Учебники Рудзитис / 11

Таблица 8

Алюминий — металлический элемент IIIA-группы

Размещение электронов по орбиталям

Физические свойства простого вещества

Алюминий — серебристо-белого цвета, лёгкий металл (r = 2,7 г/см3), плавится при 660 С, очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. По электрической проводимости алюминий уступает лишь серебру и меди

Химические свойства

Сводородом алюминий обычных условиях:

Применение

1.Для получения лёгких сплавов (дюралюминий — в самолёто- и ракетостроении, в строительстве).

2.Для производства электрических проводов.

3.Для алитирования (насыщение верхнего слоя) стальных и чугунных изделий.

4.В металлургии для получения других металлов методом алюминотермии.

5.Для изготовления бытовых предметов

130

Металлы могут химически взаимодействовать друг с другом и образовывать интерметаллические соединения, или интерметаллиды. Многие из них имеют важное техническое значение. Интерметаллид SmCo5 — лучший материал для сильных магнитов. Интерметаллид Nb3Ge является рекордсменом по сверхпроводимости, a AlSb и InSb — отличные полупроводники.

Обобщающие таблицы 6, 7 и 8 предназначены для облегчения самостоятельной учебной работы по повторению и систематизации учебного материала о важнейших металлах IA-, IIA- и IIIA-групп. При характеристике свойств обратите внимание на число наружных электронов в атомах соответствующих металлов. Планом, который дан в этих таблицах, следует руководствоваться при повторении и обобщении учебного материала. В таблицах также приведены характерные примеры, отражающие важнейшие химические свойства металлов A-групп. Пользуясь этими таблицами, вы сможете самостоятельно составлять уравнения сходных химических реакций.

1.Почему в природе не встречаются самородки щелочных и щелочноземельных металлов?

2.С какими из перечисленных ниже веществ будет взаимодействовать гидроксид натрия: сера, цинк, оксид серы(IV), оксид бария, гидроксид калия, соляная кислота, муравьиная кислота, хлорид железа(III), сульфат бария, этанол, глицерин? Напишите уравнения возможных реакций. Для двух реакций ионного обмена (по выбору) составьте полное и сокращённое ионные уравнения.

3.Бериллий Be и магний Mg находятся в одной группе периодической системы, однако химические свойства этих металлов различны. Поясните почему. Свой ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций. Охарактеризуйте применение бериллия и магния.

4.Напишите уравнения реакций, характеризующих химические свойства гидроксида алюминия. Чем различаются реакции нейтрализации гидроксида алюминия и гидроксида магния? Для двух реакций ионного обмена (по выбору) составьте полное и сокращённое ионные уравнения.

5. Приведите примеры уравнений реакций, в которых участвует: а) гидроксид натрия и три разных органических вещества; б) гидроксид кальция и два разных органических вещества.

6. Щелочные и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их солей. Почему эти металлы нельзя получить электролизом растворов солей? Что является в таких реакциях восстановителем?

131

7.Напишите уравнение реакции, происходящей между алюминием и соляной кислотой. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Вычислите объём выделившегося газа (н. у.) и массу соли, полученной в реакции, если использовали 5,4 г металла и 21 г кислоты.

8.Какое количество теплоты потребуется для разложения 8 кг известняка, массовая доля примесей в котором 5 %? Термохимическое уравнение

СаСО3(тв) = СаО(тв) + СО2(г) – 177,650 кДж

9.При обработке 9 г смеси, состоящей из алюминия и его оксида, 40 %-ным раствором гидроксида натрия (плотность 1,4 г/см3) выделилось 3,36 л газа (н. у.). Определите процентный состав исходной смеси

иобъём раствора NaOH, вступившего в реакцию.

1.Химический элемент, у которого распределение электронов в атоме по электронным слоям 2, 8, 8, 1, в периодической системе Д. И. Менделеева расположен

1) в 4-м периоде, I группе

2) в 4-м периоде, II группе

3) в 3-м периоде, I группе

4) в 3-м периоде, II группе

2.Распределение электронов по электронным слоям 2, 8, 8, 2 соответствует строению атома

3. Наиболее ярко выраженные металлические свойства проявляет простое вещество, образованное атомами со следующим строе-

Я умею характеризовать химические свойства металлов IA—IIA-групп и алюминия, составлять соответствующие уравнения реакций.

132

"В чём особенность заполнения электронных оболочек у d-элементов?

"Как изменяются свойства соединений металла с увеличением его степени окисления?

Металлические элементы Б-групп являются d-элементами. У их атомов, как правило, на наружном энергетическом уровне сохраняются два s-электрона, а очередные электроны помещаются не на наружных, а на предпоследних энергети-

ческих уровнях. У атомов некоторых элементов, например у атомов хрома Сr и меди Сu, происходит так называемый «провал» наружных электронов и на наружном уровне остаётся только по одному электрону. Этим и объясняются их отличительные свойства.

Закономерности изменения химической активности у элементов Б-групп в направлении сверху вниз иные, нежели в А-группах. В Б-группах химическая активность (с некоторыми исключениями) соответствующих металлов уменьшается. Так, например, золото химически менее активно по сравнению с медью.

Однако отдельные общие закономерности проявляются и у металлических элементов Б-групп. Отметим важнейшие из них.

1. У р-элементов IIIБ—VIIБ-групп мак-

симальная положительная степень окисления совпадает с номером группы.

2. Некоторые d-элементы VIIIБ-группы, например рутений Ru и осмий Os, также образуют соединения, в которых их максимальная степень окисления равна +8, т. е. соответствует номеру группы.

3. С увеличением степени окисления атомов металлов Б-групп осно€вные свойства их оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные усиливаются. Например, СrО — осно€вный оксид, Сr2О3 — амфотерный оксид, СrО3 — кислотный оксид. Последнему оксиду соответствуют следующие кислоты и соли: Н2СrО4 — хромовая кислота; Na2CrO4, K2СrО4 — хроматы; H2Cr2O7 — дихромовая кислота; Na2Сr2О7, K2Сr2О7 — дихроматы.

133

Из металлов Б-групп наибольшее практическое значение имеют медь Сu, цинк Zn, титан Ti, хром Сr и железо Fe. Их свойства и применение мы рассмотрим отдельно.

1.Составьте электронные формулы атомов железа, меди и хрома. Запишите формулы оксидов и гидроксидов этих элементов, определите их характер.

2.Почему металлы, образованные химическими элементами Б-групп периодической системы Д. И. Менделеева, не имеют таких же валентных возможностей, как металлы соответствующих А-групп?

3.Сравните строение атомов и свойства калия и меди и поясните,

вчём проявляются сходство и различия элементов IA- и IБ-групп.

4. Через 1 л 18 %-ного раствора сульфата меди(II) (плотность 1,12 г/см3) пропустили 23,2 л сероводорода (н. у.). Какое вещество выпало в осадок? Чему равна его масса?

2. Установите соответствие между химической формулой соединения и степенью окисления марганца в этом соединении.

Решите задачу 7.51 из «Задачника с «помощником» для 10—11 классов.

Выберите какой-нибудь металл, находящийся в Б-группе. Используя дополнительную литературу и Интернет, подготовьте сообщение

освойствах этого металла и его применении.

Ямогу объяснить особенности строения атомов химических элементов Б-групп периодической системы Д. И. Менделеева.

134

"Зная особенности строения атома меди, предположите, какие химические свойства для неё характерны. Запишите уравнения двух реакций: 1) где медь — исходное вещество; 2) где медь — продукт реакции.

Положение меди в периодической системе химических элементов и строение атома. Медь — элемент IБ-группы (побочной под-

группы I группы). Электронная конфигурация атома меди следующая:

+29Cu 1s2 | 2s22p6 | 3s23p63d10 | 4s1

Так как в атомах меди десятый d-электрон переместился на третий d-подуровень с четвёртого s-подуровня, то медь в соединениях прояв-

ляет степени окисления +1 (например, Cu2O) и +2 (например, CuО). Нахождение в природе. Медь встречается в природе в основном

в связанном виде и входит в состав таких минералов, как медный блеск

Cu2S, куприт Сu2О, медный колчедан CuFeS2, малахит (СuОН)2СО3. (Тут и далее химической формулой обозначена основная составная часть минерала.)

Медь иногда встречается в природе в виде самородков больших размеров. Например, в 1857 г. в США в районе Великих озёр нашли са-

мородок массой 420 т.

Получение. Процесс получения меди весьма сложный. Наиболее пригодны для этого оксиды. С помощью кокса и оксида углерода(II) в цветной металлургии получают медь из куприта (Cu2O):

2e

Cu2O + C = 2Cu + CO

2e

Cu2O + CO = 2Cu + CO2

Сульфидные руды и карбонатные соединения в специальных печах обжигают до оксидов.

Полученная таким способом медь содержит примеси. Более чистый

продукт образуется при электролизе.

Физические свойства. Медь — металл светло-розового цвета, тягучий, вязкий, легко прокатывается. Температура плавления 1083 С. Отличный проводник электрического тока (уступает только серебру).

135

Химические свойства. В сухом воздухе и при обычной температуре медь почти не изменяется. При повышенной температуре медь может вступать в реакции как с простыми, так и со сложными веществами.

Взаимодействие с простыми веществами:

щью свежеосаждённого гидроксида меди(II) Сu(ОН)2, как вам известно, определяют наличие альдегидной группы в органических соединениях:

136

Рис. 38. Применение меди и её соединений

1.Подготовьте таблицу, характеризующую свойства и применение меди, подобную ранее рассмотренным таблицам для металлов А-групп.

2.Напишите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Cu CuO CuCl2 Cu(OH)2 CuO

CuSO4 Cu

3.Образец бронзы, состоящей из алюминия и меди, масса которого 49,1 г, обработали соляной кислотой до прекращения выделения водорода (н. у.). Объём образовавшегося газа оказался равным 6,72 л. Вычислите массовую долю каждого компонента в этом образце бронзы.

4.Вещество, полученное при прокаливании 1,28 г меди в струе кис-

лорода, превратили в хлорид меди(II). Вычислите, какой объём (в миллилитрах) 4 %-ной соляной кислоты (плотность 1,02 г/см3) израсходовали и чему равна масса выделившегося хлорида меди(II).

Яумею составлять уравнения реакций, характеризующих свойства меди.

137

§ 30 Цинк

"Зная строение атома цинка и его положение в периодической системе, предположите, какие химические свойства для него характерны.

Положение цинка в периодической системе химических элементов и строение атома. Цинк — элемент IIБ-группы. Электронная

конфигурация его атома следующая:

+30Zn 1s2 | 2s22p6 | 3s23p63d10 | 4s2

Так как в атомах цинка предпоследний d-подуровень заполнен, то

цинк в соединениях проявляет только степень окисления +2. Нахождение в природе. Цинк в природе встречается только в со-

единениях. Важнейшие из них — минералы цинковая обманка, или

сфалерит ZnS (рис. 39), и цинковый шпат ZnCO3.

Получение. Если металл встречается в природе в соединении с серой, то для получения его в свободном состоянии руду обжигают и из оксида восстанавливают металл:

ZnO + C = Zn + CO

Цинк получают также из раствора соли ZnSO4 путём электролиза. Это

основной способ получения цинка в настоящее время.

Физические свойства. Цинк — голубовато-серебристый металл. При обычной температуре хрупок. При температуре 100—150 С хорошо прокатывается в листы, выше 200 С стано-

вится очень хрупким. Плавится при 419,5 С.

Химические свойства. Цинк на воздухе устойчив, так как покрывается тонким слоем оксида, предохраняющего его от дальнейшего окисления. Вода при обычной температуре на цинк практически не действует. При повышенной температуре цинк становится активным и реагирует с простыми веществами — с галогенами, кислородом и серой:

138

фотерными свойствами.

Применение. Так как на цинк при обычных условиях не действуют ни кислород воздуха, ни вода, то основная масса цинка расходуется на защитные покрытия железных листов и стальных изделий (см. § 24). На защиту стали от коррозии идёт 40 % мирового производства цинка. Цинк применяют для получения технически важных сплавов: с медью (латуни), алюминием и никелем, а также для производства цинковоугольных гальванических элементов, которые используют в батареях разного назначения.

139