Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Химия металлов




Металлами, с точки зрения химии, называются химические элементы, атомы которых склонны отдавать свои электроны. Большинство химических элементов (более восьмидесяти)являются металлами: к ним относятся все s-, d- и f- элементы, а также некоторые р-элементы.

Все металлы в свободном состоянии – восстановители, в соединениях их степени окисления всегда положительны. Химическая активность металлов, т.е. их способность отдавать электроны может быть охарактеризована с помощью двух величин: энергии ионизации или потенциала ионизации I и стандартного электродного потенциала φо. В растворах металлы могут находиться в виде одноатомных катионов, оксоанионов, оксокатионов и комплексных соединений.

Атомы I A,II A, III A группах, легко отдают свои валентные электроны и принимают электронную конфигурацию ближайшего благородного газа, например:

Na 1s22s22p63s1→ Na+ 1s22s22p6

Al 1s22s22p63s2 3p1→ Al3+ 1s22s22p6

Внешние полностью занятые электронные s- и р- орбитали создают вокруг себя плотные электронные облака которые практически не деформируются под влиянием электрических полей, создаваемыми другими частицами. Такие катионы называются жесткими. Свойства этих катионов определяются, главным образом, их ионным потенциалом. Чем больше ионный потенциал, тем сильнее взаимодействует данный ион с другими частицами (отрицательными ионами, молекулами воды). Катионы d- металлов являются более диффузными и легче деформируются под влиянием внешних электрических полей. Поэтому такие ионы называются мягкими. Свойства мягких катионов определяются не только величиной ионного потенциала, но и поляризуемостью. При равных значениях ионного потенциала мягкие катионы взаимодействуют с окружающими их частицами сильнее, чем жесткие.

 

s- ЭЛЕМЕНТЫ

Электронная конфигурация элементов I A- иII A- группах ns1 и ns2. Ввиду высокой химической активности в природе в свободном состоянии не встречаются, а находятся в виде солей: хлоридов, сульфатов, карбонатов.

С кислородом взаимодействуют с образованием трех видов оксидов.

4Li + O2 = 2Li2O нормальный оксид

Ba + O2 = BaO2 пероксид

K + O2 =KO2 супероксид

Оксиды этих элементов разлагаются водой

Li2O + Н2О = 2LiOH

BaO2 + 2H2O = Ba(OH)2 + H2O2

2KO2 + 2H2O = 2KOH + H2O2 + O2

При взаимодействии с водородом образуются гидриды

Са + Н2 = СаН2

В гидридах содержится Н- и они разлагаются водой с выделением водорода:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 +2Н2

При нагревании с азотом литий, магний, кальций образуют нитриды Li3N, Mg3N2, Ca3N2, которые разлагаются водой с образованием аммиака. При нагревании с углеродом металлы II А группы образуют карбиды, например, карбид кальция СаС2, которые широко применяют для получения ацетилена:



СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2

При взаимодействии с галогенами s- элементы образуют соответствуюшие галогениды, с серой – сульфиды. Все элементы, за исключением бериллия и магния, вступают при обычной температуре в реакцию с водой, образуя водород и гидроксид металла:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

Оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов растворяются в воде, образуя щелочи. Гидроксиды этих металлов являются сильными, растворимыми основаниями – щелочами, кроме гидроксидов магния и бериллия. Последний проявляет амфотерные свойства:

Ве(ОН)2 + 2Н+ = Ве2+ + 2Н2О

Ве(ОН)2 + 2ОН- = [Be(OH)4]2-

Соли кальция и магния (сульфаты, гидрокарбонаты и др.) обусловливают жесткость воды.

Наиболее распространенный способ получения активных металлов – электролиз расплавленных соединений. Путем электролиза получают литий, натрий, бериллий, магний, кальций. Более активные металлы: калий, рубидий, цезий, стронций, барий получают нагреванием их соединений с алюминиевым порошком (алюмотермия).

Применение.

1. В металлургии для производства сплавов (Mg, Be, Ca, Li, Na)

2. В металлотермии в качестве восстановителя при получении свободных металлов (Na, K, Mg, Ca)

3. Натрий и калий применяют в разнообразных органических синтезах (производство каучука)

4. В ядерной технике бериллий применяют в качестве замедлителя нейтронов, а натрий, калий, литий – в качестве теплоносителей

5. Цезий, рубидий и калий при меняют для изготовления фотоэлементов

6. Широкое применение имеют соединения: а) KCl, KNO3, NaNO3 – удобрения; б) NaCl – в производстве хлора и щелочи; в) NaOH – в производстве красителей, синтетического волокна, мыловарении и др. г) Na2O2 – для отбеливания и дезинфекции; д) оксиды бериллия и магния в производстве огнеупорных материалов; е) соединения кальция и магния входят в состав вяжущих материалов, применяемых в строительстве (алебастр, гипс, цемент и т.д.)

 

р- ЭЛЕМЕНТЫ

 

Среди элементов, расположенных в IIIA-VA –группах, металлами являются :алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, сурьма и висмут. Химическая активность р-элементов выражена слабее, чем у s-элементов.



При нагревании порошок алюминия, олово, свинец взаимодействуют с различными неметаллами: кислородом, серой, галогенами. При этом образуются соответствующие соединения: Al2O3, SnO2, PbO, Al2S3, SnS2, PbS, SnCl4,AlCl3, PbCl2. При взаимодействии Al2S3 с водой образуется гидроксид алюминия и сероводород: Al2S3 +6 Н2О = 2Al(OH)3 +3 H2S

Гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами:

Al(OH)3 + 3Н+ = Al3+ + 3H2O

Al(OH)3 + 3OH- = [Al(OH)6]3-

При взаимодействии щелочи на металлический алюминий вначале происходит растворение оксидной пленки, а затем идет реакция: 2Al + 10OH- + 2H2O = 2[Al(OH)6]3- + H2

В соляной и разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с выделением водорода. В концентрированных растворах серной и азотной кислот алюминий покрывается пассивной пленкой. Соли алюминия и сильных кислот в водных растворах гидролизуются с образованием основных солей. Соли, образованные слабыми многоосновными кислотами Al2(CO3)3, Al2S3, гидролизуются полностью.

Оксиды олова(II) и свинца(II) в воде не растворяются, но взаимодействуют с кислотами и щелочами, причем основные свойства PbO выражены сильнее, чем у SnO. Продуктами взаимодействия со щелочами являются гидроксокомплексы, называемые станнитами и плюмбитами: SnO + 2NaOH + H2O = Na2[Sn(OH)4]

Диоксиды SnO2 и PbO2 не растворяются в воде, кислотах и щелочах. При сплавлении со щелочами образуются соли мета-оловянной кислоты или соли мета-свинцовой кислоты: Na2 SnO3 и Na2 PbO3. Диоксид свинца очень сильный окислитель: φоPbO2/Pb2+ = +1,46В. Смешанный оксид 2PbO* PbO2 –сурик также является сильным окислителем, его можно рассматривать как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb2PbO4.

Гидроксид Sn(OH)4, является одной их форм оловянной кислоты, имеющей переменный состав SnO2 *хН2О. Соответствующий гидроксид Pb(OH)4 крайне неустойчив.

Соли олова SnCl2, Sn(NO3)2, SnSO4 растворимы в воде и сильно гидролизуются. Хлорид и сульфат свинца (II) в воде мало растворимы. Растворимы нитрат и ацетат свинца (II). Соли Sn(II) являются сильными восстановителями: φоSn+4/Sn+2 = 0,15В. Металлическое олово медленно растворяется в разбавленной серной и соляной кислотах: Sn + 2HCl = SnCl2 + H2

Свинец в таких кислотах не растворяется, так как покрывается нерастворимыми солями: PbSO4, PbCl2. Концентрированная серная кислота окисляет олово в Sn(SO4)2, а свинец – в кислую соль Pb(НSO4)2. Разбавленная азотная кислота окисляет олово и свинец до двухвалентного состояния; под действием концентрированной азотной кислоты олово окисляется в оловянную кислоту, а свинец – в нитрат Pb(II).

Все три металла находят широкое применение в технике. Алюминий в виде различных сплавов является важнейшим конструкционным материалом, используемым в авиационной промышленности и машиностроении. Обладая высокой электропроводностью, он используется для изготовления электропроводов. В металлургии алюминий применяется как активный восстановитель для получения многих металлов. Олово в больших количествах используется для лужения, изготовления фольги и входит в состав сплавов. Из свинца делают пластины для кислотных аккумуляторов, кислотоупорную аппаратуру, оболочки электрокабелей. Соединения этих металлов применяются:

а) алюмосиликаты – при изготовлении огнеупорныъх материалов, фарфора, фаянса;

б) соли алюминия – флокулянты для осаждения взвешенных частиц;

в) алюминиевые квасцы – в текстильной, бумажной, кожевенной промышленности и в медицине;

г) оксиды олова и свинца входят в состав эмалей, глазури, специальных стекол;

д) диоксид свинца применяется в производстве аккумуляторов;

е) сурик Pb3O4 используется для изготовления красок

ж) соли свинца – PbI2, PbCrO4 применяются в качестве пигментов;

з) азид свинца – взрывчатое вещество, используется в качестве детонатора.

 

d- ЭЛЕМЕНТЫ

 

d- Элементы (переходные металлы) в Периодической системе занимают побочные подгруппы всех восьми групп. На внешнем электронном уровне в атомах этих элементов находятся два (или один) s-электрон, а на предпоследнем происходит заполнение d-орбиталей. Особенностями электронного строения обусловлены:

а) большое разнообразие проявляемых степеней окисления;

б) способность к образованию многочисленных комплексных соединений.

Восстановительная способность в растворах металлов данного семейства меняется в широких пределах: скандий, титан, ванадий, марганец обладают высокой металлической активностью; железо, кобальт и никель проявляют среднюю активность, а медь примыкает к благородным металлам.

На воздухе рассматриваемые металлы достаточно устойчивы, за исключением железа, которое под влиянием кислорода и влаги воздуха ржавеет:

4Fe + 3O2 + 2xH2) = 2Fe2O3*xH2O

При нагревании взаимодействуют с кислородом с образованием оксидов, состав которых зависит от условий окисления. Химические свойства оксидов и соответствующих им гидроксидов определяются степенью окисления металла. Общая закономерность состоит в том, что с увеличением степени окисления металла происходит постепенное ослабление основных и усиление кислотных свойств. Примеры:

MnO, CrO - основные оксиды

Mn2O3, Сr2O3 -амфотерные –«-

MnO2 -амфотерный –«-

MnO3, CrO3 -кислотные -«-

Mn2O7 -кислотный –«-

Все рассматриваемые металлы, кроме меди, в ряду напряжений стоят левее водорода, поэтому при действии соляной и разбавленной серной кислот они растворяются с образованием хлоридов и сульфатов, в которых металл находится преимущественно в низшей степени окисления.

Концентрированная серная кислота окисляет Sc, Ti, Mn, Zn, Cu, с образованием сульфатов. Хром, железо, никель и кобальт под действием концентрированной серной кислоты пассивируются. Под действием разбавленной азотной кислоты скандий, хром, железо, кобальт, никель, медь и цинк превращаются в растворимые нитраты. Титан, ванадий и марганец в разбавленной азотной кислоте не растворяются. Концентрированная азотная кислота превращает титан в H2TiO3, ванадий в HVO3, марганец в Mn(NO3)2, но пассивирует хром и железо.

Под действие щелочей металлы, оксиды которых обладают амфотерными свойствами, растворяются с выделением водорода. Например:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] +Н2

В то время как переходные металлы в свободном состоянии являются активными восстановителями, их соединения, особенно те, в которых они находятся в высшей степени окисления, - сильные окислители. Например:

Co3+ + e = Co2+ ; φo = +1,81B

MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O; φo = + 1,51B

Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O; φo = +1,33B

Переходные металлы являются активными комплексообразователями. Они образуют множество разнообразных комплексов. К наиболее распространенным лигандам нужно отнести аммиак и различные анионы: CN-, CNS-, NO2-, F-, Cl-, OH-, H2O.

Ni2+ + 6NH4OH = [Ni(NH3)6]2+ + 6H2O

Основная область применения d – металлов ─ металлургия (чугун, сталь, легированные стали, жаропрочные сплавы). Хром, никель, медь используются как гальванические покрытия для повышения твердости, электропроводности и т.д. Медь широко применяется в электро- и радиотехнике благодаря ее высокой электропроводности и пластичности. Широко используются соединения:

а) перманганат калия, диоксид марганца, бихромат калия («хромпик ») используются в качестве сильных окислителей в разных отраслях промышленности и лабораторной практике;

б) диоксид марганца находит применение в производстве сухих элементов;

в) оксид хрома (III) является основой тонкой полировальной пасты (паста ГОИ);

г) хромовый ангидрид – составная часть электролита для гальванического хромирования;

д) оксид титана (IV), оксид цинка (II), оксид железа (III), оксид хрома (III) и другие соединения используются в качестве пигментов при производстве красок.

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2017 год. (0.098 сек.)