала поджечь смесь мелкого порошка алюминия и магнитного железняка Fе3О4 (термит), то реакция протекает самопроизвольно с разогреванием смеси до 3500 С. Железо при такой температуре находится в расплавленном состоянии.
Получение. Впервые алюминий был получен восстановлением из хлорида алюминия металлическим натрием:
АlСl3 + 3 Nа = 3 NаСl + Аl
В настоящее время его получают электролизом расплавленных солей в электролитических ваннах (рис. 46). В качестве электролита служит расплав, содержащий 8590 % криолита — комплексной соли 3NаFАlF3 (или Nа3АlF6) и 1015 % глинозема — оксида алюминия Аl2O3. Такая смесь плавится при температуре около 1000 С.
При растворении в расплавленном криолите глинозем ведет себя как соль алюминия и алюминиевой кислоты и диссоциирует на катионы алюминия и анионы кислотного остатка алюминиевой кислоты:
АlAlО3 Аl3 + АlO33
Криолит также диссоциирует:
Na3AlF6 3 Nа + АlF63
При пропускании через расплав электрического тока катионы алюминия и натрия движутся к катоду — графитовому корпусу ванны, покрытому на дне слоем расплавленного алюминия, получаемого в процессе электролиза. Так как алюминий менее активен, чем натрий, он восстанавливается в первую очередь. Восстановленный алюминий в расплавленном состоянии собирается на дне ванны, откуда его периодически выводят.
Анионы AlO33 и АlF63 движутся к аноду — графитовым стержням или болванкам. На аноде в первую очередь разряжается анион АlO33
4 АlО33 12 е = 2 Аl2О3 + 3 O2
Расход глинозема все время восполняется. Количество криолита практически не меняется, лишь незначительные его потери происходят вследствие образования на аноде тетрафторида углерода СF4.
Электролитическое производство алюминия требует больших затрат электроэнергии (на получение 1 т алюминия расходуется окодо 20 000 кВтч электроэнергии), поэтому алюминиевые заводы строят вблизи электростанций.
Применение. Алюминий используется очень широко. Из него изготовляют фольгу, применяемую в радиотехнике и для упаковки пищевых лродуктов. Алюминием покрывают стальные и чугунные изделия в целях предохранення их от коррозии: изделия нагревают до 1000 С в смеси алюминиевого порошка (49 %), оксида алюминия (49 %) и хлорида алюминия (2 %). Этот процесс называется алитированием.
Алитированные изделия выдерживают нагревание до 1000 С, не подвергаясь коррозии. Сллавы алюминия, отличающиеся большой легкостью и прочностью, применяются в производстве теплообменных апларатов, в самолетостроении и машиностроении.
Оксид алюниния Аl2O3. Представляет собой белое вещество с температурой плавления 2050 С. В природе оксид алюминия встречается в виде корунда и глинозема. Иногда встречаются прозрачные кристаллы корунда красивой формы и охраски. Корунд, окрашенный соединениями хрома в красный цвет, называют рубином, а окрашенный соединениями титана и железа в синий цвет — сапфиром. Рубин и сапфир являются драгоценными камнями. В настоящее время их довольно легко получают искусственно.
Оксид алюминия обладает амфотерными свойствами, но он не растворяется в воде, кислотах и щелочах. При кипячении в концентрированном растворе щелочи он лишь частично переходит в раствор. Оксид алюминия переводят в растворимое состояние сплавлением со щелочами или пиросульфатом калия:
АI2О3 + 2 КОН = 2 КАlO2 + Н2О
Аl2O3 + 3 К2S2О7 = 3 К2SO4 + Аl2(SO4)3
Полученные сплавы растворяются в воде. При сплавлении оксида алюминия с поташем или содой образуются алюминаты, которые легко растворяются в воде:
Аl2O3 + К2СО3 = 2 КАlO2 + СО2
Природный корунд — очень твердое вещество. Он применяется для изготовления наждачных кругов и шлифовальных порошков. Рубин используют для изготовления втулок часовых и других точных механизмов.
Глинозем используется как сырье для получения алюминия. Обезвоженный оксид алюминия служит адсорбентом при очистке и разделении органических веществ методом хроматографии.
Гидроксид алюминия Аl(ОН)3. Представляет собой белое вещество, которое при нагревании теряет воду, превращаясь в оксид алюминия. Гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами. Свежеосажденный гидроксид легко растворяется в кислотах и щелочах (кроме гидроксида аммония):
2 Аl(ОН)3 + 3 Н2SO4 = Аl2(SO4)3 + 6 Н2О
Аl(ОН)3 + 3 КОН = К3[Аl(ОН)6]
Гидроксид алюминия является слабым основанием и еще более слабой кислотой, поэтому соли алюминия находятся в растворе только в присутствии избытка кислоты, а алюминаты — только в присутствии избытка щелочи. При разбавлении растворов водой эти соединения сильно гидролизованы.
Высушенный гидроксид алюминия, потерявший часть воды, не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах и этим напоминает оксид алюминия.
Гидроксид алюминия обладает свойствами поглощать различные вещества, поэтому его применяют при очистке воды.
Г л а в а ХII. ВТОРАЯ ГРУППА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ
85. Общая характеристика элементов II группы
Ко II группе периодической системы элементов относятся бериллий, щелочноземельные металлы: магний, кальций, стронций, барий и радий (главная подгруппа) и подгруппа цинка: цинк, кадмий, риуть (побочная подгруппа). Своим названием щелочноземельные металлы обязаны тому, что их оксиды (земли) при растворении в воде образуют щелочные растворы.
На внешнем электронном уровне элементов главной и побочной подгрупп находятся по два электрона (s2), которые они отдают, образуя соединения со степенью окисления +2.
Для всех элементов II группы характерны сравнительно низкая температура плавления и высокая летучесть. У щелочноземельных элементов растворимость гидроксидов увеличивается от магния к барию: гидроксид магния почти не растворяется в воде, гидроксид кальция растворяется слабо, а гидроксид бария — хорошо. Растворимость же многих солей уменьшается от магния к радию. Так, сульфат магния хорошо растворяется в воде, сульфат кальция — плохо, а сульфаты стронция, бария и радия практически нерастворимы. Низкая растворимость сульфата радия используется для выделения радия из его концентратов.
В подгруппе цинка амфотерность оксидов уменьшается от цинка к ртути: гидроксид цинка хорошо растворяется в щелочах, гидроксид кадмия — значительно хуже, а гидроксид ртути в щелочах нерастворим. Активность элементов в этой подгруппе уменьшается с увеличением их атомной массы. Так, цинк вытесняет кадмий и ртуть из растворов их солей, а кадмий вытесняет ртуть.
Бериллий был открыт Л. Н. Вокленом в 1798 г. Содержание его в земной коре составляет 3,8104 %. Металлический бериллий применяется для изготовления окон к рентгеновским установкам, так как поглощает рентгеновские лучи в 17 раз слабее алюминия. Добавка бериллия к сплавам увеличивает их твердость и электропроводность. Соединения бериллия могут вызывать очень тяжелое заболевание легких.
Стронций впервые был выделен в виде оксида А. Крофордом в 1790 г., а в чистом виде получен Г. Дэви в 1808 г. Содержание его в земной коре составляет 0,034 %. Нитрат стронция применяют в пиротехнике, а его карбонат и оксид — в сахарной промышленности. При ядерных взрывах образуется стронций-90, излучение которого очень опасно, так как вызывает лучевую болезнь, лейкоз и саркому костей.
Барий был открыт К. В. Шееле в 1774 г. и Г. Деви в 1808 г. Содержание его в земной коре составляет 0,065 %. Из соединений бария наиболее широко применяются его гидроксид, пероксид и некоторые соли. Гидроксид и хлорид бария используются в лабораторной практике, пероксид бария — для получения пероксида водорода, нитрат и хлорат — в пиротехнике, сульфат бария — в рентгеноскопии органов пищеварения. Соединения бария ядовиты.
Радий открыт М. и П. Кюри совместно с Ж. Белебном в 1898 г.
Содержэние его в земной коре составляет 11020 % . Радий обладает естественной радиоактивностью: при его радиоактивном распаде выделяются -частицы, электроны и образуется радон. Соли радия применяются в исследовательских целях, а также для получения радона, обладающего целебными свойствами.
Кадмий открыл Ф. Штромейер в 1817 г. и независимо от него К. Герман, К. Карстен и В. Мейснер — в 1818 г. Содержание его в земной коре составляет 1,3105 %. Благодаря способности кадмия покрываться защитной оксидной пленкой он испольэуется как устойчивое антикоррозионное покрытие. Соединения кадмия ядовиты.
86. Магний
Магний открыт Г. Дэви в 1808 г.
Нахождение в природе. Содержание магния в земной коре составляет 1,87 %. Соединения его встречаются в различных минералах. Карбонат магния входит в состав доломита СаСО3МgСО3, и магневита МgСО3, хлорид — в состав карналлита КСlМgСl26Н2О, сульфат магния — в состав каинита КСlМgSO46Н2О. Значительное количество солей магния содержится в морской воде, придавая ей горьковатый вкус.
Физические свойства. Магний — серебристо-белый металл с плотностью 1,74 г/см3, плавится при 651 С, кипит при 1110 С. На холоду магний покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейшего окисления кислородом воздуха.
Химические свойства. Магний — активный металл. Если разрушить оксидную пленку на его поверхности, он легко окисляется кислородом воздуха. При нагревании магний энергично взаимодействует с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом, кремнием и другими элементами:
2 Мg + O2 = 2 МgО (оксид магния)
Мg + Сl2 = МgСl2 (хлорид магния)
3 Mg + N2 = Мg3N2 (нитрид магния)
3 Мg + 2 Р= Мg3Р2 (фосфид магния)
2 Мg + Si = Мg2Si (силицид магния)
Магний не растворяется в воде, однако при нагревании довольно активно взаимодействует с парами воды:
Мg + Н2О = МgО + Н2
Магний легко отнимает кислород и галогены у многих металлов, поэтому его используют для получения редких металлов из их соединений:
3Мg + МоО3 = 3 МgО + Мо
2Мg + ZrСl4 = 2 МgСl2 + Zr
Он горит в атмосфере углекислого газа:
Мg + СО2 = МgО+ СО
или
2 Мg + СО2 = 2 МgО + С
и хорошо растворяется в кислотах:
Мg + Н2SO4 = МgSО4 + Н2
4 Мg + 10 НNО3 = 4 Мg(NО3)2 + N2O + 5 Н2О
Получение. Магний получают электролизом расплавов его солей. Электролитом служит чистый обезвоженный карналлит, анодом — графитовый стержень, катодом — железный. Полученный жидкий магеий всплывает на поверхность и его собирают черпалками. В ходе электролиза к электролиту добавляют хлорид магния. В последнее время магний получают также восстановлением его из оксида карбидом кальция, аморфным углеродом или кремнием. Процесс восстановления карбидом протекает при температуре 1200, углеродом — при 2000, а кремнием — при 12001300 С. Во избежание взаимодействия образующихся в ходе реакции металлического магния и SiО2 в реакцию вводят не MgО, а обожженный доломит — смесь оксидов кальция и магния:
МgО + СаС2 = СаО + Мg + 2 С (1200 С)
МgО + С = Мg + СО (2000 С)
2 МgО + СаО + Si = СаSiO3 + 2 Мg (12001300 С)
Применение. Магний применяется для получения многих легких сплавов, в частности дюралюминия. Добавка магния к чугуну улучшает механические свойства последнего. Магний применяют как восстановитель при получении редких металлов (Nb, Та, Мо, W, Тl, Zr, Нf и др.) и некоторых неметаллов (например, Si).
Оксид магния МgО. Белое мелкокристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Плавится при температуре 2800 С. Обладает основными свойствами. Хорошо растворяется в кислотах:
МgО + Н2SO4 = МgSO4 + Н2О
при нагревании реагирует с кислотными оксидами:
МgО + SiO2 = МgSO4
В лаборатории оксид магния можно получить сжиганием металлического магния или прокаливанием его гидроксида:
Mg(ОН)2 = МgО + Н2О
В промышленности МgО лолучают термическим разложением кaрбоната магния:
МgСО3 = МgО + СО2
Основная масса оксида магния расходуется строительной промышленностью на изготовление магнезитового цемента и магнезитовых огнеупоров.
Гидроксид магния Мg(ОН)2. Вещество белого цвета, нерастворимое в воде, но легко растворимое в кислотах:
Мg(ОН)2 + Н2SО4 = МgSO4 + 2 Н2О
При пропускании углекислого газа через суспензию гидроксида магния последний расгворяется с образованием гидрокарбоната магния:
Мg(ОН)2 + СО2 = МgCО3 + Н2О
МgСО3 + СО2 + Н2О = Мg(НСО3)2
Гидроксид магния получают действием щелочей или аммиака на растворы солей магния:
МgСl2 + 2 КОН = Мg(ОН)2 + 2 КСl
МgCl2 + 2 NН4ОН = Мg(ОН)2 + 2 NН4Сl
Если к раствору, содержащему нерастворимый гидроксид магния, добавлять соли аммония, осадок растворяется. Это объясняется тем, что ионы аммония связывают гидроксильные ионы (образуется малодиссоциированный гидроксид аммония):
Мg(ОН)2 + 2 NН4 = Мg2 + 2 NН4ОН
Таким образом можно удерживать магний растворенным в аммиаке. Этот раствор называется магнезиальной смесью и используется для качественного и количественного определения ионов фосфорной кислоты:
МgСl2 + 3 NН4ОН + Н3РО4 = MgNН4РО4 + 2 NН4Сl + 3 Н2О
Хорошо растворяются в воде нитрат, хлорид, сульфат, перхлорат, ацетат магния, а также кислые соли многоосновных кислот. Остальные соли магния плохо растворяются в воде.
87. Кальций
Соли кальция известны человеку очень давно, но в свободном состоянии этот металл был получен английским химиком Г. Дэви только в 1808 г.
Нахождение в природе. Содержание кальция в земной коре составляет 3,3 %. Наиболее распространенными его соедлнениями являются минерал кальцит СаСО3 (главная составная часть известняка, мела и мрамора) и прозрачная разновидность кальцита — исландский шпат. Карбонат кальция входит также в состав минерала доломита СаСО3МgСО3. Часто встречаются залежи сульфата кальция в виде минерала гипса СаSO42Н2О, фосфата кальция — в виде минералов фосфорита Сa3(РО4)2 и апатита 3Са3(РО4)2СаF2 (или Са5(РO4)3F), фторида кальция — в виде минерала плавикового шпата СаF2, и нитрата кальция — в виде кальциевой, или норвежской, селитры Са(NО3)2. Кальций входит также в состав многих алюмосиликатов, в частности полевых шпатов.
Физические свойства. Кальций — серебристо-белый ковкий металл, который плавится прп температуре 850 С и кипит при 1482 С. Он значительно тверже щелочных металлов.
Химические свойства. Кальций — активный металл. Так, при обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом воздуха и галогенами:
2 Са + О2 = 2 СаО (оксид кальция)
Са + Вr2 = СаВr2 (бромид кальция)
С водородом, азотом, серой, фссфором, углеродом и другими неметаллами кальций реагирует при нагревании:
Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция)
3 Са + N2 = Са3N2 (нитрид кальция)
Са + S = СаS (сульфид кальция)
3 Са + 2 Р = Са3Р2 (фосфид кальция)
Са + 2 С = СаС2 (карбид кальция)
С холодной водой кальций взаимодействует медленно, а с горичей — очень энергично:
Са + 2 Н2О = Са(ОН)2 + Н2
Кальций может отнимать кислород или галогены от оксидов и галогенидов менее активных металлов, т. е. обладает восстановительными свойствами:
5 Са + Nb2О5 = СаО + 2 Nb
5 Са + 2 NbСl5 = 5 СаСl2 + 2 Nb
Получение. Металлический кальций получают электролизом его расплавленных солей. Электролитом служит расплавленная смесь СаCl2 и СаF2 в соотношении 3: 1 по массе. Фторид кальция прибавляют для понижения температуры плавления смеси. Применение. Кальций применяют в металлургии для очистки чугуна и стали от оксидов, а также в производстве многих редких металлов (Тl, Zг, Нf, Nb, Та и др.) как восстановитель этих металлов из их оксидов и хлоридов. Сплав кальция со свинцом используют для изготовления подшипников и оболочек кабелей.
Оксид кальция СаО. Белое вещество, плавящееся при температуре около 3000 С, с ярко выраженными основными свойствами. Хорошо взаимодействует с водой, кислотами и кислотными оксидами:
СаО+ Н2О = Са(ОН)2
СаО+ 2 НСl = СаСl2 + H2О
СаО + СО2 = СаСО3
В лабораторных условиях оксид кальция можно получить окислением кальция, а также термическим разложением его карбоната. В промышленности СаО получают обжигом известняка в шахтных или вращающихся трубчатых печах при 10001100 С. Поэтому его называют еще жженой или негашеной известью.
Применяют оксид кальция в промышленности строительных материалов как вяжущий материал.
Гидроксид кальция Са(ОН)2. Твердое белое вещество, плохо растворимое в воде (в 1 л воды при 20 С растворяется 1,56 г Са(ОН)2). При обработке оксида кальция горячей водой получается мелкораздробленый гидроксид кальция — пушонка. Насыщенный водный раствор Са(ОН)2 называется известковой водой. На воздухе он мутнеет вследствие взаимодействия с углекислым газом и образования карбоната кальция.
Гидроксид кальция является щелочью. Он легко реагирует с кислотами, кислотными оксидами и солями:
Са(ОН)2 + 2 НСl = СаСl2 + 2 H2О
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О
3 Сa(ОН)2 +2 FеСl3 = 3 СаСl2 + 2 Fе(ОН)3
Процесс взаимодействия оксида калъция с водой называется гашением. Гашеная известь в смеси с песком и водой образует известковый раствор, используемый в строительстве: для скрепления кирпичей при кладке стен, для штукатурных рабат и др. На воздухе гашеная известь поглощает углекислый газ и превращается в карбонат кальция.
88. Цинк
Цинк в сплавах был извеетен еще в древности. В чистом виде
его получили только в конце ХVIII века.
Нахождение в природе. Содержание цинка в земной коре составляет 8,3103 %. Его соединения довольно раслространены. Чаще других встречается минерал цинковая обманка ZnS, реже — галмей ZnСО3, кремнецинковая руда Zn2SiО4Н2О, цинковая шпинель ZnОАl2O3 и красная цинковая руда, или цинкит, ZnО.
Физические свойства. Цинк — металл синевато-белого цвета, обладающий металлическим блеском. На воздухе его поверхность покрывается оксидной пленкой и тускнеет. Цинк плавится при 419,5 С, кипит при 913 С. Плотность литого твердого цинка составляет 7,13 г/см3, плотность вальцованного цинка несколько выше. При температуре плавления плотность цинка равна 6,92 г/см3. На холоду цинк довольно хрупок но при температуре 100150 С легко поддается прокатке и вытягиванию. Легко образует сплавы с другими металлами.
Химические свойства. Цинк является довольно активным металлом. Он легко вэаимодействует с кислородом, галогенами, серой и фосфором:
2 Zn + О2 = 2 ZnО (оксид цинка)
Zn + Сl2 = ZnСl2 (хлорид цинка)
Zn + S = ZnS (сульфид цинка)
3 Zn + 2 Р = Zn3Р2 (фосфид цинка)
При нагревании взаимодействует с аммиаком, в реэультате чего образуется нитрид цинка:
3 Zn + 2 NН3 = Zn2N3 + 3 Н2
а также с водой:
Zn + Н2О = ZnО+ Н2
и сероводородом:
Zn + Н2S = ZnS+ Н2
Образующийся на поверхности цинка сульфид предохраняет его от дальнейшего взаимодействия с сероводородом.
Цинк хорошо растворим в кислотах и щелочах:
Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + Н2
4 Zn + 10 НNО3 = 4 Zn(NО3)2 + NН4NО3 + 3 Н2О
Zn + 2 КОH + 2 Н2О = К2[Zn(ОН)4] + Н2
В отличие от алюминия цинк растворяется в водном растворе аммиака, так как образует хорошо растворимый аммиакат:
Zn + 4 NН4ОН = [Zn(NН3)4](ОН)2 + Н2 + 2 Н2О
Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.
СuSO4 + Zn = ZnSO4 + Сu
СdSO4 + Zn = ZnSO4 + Сd
Получение. Цинк получают двумя способами: пирометаллургичским и гидрометаллургическим. В обоих способах цинковую руду обжигают с целью переведения сульфида цинка в оксид:
2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnО + 2 SO2
ZnСО3 = ZnО + СО2
Выделяющийся диоксид серы используется в производстве серной кислоты. При получении цинка пирометаллургическим слособом полученный цинковый огарок (продукт обжига цинковой руды) смешивают с коксом и нагревают до 11001200 С. Цинк восстанавливается:
ZnO + C = Zn + CO
и при 913 'С отгоняется.
Для получения цинка гидрометаллургическим слособом цинковый огарок растворяют в серной кислоте, отделяют примеси и электролизом сернокислого раствора выделяют цинк (катодом служит алюминий, а анодом — свинец).
Применение. Цинк применяют для оцинкования железа с целью предохранения его от коррозии (цинковая жесть), для изготовления гальванических элементов. Цинковую пыль используют как восстановитель химических процессов. Цинк входит в состав многих сплавов.
Оксид цинка ZnО. Порошок белого цвета. Плавится при температуре около 2000 С. Плохо растворяется в воде. Обладает амфотерными свойствами. Легко растворяется как в кислотах, так и в щелочах, образуя соли цинка ц и н к а т ы:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
ZnO + 2 KOH + 2 H2O = K2[Zn(OH)4]
При сплавлении взаимодействует с основными и кислотными оксидами:
ZnО + СаО = СаZnО2
ZnО+ SiО2 = ZnSiО3
Используется оксид цинка как катализатор во многих химическик процессах. Он входит также в состав цинковых белил.
Гидроксид цинка Zn(ОН)2. Обладает амфотерными свойствами, легко растворяется в кислотах и щелочах:
Zn(ОН)2 + Н2SO4 = ZnSO4 + 2 Н2О
Zn(ОН)2 + 2 КОН = К2[Zn(ОН)4]
Он легко растворяется также в аммиаке — образуется аммиакат цинка:
Zn(ОН)2 + 4 NН4ОН = [Zn(NН3)4](ОН)2 + 4 Н2О
Гидроксид цинка образуется при обработке соли цинка щелочью (но не аммиаком) или цинката кислотой:
ZnSO4 + 2 КОН = К2SO4 + Zn(ОН)2
К2[Zn(ОH)4] + Н2SO4 = К2SO4 + Zn(ОH)2 + 2 Н2О
Соли цинка. Хлорид цинка ZпCl2 получают растворением цинка или его оксида в соляной кислоте. Он очень хорошо растворим в воде (расплывается на воздухе). Раствор хлорида цинка в соляной кислоте применяют для обработки поверхности металла при паянии (травление). Хлорид цинка образует с соляной кислотой комплексную кислоту Н2ZnСl4, которая растворяет оксиды металлов, но не металлы. Хлорид иннкь лрименяется в медицине в качестве антисептика.
Сульфид цинка ZnS. Порошок бледно-желтого цвета, труднорастворим в воде. Плавится при 18001900 С под давлением (при 1180 С возгоняется). Легко растворяется в кислотах:
ZnS + 2 НСl = ZnCl2, + Н2S
Он входит в состав литопона — минеральной краски, получаемой в рсзультате смешивания сульфида бария с сульфатом цинка:
ВаS + ZnSO4 = ВаSO4 + ZnS
Литонон значительно дешевле свинцовых белил, но менее устойчив на свету. Под действием ультрафиолетовых и радиоактивных лучей сульфид цинка светится. Поэтому его используют в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках. Тонкоизмельченный сульфид цинка (цинкосульфидная серая краска) применяется для покрытий металлических конструкций мостов и деталей машин.
Сульфат цинка ZnSO4 применяется в медицине в качестве антисептпка.
89. Ртуть
Ртуть была известна еще древним грекам.
Нахождение в природе. Содержание ее в земной коре составляет
8,3106 %. Самородная ртуть встречается в виде вкраплений в породу. Встречается также сульфид ртути НgS, называемый киноварью.
Физические свойства. Ртуть — серебристо-белый жидкий металл, затвердевает при 38,84 С, кипит при 356,95 С. В твердом состоянии обладает хорошей ковкостью и эластичностью. В ртути растворяются многие металлы, образуя амалыамы. В них металлы ведут себя, как и в свободном состоянии, но делаются менее активными (образование амальгамы снижает активность аналогично разбавлению). Пары ртути очень ядовиты. Ртуть не выводится из организма человека.
Химические свойства. Ртуть является малоактивным металлом. С кислородом она взаимодействует только при нагревании:
2 Нg + O2 = 2 НgО
С хлором ртуть взаимодействует на холоду, образуя хлорид ртути, или сулему:
Нg + Сl2 = НgCl2
Легко взаимодействует ртуть с порошкообразной серой, образуя очень прочное соединение — сульфид ртути:
Нg + S = НgS
Эту реакцию используют для связывания разлитой ртути: место, где предполагают наличие разлитой ртути, посыпают порошком серы.
В воде и щелочах ртуть не растворяется. Она растворяется в кислотах-окислителях; в концентрированной серной кислоте при нагревании, а в азотной — на холоду. В вависимости от количества ртути образуются соли ртути в степени окисления +1 и +2:
Нg + 2 Н2SO4 = НgSO4 + SO2 + 2 Н2O
3 Нg + 8 НNО3 = 3 Нg(NО3)2 + 2 NО + 4 Н2О
Нg + Нg(NО3)2 = Нg2(NО3)2
Ртуть (II) в хлориде НgСl2, восстанавливается металлической ртутью до ртути (I):
НgСl2 + Нg = Нg2Сl2 (каломель)
Получение. Ртуть получают из киновари, прокаливая ее на воздухе либо нагревая с железом или оксидом кальция:
НgS + О2 = Нg + SO2
НgS + Fе = Нg + FeS
4 НgS + 4 СаО = 4 Нg + 3 СаS + СаSO4
Ртуть легко отгоняется.
Применение. Металлическая ртуть применяется в различных приборах, таких, как регуляторы давления, кварцевые лампы, термометры, диффузионные вакуумные насосы и др. Ее используют также для получения красок, гремучей ртути, ртутных мазей против кожных ааболеваний. Амальгамы ртути применяются в качестве востановителей. Значительные количества ртути ислользуются в электрохимической промышленности (ртутные катоды) и полярографии.
Оксид ртути НgО. Вещество желтого или красного цвета. При нагревании легко разлагается на кислород и ртуть. Оксид ртути сбладает только основными свойствами. Он может растворяться в кислотах, с которыми ртуть образует легкорастворимые соли:
НgО+ 2 НСl = НgСl2 + Н2O
НgО + 2 НNО3 = Нg(NО3)2 + Н2О
В воде оксид ртути не растворяется и при действии щелочей на растворы солей ртути (II) выпадает в осадок:
НgСl2 + 2 КОН = 2 КСl + НgО + Н2О
Нg(NО3)2 + 2 КОН = 2 КNО3 + НgО + Н2О
В соединениях ртути со степенью окисления +1 два атома ртути соединяются между собой ковалентной связью. При дсйствии щелочей на соли ртути (I) выпадают металлическая ртуть и оксид ртути (II):
Нg(NО3)2 + 2 КОН = 2 КNО3 + НgО + Нg + Н2О
Соли ртути применяются в основном как катализаторы многих химичесхих процессов. Так, сулема НgСl2 катализирует реакцию гидрохлорирования ацетилена:
(НgСl2)
НССН + НСl —— Н3С = СНСl
Сульфат ртути НgSО4 применяется как катализатор при гидратации ацетилена по реакции Кучерова:
(НgSO4)
НСCН + Н2О —— СН3СНО
Труднорастворимая каломель Нg2Сl2 используется при изготовлении стандартных электродов электрометрических приборов.