1. Кальций, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атома. Физические и химические свойства; взаимодействие с кислородом, водой, кислотами.

В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева кальций Са расположен в 4-м периоде II группы главной подгруппы.

Кальций Са — металл. Основная степень окисления 4-2. Формулы высшего оксида и гидроксида СаО и Са(ОН)2. Оба соединения проявляют основные свойства.

По физическим свойствам: кальций — металл серебристо-белого цвета, относительно легкий (плотность р = 1,54), температура плавления 854 °С, окисляется на воздухе.

Переходя к характеристикам химических свойств кальция, следует отметить, что его высокая активность объясняется легкостью отдачи двух электронов, расположенных на внешнем электронном слое. Таким образом, в химических реакциях кальций — восстановитель. Это можно подтвердить уравнениями реакций кальция как с простыми, так и со сложными веществами:

1. с неметаллами

Получают кальций электролизом расплавленного СаС12. Касаясь вопроса о применении, важно отметить широкое использование соединений кальция в строительстве: карбонат кальция СаС03 (известняк), оксид кальция СаО (негашеная известь), гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеная известь), сульфат кальция CaSO4 • 2Н2О (гипс, алебастр).

1.2магний элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний (CAS-номер: 7439-95-4) — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Смесь порошкового магния с перманганатом калия KMnO4 — взрывчатое вещество

Раскаленный магний реагирует с водой:

Mg + Н2О = MgO + H2↑

Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется легко с выделением водорода:

Mg + 2HCl = MgCl2 + H2

При нагревании на воздухе магний сгорает с образованием оксида и небольшого количества нитрида. При этом выделяется большое количество теплоты и световой энергии:

2Mg + О2 = 2MgO

3Mg + N2 = Mg3N2

Магний может гореть даже в углекислом газе:

2Mg + CO2 = 2MgO + C

Горящий магний нельзя тушить водой.

2.Вода, ее состав, строение молекулы, физические и химические свойства (разложение, отношение к натрию, оксидам кальция, серы (IV)). Основные загрязнители природной воды, очистка природных и сточных вод. Вода — самое распространенное в природе соединение. Молекула ее состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О).

Молекула воды имеет угловую форму и образована по типу ковалентной полярной химической связи:

В ходе рассказа о физических свойствах воды можно подчеркнуть, что это единственное соединение, которое в природных условиях существует в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).

Рассказ о химических свойствах воды целесообразно сопровождать записями уравнений реакций.

3. Жесткость воды - совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней преимущественно катионов Са2+ и Mg2+.3. Жесткость природных водЖесткость воды - совокупность свойств воды, обусловленная наличием в нейпреимущественно катионов Са2+ и Mg2+

Жесткость воды карбонатная некарбонатная общая Обусловлена присутствием в воде SO 2-, Cl- и др. 4 представляет собой сумму карбонатной карбонатов и гидрокарбонатов магния обусловлена присутствием сульфатных, (временной) и - 2- нитратных и хлоридных анионов некарбонатной HCO3 , CO3 (постоянной) жесткости Временная, т.е. неустранимая можно устранить Классификация жесткости Постоянная, т.е.мягкая вода – жесткость 3,0 мг-экв/л устранить нельзясредняя жесткость – от 3,0 до 7,0 мг- Ж, мг-экв/лэкв/л; Ж ≤ 7 мг-экв/л – хозяйственно-жесткая вода – свыше 7,0 мг-экв/мл; питьевая вода

Умягчение воды – процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. кальция и магния. Методы умягчения воды Термические Реагентные Ионного обмена комбинированныеоснованы на основаны на связывании основаны на представляют собойнагревании воды, ее находящихся в воде фильтровании воды сочетания разныхдистилляции или ионов кальция и магния через специальные методов.вымораживании в практически материалы, нерастворимые обменивающие соединения. входящие в их состав ионы натрия или водорода на ионы кальция или магния, содержащиеся в природной воде. Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 + H2O.

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.

жесткость воды зависит от наличия в ней солей двухвалентных металлов, преимущественно кальция и магния. Жесткая вода при кипячении образует накипь вследствие оседания некоторых солей кальция, магния и железа (II). Мыло в жесткой воде не мылится (не вспенивается), так как образуются нерастворимые в воде кальциевые и магниевые соли жирных кислот. Жесткая вода не пригодна для питания паровых котлов и применения в химической технологии, а также других технических целей.

Определение жесткости воды имеет большое практическое значение и очень широко применяется в технике и промышленности.

Различают жесткость временную (или устранимую) и постоянную. Временная жесткость воды обусловлена присутствием в воде бикарбонатов: , реже иногда также . Ее можно устранить кипячением воды.

При кипячении воды бикарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых в воде карбонатов, оксикарбонатов и гидроокисей:

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней преимущественно сульфатов и хлоридов кальция и магния и не устраняется кипячением. Сумма временной (устранимой) и постоянной жесткости составляет общую жестк воды

4.

13	Алюминий
Al 26,982
3s23p1

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом, образуя оксид алюминия(если Al находится в виде пыли или амальгамы):

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

• с галогенами (кроме фтора)^[6], образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

2Al + 3Hal₂ = 2AlHal₃ (Hal = Cl, Br, I)

• с другими неметаллами реагирует при нагревании:

  • с фтором, образуя фторид алюминия:

2Al + 3F₂ = 2AlF₃

• с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃

• с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N₂ = 2AlN

• с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al₄С₃

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S­

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄­

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H_2­

• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H_2­

2(NaOH•H₂O) + 2Al = 2NaAlO₂ + 3H₂

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H_2­

2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al + 15H₂SO₄(конц) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O

Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO_2­ + 3H₂O

• восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

5.

26	Железо
Fe 55,847
3d64s2

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокойвлажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа суглеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая(легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al^[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра. Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂O.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe²⁺ и [Fe(CN)₆]³⁻выпадает осадок турнбулевой сини:

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen₃ (максимум светопоглощения — 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9)

^[17]Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)₂, основание Fe(OH)₃, которое реагирует с кислотами:

Соли Fe³⁺ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe³⁺ как правило окружен шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Ион Fe³⁺ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При рН>4 этот ион практчиески полностью осаждается^[18] в виде Fe(OH)₃:

При частичном гидролизе иона Fe³⁺ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.

Основные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)₃ выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)₃.

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe₂O₃ образует разнообразные ферриты:

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN⁻. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN⁻ образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)]²⁺, [Fe(SCN)₂]⁺, Fe(SCN)₃, [Fe(SCN)₄]_-.^[19] Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]⁴⁻выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

Соединения железа (VI)

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H₂FeO₄. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)₃ в щелочи^[20], например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Ферраты окрашены в фиолетовый цвет.

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода:^[21]:

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

6.

14	Кремний
Si 28,086
3s23p2

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si 

Физические свойства

криллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, но з-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·10¹⁵ м⁻³ (для температуры 300 K).

Химические свойства

Подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp³-гибридизации орбиталей. В связи с гибридизацией чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решётку, в которой кремний четырёхвалентен. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или −4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например, оксид кремния (II) SiO.

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen₄ и, возможно, галогенидов более сложного состава.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂.

При температурах свыше 1000С °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом, что интересно, расплав кремния (1415 °C) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.

Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов. При нагревании кремния с металлами могут образовываться силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Особо следует отметить, что с железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.

При восстановлении SiO₂ кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) — SiO. Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены ещё два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

1. Si+2HNO₃=SiO₂+NO+NO₂+H₂O

2. SiO₂+4HF=SiF₄+2H₂O

3. 3SiF₄+3H₂O=2H₂SiF₆+↓H₂SiO₃

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C.

1. Si+2KOH+H₂O=K₂SiO₃+2H₂↑

2. K₂SiO₃+2H₂O↔H₂SiO₃+2KOH

3. Кремний горит в кислороде, образуя известный уже вам диоксид кремния, или оксид кремния(1У): Si+ 02 = SiO2 Будучи неметаллом, при нагревании он соединяется с металлами с образованием силицидов, например: Si + 2Mg = Мg2 Si илициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния — силан: Мg2 Si + 2Н2SO4 = 2MgSO4 + SiH4 В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: SiH4 + 202 = SiO2 + 2Н2О Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН4 объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи —Н слабее связей С—Н. Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты иводород: Si + 2NаОН + Н20 = Na2SiО3 + 2Н2 Кремний получают, восстанавливая его из диоксида магнием или углеродом.

7.

6	Углерод
C 12,011
2s22p2

Углеро́д (химический символ — C) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периодапериодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107^[