Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

Растворимость в воде содей элементов ПА-группы различна: хорошо растворимые соли-хлориды, бромиды, иодиды, сульфиды (Са-Ка), нитраты, нитриты (М§-Ка), малорастворимые и практически нерастворимые соли-фто­ риды (М§-Ка), сульфаты (Са-Ра), ортофосфаты, карбонаты, силикаты.

Растворимые в воде соли щелочноземельных металлов гидролизу по катиону не подвергаются. Катионы этих металлов окрашивают пламя газовой горелки в различные цвета:

поэтому хлориды МС12, нитраты М (М03)2 и др. используют в пиротехнических составах для фейерверков.

Растворимые в воде соли магния в небольшой степени^ подвергаются гидролизу по катиону:

М§С12 = М§2+ + 2СГ,

м§2+ + н2о <± м§он+ + н+.

Гидролиз солей бериллия протекает в такой высокой степени, что нередко образуется осадок малорастворимых основных солей, например:

Ве(Ж)3)2 + Н20 = Ве(Ж)3)О Н | + ГОЮ3,

поэтому для удержания катионов Ве2+ в растворе прихо­ дится добавлять соответствующую сильную кислоту (в данном примере-азотную).

Оксид и гидроксид бериллия-типично амфотерные соединения:

а) ВеО + 2НС1 = ВеС12 + Н20,

250°С

ВеО + 2№ОН ------- ►Иа2Ве02 + Н20;

б) Ве(ОН)2 + Н2804 = Ве804 + 2Н20, Ве(ОН)2 + 2ИаОН = Ыа2[Ве(ОН)4].

Для осаждения Ве(ОН)2 никогда не применяют щелочь,

171

>

При пропускании углекислого газа в известковую воду вначале появляется осадок карбоната:

Са (ОН)2 + С02 = СаС031 + Н20,

который затемполностью исчезает, поскольку кислая соль-гидрокарбонат кальция Са(НС03)2 хорошо раство­ рим в воде:

СаС03 + Н20 + С02 = Са2+ + 2НС03". -

Гашеная известь используется для приготовления так называемых известковых строительных растворов-тесто­ образных смесей (песок + гашеная известь + вода), служа­ щих связующим материалом для каменной и кирпичной кладки, отделки (оштукатуривания) стен и других строи­ тельных целей. Отвердевание («схватывание») таких раство­ ров обусловлено поглощением углекислого газа из воздуха.

Карбонат кальция СаСОэ-распространенное природное вещество, главная составная Часть осадочной горной поро­ ды - известняка (и его разновидностей -мел, мрамор, извест­ ковый туф, мергель), чистый СаСОэ в природе-это минерал

кальцит.

Карбонат кальция-белое вещество, очень мало раство­ римое в воде («0,0007 г/100 г Н20). При прокаливании разлагается (СаСОэ = СаО + С 02). В промышленности применяется для производства негашеной извести, стекла, известковых удобрений, в частности известковой селитры Са (1Ы03)2. Порошок природного мела употребляется в побелке стен и потолков, искусственно полученный (осаж­ денный) м ел-в изготовлении зубных порошков и паст.

Сульфат кальция Са804-белый кристаллический поро­ шок, малорастворимый в воде (0,2 г/100 г воды), раствори­ мость его уменьшается при нагревании.

Природный Са804 встречается в природе в виде очень распространенного минерала - гипса Са804• 2НгО. При 130°С гипс теряет часть воды и переходит в жженый (1штукатурный) гипс 2Са804• Н20 (в технике неверно назы­ вается алебастром). Приготовленный из него строитель­ ный раствор «схватывается» быстрее, чем строительный раствор на основе Са(ОН)2. Затвердевание обеспечивается связыванием воды, образованием гипса в виде каменной массы. Используется жженый гипс для изготовления гипсо­ вых слепков, архитектурно-декоративных форм и изделий, перегородочных плит и панелей, каменных полов.

Кальций-пятый по распространенности элемент в зем­

173

ляции). Такая дистиллированная вода является мягкой' подобно дождевой воде.

Упражнения

18.1.Атом какого элемента ИА-группы легче переходит в состояние М2+? Ответ поясните. ^

18.2.Почему для атомов натрия и магния первый электрон отрывается легче от атома Ыа, а для ионов Иа+ и М§+ второй электрон отрывается легче от иона М§+? Дайте мотивированный

ответ.

183. Составьте названия следующих веществ: М§С2, Ве28Ю4, Ва[Ве(ОН)Д К2М§(804)2*6Н20, Са804-2Н20, 8Ю2, Ва~ (0 2)2

18.5. Составьте уравнения термических реакций:

18.6.Магний не реагирует с холодной водой, но окисляет кипящую воду. Почему?

18.7.Составьте уравнения окислительно-восстановительных

реакций:

18.8 Подтвердите основные свойства М§0 и М§(ОН)2 состав­ лением уравнений соответствующих реакций.

18.9. Составьте уравнения реакций в водном растворе:

=(2 реакции)

18.10.Почему ИаОН называют щелочью, а М§(ОН)2 нет?

18.11.Известно, что гидроксид магния переводится в раствор обработкой концентрированным раствором хлорида аммония. Напишите уравнение реакции.

18.12.Предложите способы разделения катионов: а) Ве2+ и

175

М§С12; б) растворов Са(Ж)3)2, М§804, СаС12; в) раствора ВаС12 на ртутном катоде.

18.14.Проводится электролиз расплава смеси хлоридов натрия, магния и кальция. Укажите последовательность разрядки катионов на инертном катоде, руководствуясь электроотрицательностью элементов.

18.15.Имеется природный фторид кальция-минерал флюорит. Как из него получить: а) фторово^ород; б) фтор; в) оксид кальция; г) гидроксид кальция; д) нитрат кальция? Предложите уравнения

возможных реакций и укажите условия их осуществления.

18.16.Имеются мел и поваренная соль. Предложите возможные способы синтеза хлорной извести (выбор процессов и реактивов не ограничен).

18.17.Через баритовую воду (раствор гидроксида бария) пропускают газы: а) диоксид углерода; б) сероводород; в) хлороводород; г) хлор. Составьте уравнения реакций и назовите продукты.

18.18.Для получения кальция прокаливают кальцит с алюми­ нием. Составьте уравнение реакции. Предложите способ разделения продуктов.

18.19.Объясните, почему при пропускании углекислого газа • через раствор бромида кальция осадок не выпадает, а через раствор гидроксида кальция-выпадает.

19. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ША-ГРУППЫ. АЛЮМИНИЙ

Элементы ША-группы. Общая электронная конфигурация, электроотрицательность, степени окисления. Изменение химических свойств оксидов й гидроксидов элементов при увеличении порядко­ вого номера.. Бор как неметалл. Оксид и гидроксид бора. Бура. Распространение в природе..

Алюминий. Простое -вещество. Физико-химические свойства, амфотерность. Взаимодействие с кислородом, серой, азотом, угле­ родом, водой в нейтральной и щелочной среде, азотной кислотой. Алюминий как сильный восстановитель. Алюминотермия. Получе­ ние алюминия в промышленности.

Оксид и гидроксид алюминия. Их амфотерность. Соли алюми­ ния, их гидролиз и растворимость в воде. Распространение в природе алюминия и его соединений. Применение.

Элементы ША-группы. В эту группу Периодической системы входят элементы бор В, алюминий А1, галлий Оа, индий 1п, таллий Т1. Они имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня атомов (пз2пр1), откуда вытекает характерная степень окисления (+Ш); электро­ отрицательность элементов невысока (от 2,01 для В до 1,44 для Т1).

Металлический характер элементов возрастает от В к Т1; по химическим свойствам бор-неметалл, алюминий, галлий

176

и индий-амфотерные элементы (с усилением основных свойств от А1 к 1п), таллий-металл, причем для него более устойчивой и распространенной является степень окисления (+1), например в соединениях Т120 , ТЮН, Т12С 0 3 и Т1С1.

Химия бора во многом напоминает химию кремния; они близки по электроотрицательности, их гидроксиды являются слабыми кислотами, оксиды имеют высокие температуры плавления и очень устойчивы. Кислотным оксиду В2Оэ и гидроксиду В(ОН)3 соответствуют различные по составу соли-бораты:

В2Оз + 2№ОН - —° >2ЫаВ02 + Н20,

метаборат

натрия

4В(ОН)^_+ 2КаОН (разб.) = Ка2В40 7 + 7Н20 тетраборат натрия

Образующийся в растворе Иа2В40 7 можно выделить в виде кристаллогидрата На2В40 7 • 10Н2О, он представляет собой самый распространенный минерал бора - буру. При подкислении раствора буры получают осадок гидроксида бора:

Иа2В40 7 + 5Н20 + Н2304 = 4В(ОН)3| + Ыа2804.

Бура-сырье для синтеза всех других соединений бора, ее применяют при пайке металлов и приготовлении глазурей, эмалей и специального термостойкого стекла для хими­ ческой посуды. Бор добавляют в сталь для повышения ее механической прочности и коррозионной стойкости.

Алюминий широко распространен в природе, остальные элементы этой группы-редкие. Галлий-спутник алюминия, индий и таллий находятся в полиметаллических рудах. Все соединения таллия очень ядовиты.

Алюминий. В свободном виде алюминий-серебристо- белый, блестящий, легкий металл. На воздухе покрывается матовой оксидной пленкой, весьма устойчивой и защищаю­ щей алюминий от коррозии. Оксидная пленка разрушается

(во второй реакции окислителем является вода, а щелочь- _ средой). Амальгамированный алюминий реагирует и с

177

чистой водой:

2А1 + 6Н20 = 2А1(ОН)з I + ЗН2Т.

В этих реакциях алюминий выступает в Ячестве сильного восстановителя (см. Приложение 4).

Алюминий активно реагирует при нагревании со многи­ ми неметаллами: с кислородом (сгорание на воздухе), серой (продукт - сульфид А1283), азотом (дает нитрид АПЧ), и углеродом (образуется карбид А14С3). Порошкообразный алюминий легко реагирует с хлором и иодом (в присутствии капли воды), переходят галогениды А1С13 и АИ3. На воздухе при поджигании алюминий восстанавливает многие металлы из их оксидов (<алюминотермия):

*

2А1 + Сг2Оэ ='А120 3 + 2Сг,

10А1 + ЗУ20 5 = 5А120 3 + 6У.

В концентрированной азотной кислоте алюминий пасси­ вируется, но реагирует с разбавленной азотной кислотой (образуются И20 и ТЧНХ). При кипячении алюминия с ьштратом калия в сильнощелочной среде происходит восста­ новление ионов N0 3 до 1ЧН3 за счет промежуточно выделя­ ющегося атомарного водорода и образования устойчивого комплекса [А1(ОН)4] " -тетрагидроксоалюминат (П1)-иона:

8А1 + 18Н20 + 5КОН + ЗКЖ)3 = 8К[А1(ОН)4] + 31ЧН3Т.

Про'мьшшенный способ получения алюминия-электро­ лиз расплава смеси глинозема А120 3 с криолитом Ка3 [А1Р6]

в процессе электролиза не расходуется и является инертным электролитом.

Оксид алюминия А120 3 (минерал корунд, техническое название глинозем) - главная составная часть бокситных руд. Представляет собой белый порошок или очень твердые белые кристаллы, тугоплавкий (гпл = 2055 °С). После дли­ тельного прокаливания очень медленно реагирует с кисло­ тами и щелочами в водном растворе, но легко реагирует со щелочами в расплаве:

178

В этих реакциях А12Оэ проявляет амфотерные свойства; реакции (б) используют для извлечения оксида алюминия из бокситов. Помимо сырья для производства алюминия, А12Оэ в виде порошка служит абразивным материалом, а в виде кристаллов применяется для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов-Сг20 3 (красный цвет), Т120 3 и Ре20 3 (голубой цвет) и т.д.

Гидроксид алюминия А1(ОН)3 - белый рыхлый порошок, при 200 °С разлагается, теряя Н20, и образует метагидроксид АЮ(ОН), при прокаливании полностью обезвоживается до А120 3.

Гидроксид алюминия амфотерен: ,

кислота кислота

Для получения осадка А1(ОН)3 щелочь обычно не исполь­ зуют из-за легкости перехода осадка в раствор, а действуют на соли алюминия гидратом аммиака; при комнатной температуре образуется А1(ОН)3, а при кипяченийАЮ (ОН):

А1С13 + 3(ИЙ3 • Н20) = А1(ОН)3| + ЗКН4С1,

А1С13 + 3(ЫН3 • Н20) = АЮ(ОН) I + ЗЫН4С1 + Н20.

Соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и подвергаются в значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду (в которбй раст­ воряются такие .металлы, как магний и цинк):

а) А1С13 = АГ+ + ЗСГ,

АГ+ + Н20 ^ АЮН2+ Ч- Н+* (рН « 7);

б) Ъп .4- 2Н+ = 2п2+ + Н2|.

Нерастворимы в воде фторид А1Р3 и ортофосфат А1Р04, а соли очень слабых кислот Н28 и Н2С 03 вообще не образуются осаждением из водного раствора, вместо них (вследствие полного гидролиза) выпадает в осадок гидроксид:

А12(804)3 + 6Н20 + ЗЫа23 = 2А1(ОН)3| + ЗН28 | + ЗИа2804,

?А1С13 + ЗН20 + ЗNа2С03 = 2А1(ОН)3| + ЗС02Т + 6КаС1.

Известны двойные соли алюминия - квасцы состава М’АЦЗО^ ‘ 12Н20 (М1 = Иа+, К +, КЬ+, Сз+,^ Т1+, №1^), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцы КА1(804)2 • 12Н20 . Квасцы в воднбм растворе диссоции­

179