Соединения щелочных металлов

1) Гидроксиды щелочных металлов — белые гигроскопичные вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями. Они участвуют во всех реакциях, характерных для оснований — реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами:

2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2H₂O

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O

KOH + Al(OH)₃ = K[Al(OH)₄]

Гидроксиды щелочных металлов при нагревании возгоняются без разложения, за исключением гидроксида лития, который так же, как гидроксиды металлов главной подгруппы II группы, при прокаливании разлагается на оксид и воду:

2LiOH = Li₂O + H₂O.

Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.

2) Карбонаты. Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2co3.

3) Амиды щелочных металлов проявляют основные свойства подобно гидроксидам. Большинство соединений щелочных металлов, кроме некоторых соединений лития, хорошо растворимы в воде.

ПРИМЕНЕНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Алюминий-литиевые сплавы нашли применение в авиационной и космической технике.

Литий используется при производстве литиевых аккумуляторов, такие аккумуляторы применяются в кардиостимуляторах.

Расплавы натрия и калия используются в качестве теплоносителей в атомных реакторах и в авиационных двигателях.

Пары натрия используются в люминесцентных светильниках.

Натрий служит катализатором в производстве каучука.

Натрий используется при производстве калия, титана, циркония и тантала, а также тетраэтилсвинца – добавки, улучшающей детонационные свойства бензина.

Пероксид натрия и надпероксид калия используются в подводных лодках и космических кораблях для регенерации кислорода.

Гидроксид калия применяется для получения жидкого мыла и стекла.

Гидроксид натрия используется для производства бумаги, искусственных тканей, мыла, очистки нефтепроводов, в производстве искусственного волокна и в щелочных аккумуляторах.

Хлорид натрия – пищевой продукт и сырье для получения натрия и его соединений, применяется в медицине для приготовления физиологического раствора.

Карбонат натрия используется для производства бумаги, мыла и стекла.

Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) применяется в медицине, кулинарии, в производстве минеральных вод, используется в огнетушителях.

Карбонат калия (поташ) необходим при производстве жидкого мыла и стекла.

Нитрат калия – комплексное минеральное удобрение, применяется для производства черного пороха и фейерверков.

Цезий нашел применение в фотоэлементах.

14. Охарактеризуйте химические свойства элементов viib подгруппы и их важнейших соединений. Как их получают в промышленности? Где они применяются?

Ответ:

ПОДГРУППА VIIB - СЕМЕЙСТВО МАРГАНЦА: МАРГАНЕЦ, ТЕХНЕЦИЙ, РЕНИЙ.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Электронная конфигурация этих элементов марганца Mn, технеция Tc, рения Re характерна для переходных металлов. Каждый элемент имеет наполовину заполненную внутреннюю d-оболочку, т.е. имеет пять d-электронов на пяти d-орбиталях и 2 электрона на внешней s-орбитали..

Соединения марганца(II) отличаются хорошей устойчивостью к окислению и восстановлению, а соединения Mn(III) склонны переходить в соединения Mn(II). Все элементы подгруппы покрываются пассивирующей пленкой; при разрушении пленки Mn становится реакционноспособным и вытесняет водород из кислот HCl и H₂SO₄.

Mn (порошок) + H₂SO₄ (разб.) = MnSO₄ + H₂ ↑.

Mn (порошок) + 2HCl (разб.) = MnCl₂ + H₂ ↑.

Ни Tc, ни Re не растворяются в кислотах, не являющихся окислителями. Все металлы растворяются в HNO₃, причем технеций и рений окисляются до M(VII), образуя HTcO₄ и HReO₄, а марганец переходит в M(VII) только под действием сильных окислителей.

3Mn + 8HNO₃ (разб., гор.) = 3Mn(NO₃)₂ + 2NO ↑ + 4H₂O

Tc + 7HNO₃ (конц., гор.) = HTcO₄ + 7NO₂↑ + 3H₂O

Re + 7HNO₃ (разб.) = HReO₄ + 7NO₂ + 3H₂O

Состояние M(VII) более стабильно для Tc и Re: Mn2O7 при нагревании взрывается, а Re₂O₇ и Tc₂O₇ устойчивы даже при выпаривании их растворов. Все элементы подгруппы образуют соединения в низких степенях окисления, но более тяжелые образуют более устойчивые соединения. Состояние в степени окисления V не очень характерно. В целом Tc по свойствам ближе к Re: оба образуют сходные соединения и комплексные ионы. В подгруппе нет элемента, близкого по свойствам к Mn. Марганец более всего похож по свойствам на железо элемент, стоящий за Mn в ряду переходных металлов. Re отличается исключительно высокой температурой плавления, а по плотности ближе к платиновым металлам, наиболее тяжелым из всех металлов.

Реакции и соединения. Все эти металлы реагируют с галогенами, однако степени окисления, проявляемые марганцем, сильно отличаются от степеней окисления более тяжелых металлов. Марганец не проявляет высоких степеней окисления, образуя лишь MnF₂ и MnF₃. MnF₃ хороший фторирующий агент, он легко разлагается, выделяя фтор, хорошо растворяется в воде, что не характерно для соединений Mn(III), но эти растворы не электропроводны, по-видимому, из-за димеризации. Рений в реакциях со фтором образует соединения с более высокими степенями окисления, например ReF₄ и ReF₆. При хлорировании марганца получается стабильный и хорошо растворимый в воде MnCl₂. MnCl₃ и MnCl₄ существуют, но легко разлагаются. MnCl₄ получается при действии HCl на MnO₂ (пиролюзит), однако MnCl₄ даже при комнатной температуре разлагается на MnCl₂ и Cl₂

MnCl_4(р) = MnCl₂ + Cl₂ ↑.

Рений при взаимодействии с хлором образует трихлорид ReCl3 и пентахлорид ReCl₅. Бром и иод с этими металлами образуют галогениды только в низших степенях окисления металла, например MnCl₂.

2Re + 5Cl₂ = 2ReCl₅ (400° C, в токе Cl₂).

Комплексообразование. Все галогениды металлов подгруппы Mn, принимая электронную пару от галогенид-иона (донора), образуют комплексные ионы и соединения: [[ReF₆]]₂ гексафтороренат(IV), [[ReCl₆]]₂ гексахлороренат(IV), [[MnCl₄]]₂ тетрахлороманганат(II), [[ReCl₆]] гексахлороренат(V).

Оксиды. С увеличением степени окисления уменьшается стабильность оксидов марганца. При прямом окислении марганца получается MnO, но при нагревании образуются Mn₂O₃, MnO₂ и Mn₃O₄, в чем проявляется сходство марганца с железом. Гептаоксид марганца Mn₂O₇ образуется при добавлении к KMnO₄ сильной кислоты, но даже при низкой температуре он легко разлагается, часто со взрывом. Рений и технеций проявляют сходство, образуя гептаоксиды либо при прямом окислении, либо при действии HNO₃ на оксиды в низших степенях окисления. Re₂O₇ и Tc₂O₇ значительно стабильнее, чем Mn₂O₇.

Амфотерность. Все элементы подгруппы проявляют амфотерные свойства в низких степенях окисления элементов.

Другие соединения. Mn(II) образует с сульфид-ионом бледнорозовый MnS, растворимый в кислотных растворах. MnS₂ получается при прямом взаимодействии металла с серой, но Mn не проявляет степень окисления IV, а образует соединение, подобное пириту FeS₂. Высшие сульфиды, известные для Re и Tc, имеют соответственно состав Re₂S₇ и Tc₂S₇. При прямом синтезе марганца с C, N и Si получаются соответственно Mn₃C, Mn₅N₃, MnSi и Mn₂Si: 2Si + Mn = MnSi₂ (при сплавлении).

ПОЛУЧЕНИЕ

Большую часть марганца получают из пиролюзита MnO₂. Металл получают восстановлением углеродом или алюминием из диоксида марганца:

MnO₂ + C (кокс) = Mn + CO₂ (600-700° C).

Марганцевые стали обладают высокими механическими характеристиками и пригодны для изготовления рельсов, сейфов и механизмов, а с добавками Cu, Zn и Sn (бронза) устойчивы к коррозии в морской воде и используются для изготовления корабельных винтов. Большие количества MnO₂ определенных модификаций расходуются на производство сухих аккумуляторов. Некоторое количество MnO₂ расходуется в производстве стекла для удаления зеленой окраски, вызванной примесью железа. Другое применение марганца в качестве дезинфицирующего средства в виде KMnO₄; перманганат калия хороший реагент для количественного анализа многих веществ, например Fe, Ti, иодид-иона и др.

Технеций искусственный элемент. Впервые Tc был получен в 1937 при бомбардировке молибдена нейтронами и дейтерием:

В ядерном реакторе заметные количества Tc получаются из изотопа 9942Mo продукта распада

Металлический рений получают водородным восстановлением перрената аммония NH₄ReO₄:

2NH₄ReO₄ + 4H₂ = 2Re + N₂ + 8H₂O (400-1000° C).

ПРИМЕНЕНИЕ

Более 90% производимого марганца идет в черную металлургию. Марганец используют как добавку к сталям для их раскисления, десульфурации, а также для легирования сталей, т. е. улучшения их механических и коррозионных свойств. Марганец применяется также в медных, алюминиевых и магниевых сплавах. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту. Для нанесения тонких покрытий из марганца используют легко летучий и термически нестабильный биядерный декакарбонил Mn₂(CO)₁₀.

Важнейшие свойства рения, определяющие его применение, это: очень высокая температура плавления, устойчивость к химическим реагентам, каталитическая активность. Рений используется при изготовлении: платинорениевых катализаторов, применяемых для синтеза высокооктанового компонента бензина,; вольфрам-рениевых термопар, позволяющих измерять температуры до 2200 °C; сплавов с вольфрамом и молибденом. Добавка рения повышает одновременно и прочность и пластичность этих металлов; нитей накала в масс-спектрометрах и ионных манометрах.

Технеций используется в медицинской диагностике.