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

При взаимодействии с водой оксид кальция образует гидроксид кальция:

CaO + H2O = Ca(OH)2.

В результате реакции с кислотой гидроксид кальция превращается в соль – сульфат кальция:

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O.

Эти превращения можно представить схемой: Ca → 2CaO → Ca(OH)2 → CaSO4.

Тот же продукт можно получить исходя из неметалла, например серы:

S → SO3 → H2SO4 → CaSO4.

При сгорании серы на воздухе или в кислороде образуется оксид серы (IV) SO2: S + O2 = SO2, который при нагревании в присутствии катализатора присоединяет кислорода воздуха и образуется оксид серы (VI) SO3: 2SO2 + O2 = SO3.

При взаимодействии оксида серы(VI) с водой образуется серная кислота:

SO3 + H2O = H2SO4.

В результате реакции серной кислоты, например с оксидом кальция, образуется соль – сульфат кальция:

H2SO4 + CaO = CaSO4 + H2O.

Возможен и обратный переход – от соли к другим классам неорганических соединений и простым веществам. При взаимодействии сульфата меди со щелочью, например, гидроксидом калия, образуется гидроксид меди (II):

CuSO4 + 2KOH = K2SO4 + Cu(OH)2.

C помощью реакции разложения Cu(OH)2 можно перейти к оксиду меди (II): t

Cu(OH)2 = CuO + H2O.

Из гидроксида меди (II) посредством восстановления водородом при нагревании можно получить простое вещество медь:

t

CuO + H2 = Сu + H2O.

Эти превращения можно представить схемой: CuSO4 → Cu(OH)2 → CuO → Cu.

81

Подобная связь между простыми веществами, оксидами, основаниями, кислотами и солями, основанная на получении веществ одного класса из веществ другого класса, называется генетической. Зная генетическую связь, можно не только превращать одни вещества в другие, но и вновь получать исходные вещества

(рис. 7).

Однако следует иметь в виду, что часто получение веществ осуществляется не прямым, а косвенным путем. Например, гидроксид меди (II) нельзя получить взаимодействием оксида меди (II) с водой. В этом случае взаимодействие отсутствует. Тогда применяют косвенный способ: на оксид меди (II) действуют кислотой и получают соль:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,

а из сульфата меди (II) действием щелочи получают гидроксид меди (II):

CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4.

Взаимная связь между соединениями и их превращениями свидетельствует о единстве элементного состава веществ.

82

Контрольные задания

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

а) K → KOH → KHCO3 → K2CO3 → K2SO4 → KCl → K;

б) Fe → Fe2O3 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe(OH)2NO3 → Fe(NO3)3;

в) Bi → BiCl3 → Bi(OH)3 → KBiO2 → BiCl3 → BiOHCl2 → Bi(OH)2Cl → Bi(OH)3 → Bi2O3;

г) Mg → MgO → MgSO4 → Mg(OH)2 → (MgOH)2SO4 → MgSO4 → Mg(HSO4)2 → MgSO4;

д) Be ® BeO ® BeSO4 ® Be(OH)2 ® K2BeO2;

е) MnO ® Mn(NO2)2 ® Mn(OH)2 ® MnSO3 ® MnCI2; ж) HgO ® Hg(NO3)2 ® Al(NO3)3 ® Al(OH)3 ® CuCI3; з) Al ® Al2O3 ® NaAIO2 ® AICI3 ® AI(OH)3;

и) Са ®СаО ® СаСO3 ® Са(НСO3)2 ® Са3(РO4)2.

2.Какие из следующих веществ взаимодействуют между собой: оксид меди (II), сернистая кислота, гидроксид стронция, оксид серы (IV), гидроксид натрия, сульфат железа (III)? Напишите уравнения реакций.

3.Напишите уравнения реакций получения: сульфата ка-

лия, оксида углерода (IV), гидроксида натрия, серной кислоты различными способами.

Контрольные вопросы

1.Какая связь между классами неорганических соединений называется генетической?

2.С веществами каких классов взаимодействуют металлы и неметаллы?

3.Какие существуют пути взаимных переходов между классами неорганических соединений?

4.В каких случаях применяются косвенные пути получения веществ?

5.При взаимодействии соединений каких классов образуются соли?

83

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1. Расставьте коэффициенты и определите тип реакции:

формулы: N2O3, Ag2O, Mn3O4, SiO2, CO.

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

а) Ag → Ag2O → AgOH → AgH2PO4 → Ag3PO4; б) FeCl3 → Fe(OH)3 → Fe2O3 → Fe2(SO4)3;

в) P ®P2O5 ®H3PO4 ®Na2HPO4 ®Na3PO4 ® Ca3(PO4)2; г) Be ® BeO ® BeSO4 ® Be(OH)2 ® K2BeO2;

д) Bi → BiCl3 → Bi(OH)3 → KBiO2 → BiCl3 → BiOHCl2 → Bi(OH)2Cl → Bi(OH)3 → Bi2O3.

6.Назовите следующие соли и дайте их графические фор-

мулы: Na2SiO3, Mg(ClO4)2, Al(HSO4)3, CaHAsO4, ZnOHCl, K3[Fe(CN)6].

7.Составьте уравнения следующих реакций: оксид серы (VI) + оксид железа (III); оксид кремния (IV) + гидроксид калия;

оксид азота (V) + оксид цинка; гидроксид алюминия + азотная кислота; гидроксид меди (II) + хлорная кислота; цезий + вода.

8.Напишите уравнения реакция получения всех возможных

солей: H2S + Al(OH)3; H2CO3 + NaOH; H2SiO3 + Ca(OH)2; H2Cr2O7 + Zn(OH)2.

9.Напишите уравнения реакций получения: гидроксида марганца (II), гидроксида железа (III),

84

6.Определите реакцию, в результате которой водород не выделяется:

9. Какая формула соответствует гидрофосфату кальция?

85

ГЛАВА 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ

4.1. Физические свойства металлов

(кроме элементов побочных подгрупп), а в левой части – металлы. Элементы, расположенные вблизи диагонали, – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером и могут проявлять свойства и металлов, и неметаллов.

Металлы подразделяют на следующие группы (семейства):

-щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr);

-щелочно-земельные (Ca, Sr, Ba, Ra, кроме Be и Mg, которые находятся вне определённых групп );

-переходные (элементы побочных подгрупп - Sc, Ti, Fe, Cu, Zn, Ag, La, Pt, Au, Hg, Ac, Sg, Hs, Mt, Ds и т. д.);

-постпереходные (легкие – Al, Ga, Sn и тяжелые – Pb, Hg,Cu).

-тугоплавкие (Mo, W);

-цветные (Cu, Ti, Mg и др);

-благородные (Au, Ag и др.).

У атомов металлов во внешнем слое, как правило, содержится меньше четырех электронов, и они слабо связаны с ядром, т. к. в периодах атомные радиусы у металлов больше, чем у неметаллов. Атомы металлов при химических реакциях теряют валентные электроны. Для сравнения металлических свойств элементов применяется специальная величина– энергия ионизации – это количество энергии необходимое для отрыва наиболее связанного электрона от атома. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к. увеличивается радиус атомов. Это приводит к уменьшению энергии ионизации элементов и усилению способности -от

86

давать электроны другим атомам в химических реакциях. Атомы металлов, легко отдающие электроны, в химических реакциях выступают в качестве восстановителей, лучшими из которых – являются металлы I и II групп главных подгрупп.

Атомы металлов связаны между собой металлической связью, обусловленной наличием относительно свободных электронов. Атомы металла, отдающие электронов, превращаются в положительные ионы, которые стремятся снова притянуть к себе свободно движущиеся электроны. Одновременно другие атомы металла также отдают электроны. В результате, внутри металла постоянно циркулирует так называемый электронный газ, который прочно связывает между собой все атомы металла. Электроны становятся как бы обобществленными одновременно всеми атомами металла (рис. 8).

Атом

металла

Катион

металла

Электрон

Рис. 8. Металлическая связь

Металлы обладают рядом сходных физических свойств, отличающих их от неметаллов. Чем больше валентных электронов имеет металл, тем прочнее металлическая связь, тем прочнее кристаллическая решетка, тем прочнее и тверже металл, тем выше его температура плавления и кипения и т. д.

Все металлы, кроме ртути, при обычной температуре являются твердыми веществами белого (алюминий, серебро, никель),

87

серого (железо, свинец), желтого (золото) или красного (медь) цвета. По цвету металлы условно делят на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы. Все остальные металлы называются цветными.

Металлы обладают более или менее ярко выраженным блеском, который принято называть металлическим. Это связано с хорошей способностью поверхности металлов отражать .свет Очень хорошо отражают свет индий и серебро, которые широко применяются в производстве зеркал и рефлекторов.

Металлы имеют различные температуры плавления. Металлы, имеющие температуру плавления меньше 1000 оС, называются легкоплавкими, выше 1000 оС – тугоплавкими. Самую низкую температуру плавления имеет ртуть(-39 оС) – самый легкоплавкий металл. Самый тугоплавкий металл– вольфрам (3410 оС). Различия в температурах плавления металлов объясняется разной прочностью металлической связи, которая возрастает с ростом числа валентных электронов, участвующих в ее образовании.

Металлы обладают различной твердостью, которую сопоставляют с твердостью алмаза. Наиболее твердым металлом является хром, которым можно резать стекло. Мягкие металлы – натрий, калий – легко режутся ножом.

Для металлов характерна высокая пластичность– это способность тела изменять форму без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Самый пластичный металл – золото, из которого можно получить фольгу толщиной 0,005 – 0,0001 мм.

Высокая пластичность металлов обусловлена особенностями строения кристаллической решетки. Воздействием внешних факторов вызывает смещение слоев атомов и катионов кристаллической решетки, но благодаря большой свободы электронов и перемещения их по всему кристаллу не происходит разрыв -ме таллической связи.

По плотности металлы разделяются на тяжелые и легкие. Тяжелыми считают металлы, плотность которых больше 5 г/см3. Самым тяжелым металлом является осмий(плотность 22,6 г/см3), самым легким – литий (плотность 0,5 г/см3). Большое применение в промышленности получили легкие металлы магний и алюминий.

88

Металлы характеризуются высокой электро- и теплопроводностью. Наибольшую электро- и теплопроводность имеют следующие металлы: Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

Металлы проявляют магнитные свойства. Если при соприкосновении с магнитом металл притягивается к нему и после этого сам становится магнитом, то мы говорим, что металл намагничивается. Хорошо намагничиваются железо, кобальт, никель и их сплавы. Такие металлы и сплавы называют ферромагнитными.

Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминия – 8,2 %; железа – 4,1 %; кальция – 4,1 %; натрия – 2,3 %;

магния – 2,3 %; калия – 2,1 %; титана – 0,56 %.

Большое количество натрия и магния содержится в мор-

ской воде: – 1,05 %, – 0,12 %.

В природе металлы встречаются в различном виде:

-в самородном состоянии: серебро, золото, платина, медь, иногда ртуть;

-оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2О3 и смешанных

оксидов: алунит (Na,K)2O·АlО3∙2SiO2, каолин

Аl2O3·2SiO2·2Н2О;

- солей: сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS; хлоридов: сильвин КС1, галит NaCl, сильвинит КСl∙NаСl, карналлит КСl·МgСl2∙6Н2О; сульфатов: барит ВаSO4, ангидрид Са8О4; фосфатов: апатит Са3(РО4)2; карбонатов: мел, мрамор СаСО3, магнезит МgСО3.

Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий – в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал – в оловянные. Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

Контрольные задания

1. Укажите к каким семействам (s-, p-, d-, f-) элементам относятся следующие металлы: серебро, калий, олово, ртуть, алюминий, кремний, кальций, титан, молибден, индий, лантан, серий, торий, свинец, висмут, железо, платина, европий, магний.

89

2.Определите массовые доли всех металлов, входящих в состав следующих веществ: магнетита, гематита, алунита, каолина, апатита.

3.Укажите к каким группам относятся следующие металлы: литий, бериллий, галлий, олово, золото, резерфордий, барий, актиний, дубний, кремний, медь, платина, уран, самарий.

Контрольные вопросы

1.Какой тип химической связи обусловливает существование устойчивой кристаллической структуры металлов?

2.Где располагаются металлы в периодической системе?

3. Как классифицируют металлы?

4.Почему металлы хорошо проводят теплоту и электрический ток?

5.Чем обусловлена высокая пластичность металлов?

4.2. Химические свойства металлов

Химические свойства металлов обусловлены способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и превращаться в положительно заряженные ионы – катионы. Чем легче атомы металла отдают валентные электроны в химических реакциях, тем активнее металл. Степень восстановительной активности металлов отражает электрохимический ряд напряжений(табл. 6). Восстановительная активность металлов в растворах зависит от положения металла в ряду напряжений или от величины электродного -по тенциала металла. Чем меньшей величиной электродного потенциала обладает данный металл, тем более активным восстановителем он является.

Все металлы можно разделить на три группы:

первая группа: активные металлы – от начала ряда напряжений, т.е. от лития до магния;

вторая группа: металлы средней активности от магния до водорода;

третья группа: малоактивные металлы– от водорода до конца ряда напряжений, т. е. до золота.

90