- •Общая и неорганическая химия учебно-методическое пособие
- •Введение
- •Основные теории и законы химии
- •Часть I общая химия
- •1. Основные закономерности протекания химических процессов
- •1.1. Энергетика, направление и глубина протекания химических реакций. Химическое равновесие.
- •1.2. Окислительно-восстановительные реакции
- •1.2.1. Типы окислительно-восстановительных реакций.
- •1.2.2. Направление самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций
- •1.3. Учение о растворах
- •1.3.1.Растворимость газов
- •1.3.2. Коллигативные свойства растворов
- •1.3.3. Теория электролитической диссоциации.
- •1.3.4. Теория растворов сильных электролитов.
- •1.3.5. Равновесие между раствором и осадком малорастворимого сильного электролита.
- •1.3.6. Ионизация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. РН растворов сильных кислот и оснований.
- •1.3.7. Растворы слабых электролитов.
- •1.3.8. Теории кислот и оснований.
- •2. Строение вещества
- •2.1. Строение атома
- •2.1.1. Распределение электронов по орбиталям.
- •2.1.2 Периодический закон.
- •Основные характеристики атомов элементов.
- •Химическая связь.
- •Квантово-механическое описание химической связи.
- •2.2. Комплексные соединения
- •2.2.1. Международная (Женевская) номенклатура комплексных соединений
- •2.2.2. Классификация комплексных соединений.
- •2.2.3. Изомерия комплексных соединений.
- •2.2.4. Свойства комплексных соединений.
- •2.2.5. Образование комплексных соединений.
- •2.2.6. Разрушение комплексных соединений.
- •Часть II химия элементов
- •3.1. Водород
- •3.1.1 Вода как важнейшее соединение водорода.
- •4.1.1. Общая характеристика элементов iiiб группы.
- •4.1.2. Общая характеристика элементов ivб и vб групп.
- •Хром и его соединения.
- •Молибден и вольфрам.
- •4.2.3. Биологическая роль d-элементов VI группы и применение в медицине.
- •4.3.1. Марганец и его соединения.
- •4.4.1. Железо и его соединения.
- •4.4.2. Кобальт и никель.
- •4.4.3. Семейство платины (общая характеристика).
- •4.4.4. Биологическая роль d-элементов VIII группы и применение в медицине.
- •4.5.1. Медь и ее соединения.
- •4.5.2. Серебро и его соединения.
- •4.5.3. Золото и его соединения.
- •4.5.4. Биологическая роль d-элементов I группы и применение в медицине.
- •4.6.1. Цинк и его соединения.
- •4.6.2. Кадмий и его соединения.
- •4.6.4. Ртуть и ее соединения.
- •4.6.4. Биологическая роль d-элементов II группы и применение в медицине.
- •Бор и его соединения.
- •Алюминий и его соединения.
- •Биологическая роль р-элементов III группы и применение в медицине.
- •5.2.1. Углерод и его соединения.
- •5.2.2. Кремний.
- •5.2.3. Элементы подгруппы германия и их соединения.
- •5.2.4. Биологическая роль р-элементов IV группы и применение в медицине.
- •5.3.1. Азот и его соединения.
- •5.3.2. Фосфор и его соединения.
- •5.3.3. Химические свойства важнейших соединений мышьяка, сурьмы и висмута.
- •5.3.4. Биологическая роль р-элементов V группы и применение в медицине.
- •5.4.1. Кислород.
- •5.4.2. Сера и ее соединения.
- •5.4.3. Селен и теллур.
- •5.4.4. Биологическая роль р-элементов VI группы и применение в медицине.
- •5.5.1. Галогены и их соединения.
- •5.5.2. Биологическая роль р-элементов VII группы и применение в медицине.
- •Рекомендуемая литература Основная:
- •Дополнительная:
- •Содержание
4.1.1. Общая характеристика элементов iiiб группы.
Лантаноиды по физико-химическим свойствам сходны между собой, что объясняется строением их электронных оболочек: по мере увеличения заряда ядра структуре двух внешних электронных уровней не изменяются, т.к. происходит заполнение электронами глубоколежащего 4f-уровня. Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы: цериевую и иттриевую.
В нормальном состоянии у большинства лантаноидов нет 5d-электронов. Однако для перехода одного или двух электронов уровня 4f на уровень 5d требуется небольшая затрата энергии. Характерная для всей группы лантаноидов степень окисления +3 основана на возбужденном состоянии 5d1 6S2 или 5d26S1, остальные f-электроны в химической связи не участвуют. Прочность связи электронов на 4f-уровне возрастает по мере заполнения f-уровня наполовину (до 7 электронов) или при полном заполнении (до 14 электронов). Лантаноиды во многом сходны с d-элементами, т.к. валентные электроны в возбужденном состоянии: d- и s-электроны.
Лантаноиды – металлы, отличаются высокой активностью, образуют прочные оксиды, галогениды и склонны к образованию комплексных и двойных солей. Лантаноиды образуют комплексные соединения с органическими веществами, например лимонной кислотой, аминоуксусной кислотой, ЭДТА и другими комплексонами, причем прочность комплексных соединений растет по мере заполнения 4f-уровня электронами.
По мере увеличения порядкового номера лантаноидов уменьшаются ионные радиусы. Это явление, называемое «лантаноидным сжатием», объясняет постепенное понижение основности в ряду элементов, а также обуславливает различия в растворимости солей и в устойчивости их комплексных соединений.
Аномальная степень окисления лантаноидов +4 объясняется непрерывностью первых f-электронов, которые легко переходят на 5d-уровень.
Церий отличается от других лантаноидов тем, что оксид Ce2O3 легко окисляется до СеО2. Из солей кислородосодержащих кислот известны только производные церия. Сульфат Ce(SO4)2 получается нагреванием СеО2 с концентрированной серной кислотой. Ce(SO4)2 – порошок желтого цвета, хорошо растворяется в воде, подвергается гидролизу.
Комплексообразовательная способность церия со степенью окисления +4 выше других лантаноидов (например, довольно устойчивые комплексы [Ce(C2O4)3]2- и [Ce(CO3)6]2-).
4.1.2. Общая характеристика элементов ivб и vб групп.
Валентная конфигурация d-элементов IV группы (n-1) d2ns2, и V группы (n-1)d3ns2. Поэтому высшая степень окисления +4, но возможны +3 и +2, а для V группы +5, +4, +3, +2. Отрицательные степени окисления невозможны, поэтому элементы подгруппы титана образуют катионы и комплексные катионы. Химические свойства подгруппы титана характеризуют их металлические свойства. Они не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами благодаря наличию пленки оксидов. К растворам щелочей элементы подгруппы титана устойчивы. При сгорании титан образует диоксид TiO2, но известны и низшие оксиды Ti2O3 и TiO. Наиболее стабильным является TiO2. гидроксид Ti(OH)4 с щелочами образуются соли титанаты: K4TiO4 – ортотитанат калия или при обезвоживании метатитанаты: BaTiO3. Элементы подгруппы титана имеют высокие температуры плавления и образуют твердые растворы друг с другом и с d-элементами V группы в виде непрерывных твердых трехкомпонентных растворов, например Ti – V – Nb или V – Nb – Ta. Для таких сплавов характерна коррозионная устойчивость, что предопределяет использование сплавов в медицине в качестве хирургического инструмента. Уникальной особенностью обладает чистый титан, который не раздражает живую ткань и используется в костной хирургии для скрепления и замены пораженных частей костной ткани.
Вопросы для самоконтроля:
Почему все d-элементы обладают металлическими свойствами?
Почему d-элементы имеют набор разных степеней окисления?
Чем объясняются высокие комплексообразующие способности d-элементов?
Что такое биокластеры? На какие группы они делятся? Приведите пример окислительно-восстановительного биокластера и подтвердите его окислительно-восстановительные свойства уравнением реакции.
Объясните почему лантаноидам в основном свойственна степень окисления +3?
Как изменяется основность в ряду лантаноидов?
Как в целом можно охарактеризовать способность лантаноидов к комплексообразованию? Проиллюстрируйте это конкретными примерами.
Запишите уравнения реакций, отражающих взаимодействие металлов подгруппы титана с расплавом щелочи на воздухе. Осуществляются ли подобные реакции в растворе щелочи. Какой вывод о природе (кислотная, основная и т.д.) элементов можно сделать на основании этих фактов?
Металлы подгруппы титана имеют существенные стандартные электродные потенциалы. Почему же они устойчивы к действию таких сильных агрессивных сред как концентрированная серная или азотная кислота, но растворяются в плавиковой и щавелевой кислотах. Напишите уравнения реакций.
Каким образом используются в медицине элементы IVБ и VБ групп.
4.2. d-элементы VI группы
К элементам VIБ группы ПСЭ относятся хром, молибден и вольфрам. В силу стабильности конфигурации d5 у атомов – хрома и молибдена – наблюдается проскок одного электрона с 4S оболочки на оболочку (n-1)d. У вольфрама валентной конфигурации предшествует завершенная 4f14 – оболочка, что сказывается на его свойствах: в химическом отношении менее активен, чем хром и молибден. Конфигурация валентных электронов у Cr и Мо — (n-l)d5ns1, W — 5d46s2. Сумма валентных электронов хрома, молибдена, вольфрама равна 6. Как у большинства d-элементов, предпоследний электронный слой неустойчив. У Cr и Мо—13 электронов, у W—12. Поэтому валентность хрома, молибдена и вольфрама непостоянна. По этой же причине соединения металлов группы VIB характеризуются набором степеней окисления от +2 до +6. Наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +3 и +6. Соединения молибдена и вольфрама более устойчивы со степенью окисления +6. Молибден с этой степенью окисления проявляет слабые окислительные свойства, восстанавливаясь до +5. В свойствах элементов этой группы проявляются закономерности, характерные для всех d-элементов: в группе сверху вниз энергия ионизации увеличивается, что ведет к уменьшению металлических и восстановительных свойств элементов. Поэтому самым активным является хром, он проявляет и более сильные восстановительные свойства. Химия хрома, молибдена и вольфрама, как и у других d-элементов, представлена большим числом комплексных соединений, для которых наиболее характерно координационное число 6, что соответствует 5р3s2-гибридизации. Элементы группы VIБ, в отличие от других d-элементов, образуют кислородные полимерные соединения сложного состава. Склонность к полимеризации у Cr (VI) слабо выражена и сильнее проявляется у Mo(VI) и W(VI).