- •Часть I
- •Введение
- •1. Введение в химию элементов
- •1.1. Распространённость химических элементов в природе
- •1.2. Распространенность химических элементов в атмосфере, гид-росфере и биосфере
- •1.3. Некоторые закономерности в изменении химических свойств элементов и их соединений
- •1.4. О форме таблицы д. И. Менделеева
- •2. Химия s-элементов и их соединений
- •2.1. Щелочные металлы
- •2.2. Бериллий, магний и щёлочноземельные металлы
- •3. Химия р-элементов и их соединений
- •3.2. Алюминий
- •2AlCl3(г)Al2Cl6(г)
- •3.3. Галлий, индий, таллий
- •3.4. Углерод
- •3.5. Кремний
- •3.6. Германий, олово, свинец
- •3.7. Азот
- •3.8. Фосфор
- •3.9. Мышьяк, сурьма, висмут
- •3.10. Кислород
- •3.11. Сера
- •3.12. Селен, теллур, полоний
- •3.13. Водород
- •3.14. Галогены
- •3.15. Благородные газы
- •Рекомендуемая литература
- •Оглавление
- •1. Введение в химию элементов 5
- •2. Химия s-элементов и их соединений 19
- •3. Химия р-элементов и их соединений 36
- •Начала химии Химия элементов и их соединений
- •Часть I
3.13. Водород
Самый распространённый элемент Вселенной. На Земле встречается практически только в соединениях. Варианты промышленного получения:
С + H2O CO + H2
CH4 + H2O CO + 3H2
2CH4 + O2 2CO + 4H2
2H2O 2H2 + O2
Кроме того, водород образуется как побочный продукт при многочисленных процессах электролиза водных растворов.
Традиционное лабораторное получение водорода сводится к реакциям металлов с растворами минеральных кислот или амфотерных металлов с растворами щелочей.
Водород в значительной степени уникальный элемент, имеющий черты сходства со щелочными металлами и галогенами. Со щелочными металлами его роднит:
-
восстановительная активность;
-
склонность к образованию катиона H+;
-
способность вступать во взаимодействие с неметаллами.
Сходные черты с галогенами:
-
газообразный при обычных условиях (как фтор и хлор); двухатомная молекула с ковалентной связью;
-
полярные связи в соединениях;
-
близкие потенциалы ионизации H2 и Г2;
-
определённое сходство гидридов и галогенидов.
Здесь отмечены лишь основные черты сходства, список может быть продолжен; в целом сходство с галогенами выражено в большей степени.
Термин «гидриды» имеет довольно широкий смысл; наиболее часто под гидридами понимают соединения с менее электроотрицательными атомами. Гидриды щелочных и щёлочноземельных металлов имеют химическую связь, близкую к ионной. Гидриды d- и f-элементов зачастую характеризуются нестехиометрическим составом, в ряде случаев являются твёрдыми растворами.
Более удобная, но слишком широкая классификация гидридов основана на отношении этих соединений к воде. А именно:
-
взаимодействуют с водой гидриды подгрупп лития, бериллия, бора и SiH4, например:
KH + H2O = KOH + H2
BaH2 + 2H2O = Ba(OH)2 + 2H2
B2H6 + 6H2O = 2H3BO3 + 6H2
SiH4 + 3H2O = H2SiO3 (SiO2∙xH2O) + 4H2
-
не взаимодействуют с водой водородные соединения C, Sn, Ge, P, As, Sb.
-
слабое взаимодействие отмечается у аммиака:
NH3 + H2O NH3∙H2O NH4+ + OH−
-
водородные соединения подгруппы серы – слабые кислоты в водном растворе;
-
водородные соединения галогенов – сильные кислоты в водных растворах (кроме HF).
В электрическом разряде водород диссоциирует на атомы:
H2 (г) 2H (г) ; ΔGо298 = 203,3 кДж/моль
Атомарный водород является мощным восстановителем:
2H + S = H2S
PbCl2 + 2H = Pb + 2HCl
Сильным восстановителем представляется и «водород в момент выделения», например:
K3SbO3 + 3Zn + 9HCl = SbH3 + 3ZnCl2 + 3H2O
Водород используется для гидрирования жиров, синтезов и восстановления, а также представляет интерес в будущем как эффективный и экологически безопасный источник энергии.
3.14. Галогены
Природные источники и получение
В природе галогены встречаются преимущественно в виде соединений с металлами, многие из которых уже упоминались: NaCl – каменная соль, NaCl∙KCl – сильвинит; KCl∙MgCl2∙6H2O – карналлит; CaF2 – плавиковый шпат; Ca5(PO4)3F – фторапатит. Хлориды, бромиды и йодиды в больших количествах присутствуют в воде морей и океанов.
Фтор получают электролизом расплава KHF2 (к), хлор – электролизом расплавов хлоридов. Хлор также является побочным продуктом электролиза многочисленных водных растворов хлоридов:
2KCl + 2H2O 2KOH + H2 + Cl2
Бромиды и йодиды концентрируют в растворе, в том числе и в морской воде, а затем выделяют бром и йод в соответствии с реакциями типа:
2NaBr + Cl2 = Br2 + 2NaCl
2KI + Cl2 = I2↓ + 2KCl
Возможные лабораторные способы получения Cl2, Br2 и I2:
-
окисление HCl (конц.) сильными окислителями (KMnO4, PbO2, KClO3, CaOCl2 и др.), например:
CaOCl2 + 2HCl = CaCl2 + Cl2 + H2O
2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + Cl2 + 8H2O;
-
действие H2SO4 (конц.) на кристаллические йодиды и бромиды, например:
2NaBr + 3H2SO4 (конц.) = 2NaHSO4 + Br2 + SO2 + 2H2O
8KI + 5H2SO4 (конц.) = 4I2 + H2S + 4K2SO4 + 4H2O
-
окисление хлором бромидов и йодидов в растворе.
При комнатной температуре F2 и Cl2 – газы, Br2 – жидкость с плотностью 3,12 г/мл, а I2 – кристаллическое вещество. At – радиоактивный элемент.
Химические свойства
Валентные возможности атомов: у фтора – только 1, у остальных – 1,3,5,7. Соответственно степени окисления атомов в соединениях: у фтора – только −1, у остальных −1, +1, +3, +5, +7. В случае хлора, брома и йода возможны соединения и других степеней окисления.
F2 – самый реакционоспособный элемент (вещество) из известных. Причины этого следующие: самая высокая электроотрицательность, маленький размер атома, отсутствие валентных d-орбиталей, лёгкость диссоциации молекулы F2 на атомы. При комнатной температуре F2 реагирует со всеми простыми веществами, кроме О2, N2, He, Ne и Ar. В атмосфере фтора воспламеняется большинство порошкообразных металлов и неметаллов, реакции протекают энергично, с огромными тепловыми эффектами. Например:
Ag + F2 = AgF2
2Fe + 3F2 = 2FeF3
P4 + 10F2 = 4PF5
Легко реагирует F2 и со сложными веществами, простым и кварцевым стеклом:
SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2
Если остальные галогены растворяются в воде и слабо с ней взаимодействуют, то F2 энергично реагирует с Н2О (вода горит во фторе!):
2F2 + H2O = OF2 + 2HF
2F2 + 2H2O = 4HF + O2
Временное хранение фтора и проведение реакций с ним осуществляется в ёмкостях, изготовленных из монель-металла (сплав никеля, железа и марганца). На поверхности изделий из этого сплава в атмосфере фтора образуется прочная, химически инертная плёнка фторидов (в первую очередь – NiF2), предотвращающая дальнейшее разрушение изделия.
Как уже отмечалось, остальные галогены растворяются в воде, их растворимость понижается в ряду Cl2 – Br2 – I2. В этом же ряду ослабевает взаимодействие Г2 с молекулами воды по уравнению:
Г2 (р-р) + Н2О Н+ + Г− + НОГ
Константы равновесия этой реакции при комнатной температуре имеют порядок: для Cl2 – 10-4; Br2 – 10-9; I2 – 10-11. Следует обратить внимание на то, что образование HIO термодинамически маловероятно. Разумеется, при растворении Г2 в растворах щелочей указанное равновесие смещается вправо:
Г2 + 2NaOH = NaОГ + Н2О
В горячей воде молекулы НОГ, получающиеся за счёт взаимодействия Г2 с холодной водой, диспропорционируют, и суммарный процесс описывается уравнениями:
3Г2 + 3Н2О НГО3 + 5НГ
3Г2 + 6КОН КГО3 + 5КГ + 3Н2О
Как уже отмечалось, для йода указанные процессы происходят уже в холодных растворах.
Реакционная способность галогенов резко ослабевает от фтора к йоду. В реальной химической практике несмотря на то, что термодинамически хлор более сильный окислитель, чем бром, химики предпочитают использовать именно бром в качестве окислителя, поскольку при обычных условиях Br2 – жидкость, а Cl2 – газ; создание же контакта газообразного вещества с реакционной массой проблематично.
Подробно на взаимодействии галогенов с простыми и сложными веществами мы не останавливаемся, поскольку эти процессы обсуждаются во всех разделах пособия.
Соединения
Фтороводород и хлороводород получают, действуя на кристаллические фториды и хлориды концентрированной серной кислотой:
CaF2 (кр.) + H2SO4 (конц.) = CaSO4 + 2HF↑
NaCl (кр.) + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 + HCl↑
Получение HBr(г) и HI(г) в подобных условиях невозможно из-за окисления получающихся галогеноводородов концентрированной серной кислотой. Наиболее распространённые способы получения бромоводорода, йодоводорода и соответствующих кислот – гидролиз галогенангидридов, например:
PBr3 + 3H2O = H3PO3 + 3HBr,
возможны и такие процессы:
I2 + H2S = S↓ + 2HI
BaI2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HI
HF является газом, наименее приближенным к идеальному; HF(ж) чрезвычайно похож на воду, например, имеет электропроводность, близкую к электропроводности воды, и плотность около 1 г/мл. Температуры кипения жидких HCl, HBr и HI отрицательны, HF(ж) кипит при 19,5 оС. Достаточно уверенно можно говорить об образовании в HF(ж) димерных и гексамерных частиц; сильная ассоциация HF (г) и HF (ж) обусловлена прочными водородными связями с энтальпией около 40 кДж/моль.
В водном растворе HF, называемом плавиковой кислотой, также отмечается сильная межмолекулярная ассоциация, приводящая к тому, что основная форма существования частиц в растворе – димеры (HF)2. При нейтрализации плавиковой кислоты щёлочью образуются гидрофториды:
2HF + KOH = KHF2 + H2O,
и лишь при избытке щёлочи достигается полная нейтрализация. Плавиковая кислота является весьма агрессивной жидкостью, например, контакт с ней без коррозии выдерживают только некоторые платиновые металлы. Наконец, напомним, что анион F− – достаточно активный лиганд и фторидные комплексы характеризуются средней прочностью.
Задание 11. По справочным данным определить при 298 К константы диссоциации в растворе HF и HF2−.
Решение. Для реакций
HF H+ + F−
HF2− HF + F-
находим значения стандартной энергии Гиббса:
ΔGо1 = ΔGообр.Н+ (р-р, ст. сост.) + ΔGообр.F− (р-р, ст. сост.)−ΔGообр.НF (р-р, ст. сост., гип.недис.)=
= 0 + (−280,0) − (−298,1) = 18,1 кДж
ΔGо2 = ΔGообр F− (р-р, ст. сост.) + ΔGообр HF (р-р, ст. сост., гип. недисс.) –
− ΔGообр НF2− (р-р, ст. сост., гип.недис.) = −280,0 + (−298,1) − (−581,5) = 3,4 кДж
ΔGо1 = −RT lnKдисс. HF
Kдисс.HF =
ΔGо2 = −RT lnKдисс HF2−
Kдисс.HF2− =
В ряду HF – HCl – HBr – HI снижается термодинамическая устойчивость соединений, резко уменьшается термическая устойчивость, возрастает восстановительная активность и увеличивается сила кислот в водном растворе (схема Косселя).
Кислородные соединения фтора имеют состав OnF2 (n=1−6), получить их синтезом из простых веществ затруднительно. В электрическом разряде, пропускаемом через смесь O2 и F2, возможно образование O2F2. Наиболее изучен OF2, получающийся в небольших количествах при пропускании F2 через концентрированный раствор щёлочи:
2KOH + 2F2 = 2KF + OF2 + H2O
Все кислородные соединения фтора являются сильными окислителями.
Описано не менее пяти кислородных соединений хлора, четыре – у брома, четыре – у йода. Все они являются сильными окислителями; получают эти соединения косвенно. Наиболее устойчивы кислородные соединения йода и хлора.
Удобным лабораторным методом получения Cl2O является реакция:
2HgO + 2Cl2 = HgO∙HgCl2 + Cl2O
При комнатной температуре Cl2O – красновато-жёлтый газ (tкип.= 2 оС), молекула которого полярна и имеет уголковое строение. Пос-кольку при растворении этого соединения в воде в небольшой степени идёт процесс
Cl2O + H2O = 2HOCl,
то HOCl можно рассматривать как ангидрид хлорноватистой кислоты.
Больший практический интерес (отбеливатель бумаги) представляет ClO2. Это соединение можно получить по следующим реакциям:
3KClO3 + 3H2SO4 = 3KHSO4 + 2ClO2 + HClO4 + H2O
2NaClO3 + SO2 + H2SO4 = 2ClO2 + 2NaHSO4 (промышленный способ)
2KClO3 + H2C2O4 + H2SO4 = K2SO4 + 2CO2 + 2ClO2 + 2H2O
ClO2 – бурый газ (tкип. = 11 оС), молекула которого полярна и пара-магнитна, имеет уголковое строение. ClO2 – достаточно реакционноспо-собное соединение. Формально является ангидридом двух кислот (смешанным ангидридом):
2ClO2 + 2NaOH = NaClO2 + NaClO3 + H2O
При растворении ClO2 в воде на свету происходит реакция диспропорционирования:
6ClO2 + 3H2O = HCl + 5HClO3
ClO2 – достаточно сильный окислитель, реагирует со многими простыми и сложными веществами, например:
5P4 + 20ClO2 = 4P4O10 + 4PCl5
Красноватая жидкость Cl2O6 (tпл. = 4 оС) с небольшим выходом обра-зуется в реакции:
2ClO2 + 2O3 = Cl2O6 + 2O2
Cl2O6 также может рассматриваться как смешанный ангидрид, поскольку в растворе идёт следующий процесс:
Cl2O6 + 2NaOH = NaClO3 + NaClO4 + H2O
В газовой фазе молекулы Cl2O6 распадаются на сравнительно устойчивые молекулы-радикалы ClO3∙.
Наиболее стабильным из кислородных соединений хлора является Cl2O7 – ангидрид хлорной кислоты, представляющий собой бесцветную маслянистую жидкость с tкип. = 83 оС. Получается при обезвоживании хлор-ной кислоты P4O10. Молекула Cl2O7 представляет собой два тетраэдра, соединенные вершинами.
Пероксидное соединение Cl2O8 можно получить по реакции:
2AgClO4 + I2 = Cl2O8 + 2AgI
Соединение нестабильно, сильный окислитель.
Все оксиды хлора могут взрываться.
Оксиды брома (Br2O, BrO2, Br3O8) недостаточно охарактеризованы; известно, что они кинетически устойчивы лишь при температурах существенно ниже 0 оС
I2O5 – бесцветные кристаллы; получается при термическом разложе-нии йодноватой кислоты:
2HIO3 I2O5 + H2O.
I2O5 термически устойчив до 300 оС. Проявляет окислительные свойства, используется для обнаружения СО:
I2O5 + 5CO = 5CO2 + I2
I2O4 и I4O9 представляют собой солеподобные соединения:
I2O4 = (IO)IO3 йодат йодила;
I4O9 = I(IO3)3 йодат йода (III).
Кислородные кислоты степени окисления атома галогена +1 (галогенноватистые) известны для хлора, брома и йода; их соли носят название гипогалогениты. HOCl, HOBr и HOI – малостабильные соединения, известны только в водных растворах, слабые электролиты. Являются хорошими окислителями в кислых растворах, в небольших количествах образуются при растворении Г2 в воде. Легко разлагаются и диспропорционируют, например:
2HOCl 2HCl + O2
2HOCl Cl2O + H2O
3HOCl HClO3 + 2HCl
Гипогалогениты – более стабильные соединения, чем кислоты; в нейтральных растворах не проявляют окислительных свойств, но являются сильными окислителями в кислых растворах. Наиболее известна среди гипохлоритов хлорная известь CaOCl2, представляющая собой смесь гипохлорита и хлорида кальция:
2Cl2 + 2Ca(OH)2 = Ca(OCl)2 + CaCl2 + 2H2O
Некоторые реакции с гипохлоритами и хлорной известью:
2CaOCl2 2CaCl2 + O2
3NaClO NaClO3 + 2NaCl
NaOCl + 2NH3 = N2H4 + NaCl + H2O
CaOCl2 + 2HCl(конц.) = Cl2 + CaCl2 + H2O
CaOCl2 + Pb(CH3COO)2 + H2O = PbO2 + CaCl2 + 2CH3COOH
KOI + KI + H2SO4 = I2 + K2SO4 + H2O
В ряду HOCl – HOBr – HOI окислительная активность и сила кислот ослабевает.
Из кислот НГО2 известна лишь хлористая HClO2; её соли носят название хлориты. Схема возможного получения HClO2:
BaO2 + 2ClO2 = Ba(ClO2)2 + O2
Ba(ClO2)2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HClO2
Хлористая кислота достаточно сильная (Кдисс. ≈ 0,01), устойчива в водных растворах в темноте. Кислоты HBrO2 и HIO2 не получены.
Кислоты НГО3, называющиеся галогенноватыми, известны все. Их соли – галогенаты. HIO3 можно выделить в кристаллическом виде, для нее известен ангидрид. Варианты получения галогенноватых кислот и их солей:
2NaClO3 + H2SO4 = Na2SO4 + 2HClO3
Br2 + 5Cl2 + 6H2O = 2HBrO3 + 10HCl
I2 + 10HNO3 (конц.) = 2HIO3 + 10NO2 + 4H2O
I2 + 5H2O2 = 2HIO3 + 4H2O
3Г2 + 6KOH 5KГ + KГО3 + 3Н2О
3МеОГ 2МеГ + МеГО3
Все кислоты НГО3 – активные окислители:
2HIO3 + 5H2C2O4 = I2 + 10CO2 + 6H2O
HIO3 + 5HI = 3I2 + 3H2O
В ряду HClO3 – HBrO3 – HIO3 отмечается падение силы кислот и ослабление окислительной активности.
В водных растворах в зависимости от концентрации реализуются разные формы йодноватой кислоты:
HIO3 (мета-) H3IO4 (мезо-) H5IO5 (ортойодноватая кислота)
Соли галогенноватых кислот (галогенаты) в нейтральных растворах не проявляют окислительной активности, но становятся сильными окислителями при подкислении их растворов. Галогенаты являются отличными окислителями при нагревании в кристаллическом виде, поскольку при этом они разлагаются с выделением кислорода. Именно по этой причине их широко применяют в щелочных плавах. Галогенаты способны и к диспропорционированию, например:
4KClO3 KCl + 3KClO4, но
2KClO3 2KCl + 3O2
Примеры, иллюстрирующие окислительную активность галогенатов в кристаллическом виде при нагревании или в кислом растворе:
KClO3 + 3Mg KCl + 3MgO
10KClO3 + 3P4 3P4O10 + 10KCl
NaBrO3 + 5NaBr + 3H2SO4 = 3Na2SO4 + 3Br2 + 3H2O
Кислоты высшей степени окисления (+7) носят название галогенных кислот – хлорная, бромная, йодная. Название солей – пергалогенаты. Возможное получение этих кислот и солей:
Cl2O7 + H2O = 2HClO4 (на холоду)
KClO4 + H2SO4 = KHSO4 + HClO4
NaBrO3 + F2 + 2NaOH = NaBrO4 + 2NaF + H2O
I2 + 7MnO2 + 7H2SO4 = 2HIO4 + 7MnSO4 + 6H2O
В водных растворах в зависимости от концентрации реализуются различные формы йодной кислоты:
HIO4 (мета-); H3IO5 (мезо-); H4I2O9 (пара-); H5IO6 (ортойодная кислота).
Даже в последней форме все атомы водорода можно заместить на атомы металлов.
Кислоты Э+7 являются активными окислителями, термически малоустойчивы, наиболее стабильна хлорная кислота HClO4:
4HClO4 4ClO2 + 3O2 + 2H2O
4HClO4 2Cl2 + 2H2O + 7O2
Хлорная кислота HClO4 – очень сильная кислота, а йодная, например, мезойодная H3IO5, – очень слабая. HClO4 – единственная из кислот Э+7, которая может быть выделена в индивидуальном виде.
Задание 12. Вычислить рН 5,00 мас.%-го раствора KClO (плотность 1,05 г/мл), пользуясь справочными данными.
Решение. Вычисляем предварительно молярную концентрацию соли в растворе:
Следовательно, концентрация гипохлоритного иона равна этой величине. В растворе идёт гидролиз по аниону:
ClO− + H2O HClO + OH−
Для нахождения константы гидролиза вычисляем ΔGо написанного процесса:
ΔGо = ΔGообр.ОН−(р-р, ст. сост.) + ΔGообр.HClO(р-р, ст. сост., гип. недисс.)− ΔGообр.H2O (ж) − −ΔGообр ClO− (р-р, ст. сост.) = −157,3 + (−80,0) − (−273,3) − (−36,8) = 36,8 кДж
ΔGо = −RT lnKравн = −RT lnKгидр.
Kгидр. =
Kгидр = ;
отсюда:
рОН = −lg [OH−] = −lg 4,54∙10−4 = 3,34
pH = 14 – pOH = 14 – 3,34 = 10,7
В бинарных соединениях галогенов с металлами и водородом для энтальпий (энергий Гиббса) связей выполняется:
ΔНЭ-Cl > ΔHЭ-Br > ΔHЭ-I
Именно по этой причине галоген, стоящий в таблице Д. И. Менделе-ева выше, вытесняет галоген, стоящий ниже, из бинарных соединений. Ситуация меняется на противоположную при переходе к связям кислород-галоген:
ΔНO-I > ΔHO-Br > ΔHO-Cl
Отсюда следует, что галоген, стоящий ниже в таблице Д. И. Менде-леева, будет вытеснять галоген, стоящий выше, например:
2KClO3 + Br2 = 2KBrO3 + Cl2
2HClO4 + I2 = 2HIO4 + Cl2
Существует довольно большая группа межгалогенных (межгалоидных) соединений состава Г`Г``n, где n = 1, 3, 5, 7. Чем дальше галогены отстоят друг от друга, тем больше значение n. Например, йод, хлор и бром образуют следующие соединения с фтором: IF, IF3, IF5, IF7; BrF, BrF3, BrF5; ClF, ClF3. Эти соединения достаточно устойчивы, получают их обычно прямым синтезом из элементов.
Межгалогенные соединения при контакте с водой гидролизуются; возможно диспропорционирование и окислительно-восстановительные процессы:
BrF + H2O = HBrO + HF
BrF5 + 3H2O = HBrO3 + 5HF
2BrF3 BrF + BrF5
2BrF + 2H2O = 2HBr + 2HF + O2
Некоторые из обсуждаемых соединений способны к самоионизации в жидкой фазе и находят применение в качестве растворителей в ряде синтезов.
Как уже говорилось, растворимость брома в воде невелика, а йода – совсем незначительна. Однако галогены довольно хорошо растворяются в растворах галогенидов за счёт образования полигалогенных анионов, например:
KI + I2 = K[In], n = 3 – 9.
Применение
F2, F2O – окислители, используемые при фторировании воды с целью обеззараживания и в производство тефлона.
Плавиковая кислота широко используется в синтезах как лабораторных, так и производственных, например, при получении криолита.
Cl2 – окислитель, отбеливатель, используется для обеззараживания питьевой воды и воды в плавательных бассейнах. Соляная кислота является второй после серной широко используемой минеральной кислотой. Газообразный хлороводород необходим в производстве винилхлорида и соответствующего полимера.
Хлорная известь находит применение как отбеливатель и обеззараживатель.
Br2 – распространённый окислитель в неорганическом и органическом синтезе; бромопроизводные органических веществ находят применение в медицине. Бромид серебра – основа чёрно-белой фотографии.