Начальный курс химии. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

Восстановительные свойства металлов позволяют им вступать в реакции с различными окислителями– как с простыми веществами (неметаллами), так и со сложными веществами, например, с водой, кислотами, солями менее активных металлов, щелочами.

Металлы, в зависимости от их активности, реагируют со следующими простыми веществами.

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота и платиновых металлов. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

4Li + O2 = 2Li2O (оксид лития); 2Na + O2 = Na2O2 (пероксид натрия); K + O2 = KO2 (надпероксид калия).

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: Na2O2 + 2Na = 2Na2O.

91

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

3Fe + 2O2 = Fe3O4; 2Hg + O2 = 2HgO; 2Cu + O2 = 2CuO.

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, обра-

зуя нитриды: 6Li + N2 = 2Li3N.

При нагревании: 3Ca + N2 = Ca3N2; 2Al + N2 = 2AlN.

Все металлы, кроме золота и платины, реагируют с серой. Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя суль-

фид: Fe + S = FeS.

Активные металлы и металлы средней активности при нагревании реагируют с фосфором с образованием фосфидов:

3Ca + 2P = Ca3P2.

С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп, кроме бериллия. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды:

2Na + H2 = 2NaH; Ca + H2 = CaH2.

Все металлы, кроме платины и золота, при нагревании реа-

гируют с галогенами: 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3; 2Cu + I2 = 2CuI.

Платина и золото также при нагревании реагируют только с фтором: Au + F2 = AuF2; Pt + 2F2 = PtF4.

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды:

2Na + 2C = Na2C2.

Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды – метан:

Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2.

Взаимодействие металлов с водой обусловлено их активностью: - активные (щелочные и щелочноземельные металлы) обра-

зуют растворимые основания (щелочи) и водород: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2; Ca+ 2H2O = Ca(OH)2 + H2

- металлы средней активности окисляются водой при нагревании, в кислой или щелочной среде до оксида:

Zn + H2O = ZnO + H2;

- малоактивные (Au, Ag, Pt) с водой не реагируют.

92

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов до -во дорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами:

Mg + 2HCl = MgCl2 + H2; 6Na + 2H3PO4 = 2Na3PO4 + 3H2.

Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов после водорода, взаимодействуют с кислотамиокислителями при особых условиях, при этом водород никогда не выделяется. Так, серная кислота окисляет металлы 1, 2 и частично 3-й группы (включительно до серебра) и в зависимости от ее концентрации восстанавливается до SO2 - бесцветного газа с резковатым запахом, свободной серы, выпадающей в виде белого осадка или сероводорода H2S – газа с запахом тухлых яиц. Чем более активным является металл, тем сильнее восстанавливается сера: Zn + 2H2SO4(К) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O;

4Zn + 5H2SO4(К) = 4ZnSO4 + H2S + 4H2O; 3Zn + 4H2SO4(К) = 3ZnSO4 + S + 4H2O.

Азотная кислота любой концентрации окисляет практически все металлы:

Сu + 4HNO3(к) = Сu (NO3)2 + 2NO2 + 2H2O; 3Сu + 8HNO3(р) = 3Сu (NO3)2 + 2NO + 4H2O.

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций с азотной кислотой ещё больше с образованиемNO - бесцветный газ с резким запахом, N2O - газ с наркотическим запа-

ко II группе ( Zn, Be, Al, Sn, Pb и др.), взаимодействуют со щелочами. Реакция протекает сплавлением металлов со щелочью:

Pb+2NaOH = Na2PbO2 +Н2

или при взаимодействии с концентрированным раствором щелочи: Be + 2NaOH + 2H2О = Na2[Be(OH)4] + H2.

93

Амфотерные металлы образуют амфотерные оксиды и соответственно амфотерные гидроксиды(взаимодействующие с кислотами и щелочами с образованием соли и воды), например:

Cr(OH)3 + 3HCl = CrCl3 + 3H2O;

Cr(OH)3 + NaOH = Na[Cr(OH)4].

Металлы взаимодействуют с солями, в результате более активные металлы вытесняют менее активные металлы из растворов солей:

3Na + AlCl3 = 3NaCl + Al;

Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4.

В земной коре металлы встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и в самородном виде.

Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.

Любой способ выделения металлов из руд – это процесс

восстановления ионов металла с помощью различных восстано-

вителей: Me+n + ne- → nMe0.

Существуют следующие способы получения металлов: пирометаллургический, гидрометаллургический, электрометаллургический. Пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов – алюминия, магния. Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь – из куприта Cu2O прокаливанием с углем (коксом):

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

FeСO3 = FеО + СO2↑; FеО + С = Fе + СО ↑.

Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов.

В качестве восстановителя можно применять:

94

-водород: МоO3 + ЗН2 = Мо + ЗН2O (водородотермия);

-активные металлы:

-TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия);

-ЗМnO2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl2O3 (алюминотермия). Гидрометаллургия – это восстановление металлов из их со-

лей в растворе.

Процесс проходит в два этапа:

-природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла;

-из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом.

Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:

СuО + Н2SО4 = СuSO4 + Н2.

Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

СuSO4 + Fе = Сu + FеSO4.

Таким методом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Контрольные задания

1.Определите объем водорода(н. у.), необходимый для полного восстановления оксида железа (III) массой 800 кг.

2.Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

- Al → AlCl3 → Al(OH)3 → Na[Al(OH)4] → AlCl3 → Al2(SO4)3; - Ca → CaO → CaCO3 → Ca(HCO3)2 → Ca3(PO4)2.

3.Составьте уравнения реакций при помощи, которых можно получить железо из его соединений.

Контрольные вопросы

1.Чем обусловлены химические свойства металлов?

2.Как можно охарактеризовать восстановительную активность металла, пользуясь рядом напряжений?

3.На какие группы можно разделить все металлы?

4.С какими веществами металлы вступают в реакции?

5.Какие существуют способы получения металлов из руд?

95

4.3. Физические свойства неметаллов

Неметаллы – это химические элементы, которые образуют в свободном состоянии простые вещества, не обладающие физическими и химическими свойствам металлов. Неметаллы – химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые располагаются справа от линии«бор – астат» в верхнем углу периодической системы элементов Д. И. Менделеева и представляют собой p-элементы, за исключением водорода и гелия, это s-элементы главных подгрупп(табл. 7). Число элементовнеметаллов значительно меньше, чем элементов-металлов. Типичными неметаллическими свойствами обладают10 химических элементов (Н, С, N, Р, О, S, F, Cl, Br, I). Шесть элементов, которые обычно относят к неметаллам, проявляют двойственные (и металлические, и неметаллические) свойства (В, Si, As, Se, Те, At). И еще 7 элементов в последнее время стали включать в список неметаллов, но формально, по физическим признакам. Это так называемые благородные или инертные газы (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn, Og), занимающие особое место среди химических элементов, т. к. они имеют полностью завершенный внешний электронный слой и занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Итак, 23 из известных химических элементов принято относить к неметаллам.

Неметаллы составляют 98,5 % от массы растений и 97,6 % от массы человека. Из углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора и азота состоят все важнейшие органические вещества, они являются элементами жизни. Водород и гелий– основные элементы Вселенной из них состоят все космические объекты, включая наше Солнце. Без соединений неметаллов невозможно представить нашу жизнь, т. к. жизненно важное химическое соединение – вода – состоит из водорода и кислорода.

96

Элементы-неметаллы образуют простые вещества, которые при обычных условиях существуют в разных агрегатных состояниях:

-газы (водород H2, кислород O2, азот N2, фтор F2, хлор Cl2,

благородные газы: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og);

-жидкость (бром Br2) ,

-твердые вещества (йод I2, углерод C, кремний Si, сера S, фосфор P и др.).

В кристаллической решетке неметаллов, как правило, нет

свободных электронов. В связи с этим твердые веществанеметаллы в отличие от металлов плохо проводят тепло и электричество, не обладают пластичностью.

Неметаллы по сравнению с металлами обладают более широким спектром цветов: красный – у фосфора, бурый – у брома, желтый – у серы, желто-зеленый – у хлора, фиолетовый – у паров йода и т. д.

Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные– немолекулярное строение (рис. 9). Атомная решетка придает веществам твердость и повышает температуру плавления, молекулярная решетка – летучесть и небольшую твердость. Неметаллам в большой степени, чем металлам, характерно явление аллотропии – существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам– так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

97

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества(аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллическойре шётке (аллотропия формы). Например, кислород имеет две аллотропные модификации: О2 – кислород и О3 – озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден. Фосфор имеет 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, диэлектрик, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется, черный фосфор химически инертен, хорошо проводит электрический ток.

Простые вещества - неметаллы

Рис. 9. Состав и свойства простых веществ – неметаллов

Характерной особенностью неметаллов является то, что у них во внешнем электронном слое содержится четыре и более электронов, которые прочно связаны с ядром. Это определяет большую способность металлов к присоединению дополнитель-

98

ных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Наиболее сильные окислительные свойства, проявляют неметаллы, находящиеся во 2-м и 3-м периодах VI-VII групп. У атома фтора свободных орбиталей нет. Поэтому атомы фтора могут проявлять только степень окисления -1. Самым сильным окислителем является фтор. В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может идти тремя разными путями: может проявлять степень окисления +3 (например, в хлористой кислотеHClO2); степень окисления хлора +5 (в хлорноватой кислотеHClO3) и степень окисления +7 (в хлорной кислоте HClO4).

Контрольные задания

1.Расположите неметаллы в порядке возрастания их окислительных свойств.

2.Приведите примеры аллотропных модификаций углерода, серы и бора.

3.Составьте электронные формулы простых веществ - неметаллов, расположенных во 2-ом периоде.

Контрольные вопросы

1.Где в периодической системе элементов . ДИ. Менделеева расположены неметаллы?

2.Почему инертные газы стали включать в список неме-

таллов?

3. В каких агрегатных состояниях существуют неметаллы?

4.Что такое явление аллотропии?

5.Чем обусловлены окислительные свойства неметаллов?

99

4.4. Химические свойства неметаллов

Химические элементы-неметаллы могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от химического превращения, в котором они принимают участие.

Атомы самого электроотрицательного элемента– фтора – не способны отдавать электроны, он всегда проявляет только окислительные свойства, другие элементы могут проявлять и восстановительные свойства, хотя намного в меньшей степени, чем металлы. Наиболее сильными окислителями являются фтор, кислород и хлор, преимущественно восстановительные свойства проявляют водород, бор, углерод, кремний, фосфор, мышьяк и теллур. Промежуточные окислительно-восстановительные свойства имеют азот, сера, йод.

При взаимодействии с металлами неметаллы проявляют окислительные свойства и при этом образуются оксиды, пероксиды, нитриды, гидриды, соли бескислородных кислот:

В реакциях неметаллов между собой более электроотрицательный неметалл проявляет свойства окислителя, менее электроотрицательный - свойства восстановителя:

S + 3F2 = SF6; C + 2Cl2 = CCl4.

При взаимодействии с водородом большинство неметаллов проявляют окислительные свойства, образуя летучие водородные соединения – ковалентные гидриды:

3H2 + N2 = 2NH3; H2 + Br2 = 2HBr.

Следует помнить, что такие неметаллы как кремний, фосфор, бор с водородом непосредственно не реагируют.

Взаимодействуя с кислородом все неметаллы, кроме фтора, проявляют восстановительные свойства:

S + O2 = SO2; 4P + 5O2 = 2P2O5.

В реакциях с кислородом фтор является окислителем, а кислород – восстановителем: 2F2 + O2 = 2F2O.

Неметаллы реагируют со сложными веществами, например, с водой в обычных условиях взаимодействуют только галогены:

2F2 + 2Н2O = 4HF + O2.

100