Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

За исключением благородных газов, неметаллы образуют летучие водородные соединения, которые получают либо прямым взаимодействием простых веществ, либо косвенным путем:

N2 + 3Н2 2NH3; Mg2Si + 4H2O = 2Mg(OH)2↓ + SiH4.

Устойчивость водородных соединений внутри групп сверху вниз ослабевает. В периодах слева направо усиливаются кислотные свойства водородных соединений: здесь наиболее выраженные кислотные свойства характерны для соответствующего галогеноводорода.

Неметаллы образуют соединения с кислородом, подавляющее большинство которых (кроме OF2) относится к кислотным оксидам. Оксиды, в которых неметаллический элемент находится в более низкой положительной степени окисления, проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства:

+4

SO2 + Br2 + 2H2O = 2HBr + H2SO4;

+4

SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O.

Если в оксидах неметаллический элемент находится в высшей степени окисления, то он проявляет только (!) окислительные свойства:

Сu + 2SO3 = CuSO4 + SO2; С + СО2 = 2СО.

Оксидам неметаллов соответствуют оксокислоты, свойства которых зависят от степени окисления характеристических атомов.

Если характеристический атом находится в низшей положительной степени окисления, то такие кислоты — слабые электролиты; для них характерны как окислительные, так и восстановительные свойства (HNO2; H2SO3; Н3РО3; НСlO2). Если же характеристический атом находится в состоянии наивысшей степени окисления, то такие кислоты являются окислителями.

Например:

+5 +6 +7

HNO3; H2SO4; HClO4.

Неметаллы одной группы, находясь в одинаковой степени окисления, образуют оксокислоты, сила которых убывает по мере увеличения заряда ядра. Так, в подгруппе галогенов, в ряду HClO3, HBrO3, HIO3, наиболее слабой кислотой является НIO3, наиболее сильной — НС1О3.

Аналогичная зависимость прослеживается и для неметаллов VI, V

иIV групп.

Впределах периодов слева направо сила оксокислот возрастает:

H2SiO3 < H3PO4 < H2SO4 < HClO4.

Неметаллы взаимодействуют между собой, с металлами, с кислотами, щелочами, о чем можно подробно прочитать в главах 8–12.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Перечислите неметаллические элементы, укажите их положение в Пе-

?риодической системе элементов Д.И. Менделеева.

2.Почему с увеличением номера периода число неметаллических элементов убывает? Ответ обоснуйте в соответствии со строением атома.

3.Какие закономерности наблюдаются в изменениях свойств неметаллов, относящихся к третьему периоду?

4.Как изменяются окислительные свойства неметаллов внутри периода и внутри группы? Ответ подтвердите конкретными примерами.

5.На примере неметаллов второго периода объясните закономерности изменения строения наружных электронных оболочек.

6.Водород относится к s-элементам, однако по некоторым свойствам он ближе к галогенам. О каких свойствах идет речь и как это связано со строением водорода?

7.Атомы элементов данной подгруппы характеризуются одинаковой электронной конфигурацией наружных оболочек, однако с увеличением заряда ядра у них изменяются валентность и окислительно-вос- становительные свойства. Объясните причины этих явлений.

8.Почему благородные газы не образуют двухатомных молекул?

9.Какие из представленных молекул — Н2S, HBr, Н2О, СО, NH3 — наиболее полярны? Расположите их в порядке убывания полярности.

10.Перечислите важнейшие физические свойства неметаллических элементов и объясните их, исходя из строения атомов.

11.Неметаллы образуют водородные соединения, общая формула которых

может быть представлена как ЭН(8-г), где Г — номер группы. Исходя из этого, напишите водородные соединения для неметаллов третьего периода, расположите их в порядке уменьшения полярности и охарактеризуйте их кислотные свойства.

12.Объясните строение водородных соединений элементов подгруппы

азота. Почему нейтральная молекула RH3 присоединяет протон? Какая связь и по какому механизму в этом случае формируется?

13.Известно, что внутри периода с увеличением заряда ядра возрастает высшая степень окисления. Исходя из этого, выпишите формулы высших кислородных кислот неметаллов третьего периода и сопоставьте их окислительные свойства.

14.Напишите уравнения соответствующих реакций, иллюстрирующих

?свойства разбавленной и концентрированной серной и азотной кислот. Объясните эти свойства.

15.Для неметаллов второго периода напишите формулы возможных оксидов и охарактеризуйте их свойства в виде соответствующих уравнений реакций.

16.Какие ионы образуют при диссоциации молекулы, отвечающие фор-

мулам Н2О, НСlО4, Н3РО4, НВr, Н2S? Что представляет собой ион водорода с точки зрения строения атома?

17.Перечислите неметаллы, которые в виде простых веществ представлены двухатомными молекулами. Объясните их строение и охарактеризуйте реакционную способность.

18.Назовите известные вам аллотропные видоизменения неметаллов. Почему они отличаются между собой своими физическими свойствами? Ответ подтвердите соответствующими примерами.

19.Элемент, высший солеобразующий оксид которого отвечает формуле

Э2О5, образует водородное соединение, содержащее 3,86% водорода. Назовите этот элемент. Ответ подтвердите расчетами.

20.Обычно для получения газообразного азота в лабораториях прибегают к термическому разложению нитрита аммония. Определите объем образовавшегося газообразного азота, измеренный при 22 oC и давлении 101,325 кПа, если разложилось 3,26 г NH4NO2.

21.Каковы причины того, что ксенон образует целый ряд устойчивых фторидов?

22.Напишите уравнения реакций каждого из перечисленных веществ с водой: оксид фосфора (V), гидрид лития, оксид азота (IV) , оксид серы (IV). Что можете сказать о каждом из образующихся соединений?

23.Напишите формулы каждого из перечисленных ниже соединений и укажите степень окисления характеристических атомов: азотистая кислота, сульфид железа, хлорат калия, периодат натрия, фосфат кальция, гидрокарбонат натрия.

24.Укажите два любых химических и два физических свойства, по которым сера как неметалл отличается от металла.

25.Существует ли взаимосвязь между электроотрицательностью элемента и степенью окисления? Ответ обоснуйте на конкретных примерах.

ГЛАВА 13 ОБЩИЙ ОБЗОР МЕТАЛЛОВ

Изучив главу, следует уметь:

определить положение металлов в Периодической системе; охарактеризовать особенности строения атомов металлических элементов; объяснить особенности кристаллической структуры металлов; описать природу металлической связи и ее отличия от обычной ковалентной или ионной связи; составить уравнения реакций, характеризующих химические свойства металлов; описать важнейшие способы получения металлов.

§ 1. Положение в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева и общие свойства металлов

Более 80% известных химических элементов являются металлами, и в соответствии со строением электронных оболочек к ним относятся s-элементы I и II групп, все элементы d- и f-семейств, р-элементы III группы (кроме бора), а также олово и свинец (IV группа), висмут (V группа) и полоний (VI группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1–3 электрона. Этим объясняется их слабая по сравнению с неметаллами электроотрицательность.

Элементы-металлы, относящиеся к s-семейству, составляют главные подгруппы I и II групп, а принадлежащие к d-семейству образуют побочные подгруппы. У атомов d-элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение d-подуровней предвнешнего уровня.

Металлы, в атомах которых происходит заполнение f-подуровней третьего от конца уровня, образуют семейства лантаноидов и актино-

идов, каждое из которых содержит по 14 элементов.

Физические свойства. Металлы имеют кристаллическую структуру, и для них характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, гексагональная и кубическая объемно-центри- рованная (рис. 13.1). Они являются плотноупакованными структурами. В кубической плотноупакованной структуре слои чередуются таким образом, что лишь четвертый по счету слой повторяет первый слой, т.е. характерно чередование по типу АВС, АВС, ..., где А, В, С —

Рис. 13.1. Кристаллические решетки металлов:

а– кубическая объемно-центрированная;

б– кубическая гранецентрированная; в – гексагональная плотноупакованная

условные обозначения слоев. Многие металлы кристаллизуются в одной из двух кубических структур. Так, кристаллы щелочных металлов имеют кубическую объемно-центрированную структуру, а металлы восьмой группы — кубическую гранецентрированную.

В гексагональной структуре атомы располагаются в слоях, чередующихся друг с другом по типу АВАВ,... Такой тип структур очень распространен среди металлов. Электроны, осуществляющие металлическую связь, принадлежат не двум отдельным атомам, а свободно перемещаются по всему кристаллу. Следует отметить, что тип связи в металлических кристаллах отличается от остальных тем, что здесь нет ионных вкладов, и в то же время невозможно образование ковалентных двухэлектронных связей между соседними атомами.

Электрическая проводимость, которая является важнейшей физической характеристикой металлического состояния, осуществляется этими электронами. По этой причине металлы относятся к проводникам I рода. Если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, то свободные электроны приобретают направленное движение и перемещаются от отрицательного полюса к положительному, т.е. создается направленный поток движущихся электронов — электрический ток.

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры. С повышением температуры колебательные движения ионов в узлах решетки усиливаются, а это, в свою очередь, очень препятствует направленному движению электронов. С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и элек-

ГЛАВА 13 Общий обзор металлов 295

трическая проводимость увеличивается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у большинства металлов проявляется сверхпроводимость.

Теплопроводность металлов также связана с подвижностью свободных электронов и колебательным движением самих атомов. Эти колебания распространяются в виде системы упругих тепловых волн по всей кристаллической решетке. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися атомами и обмениваются с ними энергией. Поэтому при нагревании металла тепловая энергия незамедлительно передается от одних атомов к другим благодаря свободным электронам. При этом сравнительно быстро происходит выравнивание температуры по всей массе металла.

Все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами. Ртуть — единственный металл, жидкий при обыкновенных условиях: температура плавления равна –39 oС. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-белого. В промышленности существует разделение металлов на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и все его сплавы, а остальные металлы — к цветным. Иногда особо выделяют благородные металлы — золото и платиновые металлы.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. К первым относят такие, у которых плотность меньше 5 г/см3; ко вторым — у которых плотность больше 5 г/см3.

По значениям температур плавления металлы делят на легкоплавкие (температура плавления < 1000 oС) и тугоплавкие (температура плавления > 1500 oС). К числу главных механических свойств относятся: упругость — свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующих сил; пластичность — состояние металла, в котором он способен сохранять изменение формы, вызванное воздействием деформирующих сил после того, как их действие пре-

кращено.

Химические свойства. Эти свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.

Как уже указывалось, в пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. Наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем меньше энергия ионизации. Поскольку атомы металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то

для них характерны в целом сравнительно низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону.

Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

Металлы образуют оксиды МXОY. Например:

4Na + O2 = 2Na2O; 2Fe + O2 =2FeO.

С галогенами образуют галогениды, которые являются солями соответствующих галогеноводородных кислот:

Са + С12 = СаС12.

Металлы способны присоединить водород, образуя гидриды. Реакция обычно протекает при температуре 350–400 oС:

Са + Н2 = СаН2.

Характерны реакции металлов с кислотами и солями. Если металл взаимодействует с кислотой, анион которой не является окислителем, то функции окислителя выполняет протон кислоты:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑;

Zn0 – 2e– → Zn2+;

2Н+ + 2е– = Н2.

Некоторые металлы, образующие амфотерные оксиды и гидрокcиды, вступают в реакцию и со щелочами:

Zn + 2NaOH = Na2 ZnO2+H2↑.

Металлы взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами (подробно см. соответствующие главы).

При взаимодействии с водными растворами солей нейтральный атом металла, окисляясь, восстанавливает ион металла из молекулы соли:

Fe + CuSO4 = FeSO4+ Cu;

Fe – 2e– → Fe2+; Сu + 2e– → Сu0.

Реакции протекают в соответствии с положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (см. главу 6).

Активные металлы взаимодействуют с водой: 2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2↑.

Получение. Большинство металлов в природе встречается в виде соединений, и лишь немногие из них (благородные и полублагородные) — в самородном состоянии.

Природные материалы и горные породы, которые содержат соединения металлов, называют рудами. Все способы получения их из руд основаны на реакциях восстановления.

Восстановление безводных соединений металлов при высоких температурах называется пирометаллургическим процессом. В качестве восстановителей используют либо металлы (металлотермия), либо углерод (карботермия).

Частным случаем металлотермии является алюминотермия:

Fe2O3 + 2А1 = А12О3 + 2Fe.

Этим методом обычно пользуются для получения тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, хром, вольфрам и др.:

TiO2 + 2Mg = Ti + 2MgO.

В основе карботермии лежит термическое восстановление металла из его оксида углеродом (или СО):

РbО + С = Рb + СО↑; Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3СО2. Восстановление металлов из их оксидов может быть проведено и с

помощью водорода:

СuО + Н2 = Сu + Н2О; WO3 + 3Н2 = W + 3Н2О.

Из водных растворов солей металлы могут быть восстановлены электролизом. Катодное восстановление металлов из растворов или расплавов солей называется электрометаллургическим процессом.

Некоторые методы получения будут рассмотрены более подробно при изучении конкретных представителей металлов.

Сплавы. Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. В более широком смысле сплавы можно рассматривать как макроскопически однородные системы, состоящие из двух или нескольких металлов (реже — металлов и неметаллов). Строение сплавов может быть различным. Составные части сплавов могут образовать твердый раствор, либо макрооднородную механическую смесь, или же химическое соединение (интерметаллические соединения). Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов.

Химическая связь в сплавах металлическая, благодаря чему они обладают электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и т.д.

При взаимодействии металлов друг с другом образующиеся соединения по свойствам отличаются от свойств составных компонентов. Формульный состав интерметаллических соединений не всегда удовлетворяет классическим представлениям о валентности элементов.

Так, ртуть соединяется со многими металлами с образованием твердых или жидких композиций — сплавов, называемых амальгамами. Щелочные и щелочноземельные металлы образуют устойчивые амальгамы, представляющие собой твердые вещества состава NaHg2; KHg2; CaHg и т.д.

Сплавы, как правило, имеют температуру плавления более низкую, чем температура плавления входящих в их состав металлов. Твердость сплавов намного выше твердости отдельных металлов. Коррозионная стойкость многих сплавов выше, чем индивидуальных металлов.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Какая связь между положением металла в Периодической системе эле-

?ментов Д.И. Менделеева и электрохимическим рядом напряжений?

2.Как взаимосвязаны физические свойства металлов и металлическая химическая связь?

3.Почему металлы легко взаимодействуют с неметаллами и сложными веществами и значительно труднее — друг с другом?

4.Почему металлов значительно больше, чем неметаллов?

5.Смесь порошков магния, железа, меди и цинка массой 2,09 г обработали раствором NaOH. При этом выделилось 0,224 л водорода. Такая же масса смеси, взаимодействуя с кислотой, вытесняет 0,672 л водорода, а масса непрореагировавшего остатка составляет 0,640 г. Определите состав смеси по массе.

Ответ: 0,24 г Mg; 0,56 г Fe; 0,65 г Zn; 0,64 г Сu.

6.Железную пластинку массой 100 г опустили в раствор хлорида меди (II). Через некоторое время пластинку вынули, высушили и вновь взвеси-

ли. Масса оказалась равной 102 г. Какая масса FeCl2 образовалась? Ответ: 31,75 г.

7.При взаимодействии с кислотой 0,152 г двухвалентного металла выделилось 140 мл водорода (нормальные условия). Определите относительную атомную массу металла.

Ответ: 24,32.

8.Для определения содержания серебра в его сплаве с медью 0,5 г этого сплава обработали азотной кислотой. К полученному раствору после разбавления водой добавили хлороводородную кислоту. Масса образо-

?в сплаве.

Ответ: 64,8% Ag.

9.Какая масса алюминия потребуется для получения 1,56 г хрома из ок-

сида Сr2О3 путем алюминотермии?

Ответ: 0,81 г.

10.При прокаливании на воздухе 0,512 г двухвалентного металла образовалось 0,64 г оксида. Определите относительную атомную массу и назовите элемент.

Ответ: 64; медь.

11.Смесь порошков PbO и CuO массой 5,43 г восстановили водородом и получили 4,63 г смеси металлов. Какова массовая доля (%) оксидов в смеси?

Ответ: 42,07% PbO; 58,93% CuO.

12.Трехвалентный металл массой 0,175 г при взаимодействии с хлором образовал 0,441 г хлорида. Назовите металл.

Ответ: галлий.

13.Смесь меди и железа массой 2,2 г при нагревании обработали азотной кислотой. Полученный раствор выпарили досуха и прокалили до постоянной массы, равной 3 г. Какова массовая доля (%) меди и железа в смеси?

Ответ: 36,36% Cu; 63,64% Fe.

14.Карбонат двухвалентного металла массой 0,2 г прокалили до постоян-

ной массы и получили 22,741 мл CO2. Назовите металл.

Ответ: барий.

15.В раствор медного купороса опустили пластинку, изготовленную из двухвалентного металла. Пластинку через некоторое время вынули из раствора, высушили и вновь взвесили. Масса пластинки уменьшилась на 0,96 г, а меди выделилось 0,02 моль. Из какого металла изготовлена пластинка?

Ответ: кадмий.

§2. Коррозия металловвавшегося осадка равна 0,430 г. Определите массовую долю (%) серебра

Коррозия металлов — это разрушение металлов вследствие физи- ко-химического воздействия внешней среды; при этом металл переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему свойства.

По механизму коррозионного процесса различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия — это взаимодействие металлической поверхности с химически активными веществами (например воздуха), содержащимися в природных и технологических средах. При этом