Гідроксиди металів

Склад гідроксидів металів – сполук, в молекулах яких атоми металів з’єднані з гідроксогрупами (ОН) – можна виразити загальною формулою Ме(ОН)_n, де n – ступінь окиснення металу. Гідроксиди типових металів проявляють властивості основ. По мірі зменшення активності металів властивості їх гідроксидів змінюються від типово основних до амфотерних, а в разі ступеня окиснення металу ≥4 – і до кислотних. Зміну складу і характеру гідроксидів металів можна прослідкувати на прикладі елементів 4 періоду:

Характер гідроксиду	Група
	1	2	3	4	5	6	7
основний	KOH	Ca(OH)2	Sc(OH)3	Ti(OH)4
амфотерний				Ti(OH)2O	V(OH)O2
кислотний					HVO3	H2CrO4	HMnO4

Відповідна зміна властивостей гідроксидів спостерігається і при розгляді гідроксидів одного і того ж металу в різних ступенях окиснення:

Характер гідроксиду	Ступінь окиснення металу
	2	3	4	5	6	7
основний	Mn(OH)2	Mn(OH)3	Mn(OH)4
амфотерний			Mn(OH)2O	Mn(OH)3O
кислотний				H3MnO4	H2MnO4	HMnO4

Основи є твердими речовинами. Розчинними у воді є тільки гідроксиди лужних і лужноземельних металів, що мають і відповідну групову назву – луги. Луги – іонні сполуки; у вузлах кристалічних граток твердих лугів знаходяться іони металів і гідроксид-іони. В інших основах хімічний зв'язок має іонно-ковалентний характер. Хімічні властивості лугів дещо відмінні від властивостей нерозчинних у воді основ.

Загальні хімічні властивості гідроксидів металів:

• В водних розчинах чи розплавах дисоціюють з утворенням гідроксид-іонів та іонів металу, наприклад:

NaOH  Na⁺+OH^–

Ca(OH)₂Ca²⁺+2OH^–

• Взаємодіють з кислотними та амфотерними оксидами з утворенням солі і води, наприклад:

Ca(OH)₂+СO₂  CaСO₃+H₂O

2NaOH+N₂O₅  2NaNO₃+H₂O

2NaOH+ZnO Na₂ZnO₂+H₂O

2NaOH+Cr₂O₃ 2NaCrO₂+H₂O

Реакції між твердими речовинами відбува­ють­ся під час сплавлення.

З амфотерними оксидами взаємодіють тільки гідроксиди лужних і лужнозе­мель­них металів.

• Взаємодіють з кислотами та амфотерними гідроксидами з утворенням солі і води, наприклад:

NaOH+HCl  NaCl+H₂O

2NaOH+H₂SO₄  Na₂SO₄+2H₂O

3NaOH+H₃PO₄  Na₃PO₄+3H₂O

Cu(OH)₂+H₂SO₄  CuSO₄+H₂O

NaOH+Al(OH)₃ NaAlO₂+2H₂O

2NaOH+Zn(OH)₂ Na₂ZnO₂+2H₂O

Реакції між твердими речовинами відбува­ють­ся під час сплавлення.

З амфотерними гідроксидами взаємодіють тільки гідрооксиди лужних і лужнозе­мель­них металів.

Амфотерні гідроксиди вступають у взаємодію і з водними розчинами лугів з утворенням відповідної солі, наприклад:

Zn(OH)₂+2NaOH Na₂[Zn(OH)₄]

Al(OH)₃+NaOHNa[Al(OH)₄]

• В водних розчинах луги вступають в реакцію обмінної взаємодії з солями, якщо в результаті реакції утворюється нерозчинна основа, наприклад:

2NaOH+CuCl₂  Cu(OH)₂+2NaCl

6NaOH+Fe₂(SO₄)₃ Fe(OH)₃+Na₂SO₄

• Гідроксиди металів при нагріванні розкладаються з утворенням відповідного оксиду та води, наприклад:

Cu(OH)₂ СuО+Н₂О

2Al(OH)₃ Al₂O₃+3H₂O

Гідроксиди лужних металів не розкладаються

Загальні способи одержання:

а) лугів:

• взаємодія оксидів з водою

• взаємодія металів з водою

б) нерозчинних у воді основ:

• в реакціях обміну солей металів з лугами

Тестові завдання:

1. Класифікація хімічних елементів на метали і неметали та їх положення в періодичній системі. Відносність цього поділу.

2. Валентність і ступені окиснення металів.

3. Металевий зв’язок. Механізм його виникнення.

4. Фізичні властивості металів.

5. Проаналізуйте величини перших потенціалів іонізації для металевих і неметалевих елементів.

6. Зонна теорія будови металів, діелектриків та напівпровідників.

7. Метали у природі. Класифікація руд за хімічним складом.

8. Добування металів 

а пірометалургія 

б гідрометалургія

в електрометалургія.

Навести приклади хімічних реакцій цих процесів.

9. Ряд напруг металів і хімічні властивості металів в залежності від положення в цьому ряді.

10. Взаємодія металів з простими речовинами гідриди, оксиди, галогеніди, сульфіди, нітриди, фосфіди, карбіди.

11. Добування та хімічні властивості оксидів металів.

12. Взаємодія металів з водою.

13. Взаємодія металів з кислотами-неокисниками.

14. Взаємодія металів з кислотами-окисниками.

15. Взаємодія металів з лугами.

16. Взаємодія металів з солями.

17. Природа гідроксидів металів, їх добування та властивості.

18. Основи фізико-хімічного аналізу.

19. Діаграми склад–температура плавлення 

а евтектичного типу

б з утворенням інтерметалічних сполук

в з утворенням неперервних рядів твердих розчинів.

Точки евтектики, дистектики, лінії ліквідуса і солідуса на діаграмі стану.

20. Корозія металів. Види корозії.

21. Механізм хімічної та електрохімічної корозії.

22. Методи захисту металів від корозії.

23. Які з перерахованих металів витісняють водень з кислот Al, Zn, Fe, Cu, Ag, Au. Напишіть відповідні рівняння реакцій.

24. Запишіть рівняння реакції

Zn + HNO₃ = N₂ + … .

Cu+HNO₃(p)=

Zn + KOH + H₂O =

Al₂O₃ + NaOH + H₂O =

MgO + H₂SO₄ =

Na + HNO₃ =

Ca + H₂O =

Fe + H₂SO₄(p) =

Zn + H₂SO₄ =

Na + Fe₂(SO₄)₃ + H₂O =

Au + HCl + HNO₃ =

Be + NaOH + H₂O =

Ca(OH)₂ + CO₂(надлишок) =

Na₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ =

BaO₂ + KI + HCl =

K + H₂O =

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ =

NH₄HCO₃ + NaCl =

K₂CO₃ + H₂O(гідроліз) =

Cu(NO₃)₂ =

Cr₂O₃ + Al =

NO₂+H₂ =

25. Опишіть процес корозії лужного заліза у вигляді порушення цілісності покриття 

1 в кислому середовищі

2 в середовищі вологого повітря O₂+H₂O.

26. Як протікає корозія оцинкованого заліза при порушенні цілісності покриття. Напишіть відповідні рівняння реакцій та схему гальванічного елемента.

27. Залізо покрито тонким шаром хрому. Який з металів буде передувати у вихідному порушенні цілісності покриття в середовищі вологого повітря? Складіть схему гальванічного елемента.

Розрахункові задачі:

1. В розчин, що містить 20 г ZnSO₄ і 20 г CuSO₄ опустили залізну пластинку вагою 5 г. Який метал і в якій кількості витісниться залізом?

2. Скільки літрів повітря при н.у. необхідно для спалювання 292 г ZnS?

3. Визначити в масових частках  склад латуні сплав міді з цинком, якщо відомо, що при взаємодії цього сплаву з соляною кислотою виділився водень об’ємом 0,561 л, а на хлорування такої ж наважки сплаву потрібно 1,035 л хлору.

4. Силумін, сплав Al з Si, масою 6 г розчинили в розчині лугу. При цьому виділився газ об’ємом 8186 мл, виміряний при температурі 18 ^оС і тиску 1,01·10⁵ Па. Визначити масові частки  компонентів у суміші.

5. Визначити масу технічного заліза, що містить 12  домішок, яка потрібна для витіснення з розчину нітрату свинцюІІ метал масою 5,5 г.

6. Розрахуйте масу розплаву, що складається з хлоридів берилію і натрію, сплавлених в масовому співвідношенні 11, необхідну для одержання берилію масою 1 кг. Визначити час роботи електролізера при силі струму 3500 А.

7. Яку масу заліза можна одержати з руди масою 1 т, що містить 20 % пустої породи і мінерал магнетит (Fe₃O₄)?

8. Яку масу Fe₂O₃ і SO₂ можна одержати з 1,5 т руди, що містить 90 % FeS₂?

9. Визначте масу металічного натрію, яку можна одержати електролізом розплаву NaOH за 1 год. 20 хв. при силі струму 2500 А.

Лабораторна робота:

Дослiд 1. Визначення Купруму в сплавi.

На добре очищену поверхню сплаву, що мiстить мідь, нанести 1-2 краплi концентрованої азотної кислоти. Через 1 хв. прикладiть до краплi фiльтрувальний папiр, попередньо змочений концентрованим аміаком.

Дослiд 2. Визначення Стануму та Плюмбуму в сплавi.

Для визначення олова на поверхню сплаву нанести 1-2 краплi концентрованої азотної кислоти i спостерiгати безпосередньо на поверхнi сплаву утворення бiлого осаду метастанатної кислоти H₂SnO₃. Напишiть рiвняння розчинення стануму в концентрованiй HNO₃. Для визначення плюмбуму на поверхню сплаву нанести 1-2 краплi концентрованої азотної кислоти, через 5 хв. краплю мiкропiпеткою перенести в мiкропробiрку, долити 2-3 краплi розчину ацетату натрiю i 1-2 краплi розчину йодиду калiю. Поява жовтого осаду вказує на наявнiсть плюмбуму. Напишiть рiвняння реакцiй, що вiдбуваються.

Дослiд 3. Визначення Феруму в сплавах.

На чисту поверхню сплаву, що мiстить залізо, нанесiть 1-2 краплi концентрованої азотної кислоти. Через 2-3 хвилини прикладiть до краплi фiльтрувальний папiр, попередньо змочений роданiдом калiю або розчином жовтої кров’яної солi K₄[Fe(CN)₆]. Напишiть рiвняння реакцiй, що вiдбуваються.

Дослiд 4. Визначення алюмiнiю в сплавах.

На очищену поверхню сплаву нанести 1-2 краплi 25%-ного розчину гiдроксиду натрiю. Через 2-3 хв. .спостерiгається скипання рiдини i видiлення бульбашок газу. Пояснiть явище, що спостерiгається.

Дослiд 5. Визначення магнiю в сплавах.

На поверхню зразка нанести 1-2 краплi 3%-ного розчину сульфату феруму(III). У випадку наявностi в сплавi магнiю через 2-3 хв. з’являється жовто-бурий осад основної солi феруму: Mg+Fe₂(SO₄)₃+2H₂O = MgSO₄+2Fe(OH)SO₄+H₂

Дослiд 6. Визначення нiкелю у сталi.

На очищену поверхню сталi нанести краплю азотної кислоти густиною 1,2 г/мл. Через хвилину краплю зняти фiльтрувальним папером i на вологу пляму нанести краплю реактиву Чугаєва (амiачний розчин диметиглiоксиму). В присутностi нiкелю пляма забарвлюється в червоно-рожевий колiр.

Дослiд 7. Визначення температури плавлення сплаву.

У залiзний тигель помiстити сплав Cd–Bi. У пробiрку, розмiщену в сплавi, опустити термометр, закрiплений у штативi (див. рисунок.) Залiзний тигель зі сплавом нагрiти на електроплитцi i, спостерiгаючи за показами термометра, визначити температуру плавлення сплаву.

На основi температури плавлення сплаву, по вигляду дiаграми плавкостi Cd–Bi визначити склад сплаву.

Метали ГОЛОВНИХ ПІДГРУП

Програмні вимоги до теми:

Розташування s- та p-елементів в періодичній системі. Будова та валентні можливості атомів. Зміна металічних (відновних) властивостей елементів в періодах, групах. Порівняльна характеристика елементів.

Знаходження елементів в природі.

Метали: фізичні та хімічні властивості, одержання, застосування. Розташування металів в ряду напруг. Сплави. Оксиди та гідроксиди елементів: кислотно-основний характер, властивості, одержання, застосування.

Солі. Гідроліз солей. Якісне визначення елементів в сполуках. Практичне застосування сполук. Твердість води.

Токсичність речовин, техніка безпеки при роботі з особливо отруйними речовинами.

Короткий виклад теоретичних питань: