Химия. В 2 частях. Ч.II. Учебное пособие

4. Металлы

дорода. Значит, с такими кислотами будут взаимодействовать металлы, стоящие в ряду напряжения до водорода. Обязательным условием является то, что образующиеся соли должны быть хорошо растворимы (подобные реакции мы рассматривали в этом модуле в разделе 3.3 «Кислоты»):

Mg + 2НС1 → MgCl2 + Н2

Mg° + 2H+ → Mg2+ + H2

Pb + H2SO4(разбавленная) → PbSO4↓ + H2↑ – такая реакция будет возможна, если из системы будет удаляться плохо растворимая соль сульфа-

та свинца.

3. С кислотами-окислителями

C кислотами-окислителями (HNO3 и H2SO4 концентрированная) реагируют почти все металлы, в том числе стоящие в ряду напряжений после водорода, кроме золота, платины и некоторых других. При этом глубина восстановления металла зависит не только от концентрации кислоты, но и от активности металла (подобные реакции мы рассматривали в разделе 3.3 «Кислоты»):

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2↑+ 2H2O

3Zn + 4H2SO4 → 3ZnSO4 + S↓ + 4H2O

Cu + 4HNO3(разб.) → Cu (NO3)2 + NO↑ + 2H2O 5Mg + 12HNO3(разб.) → 5Mg(NO3)2 + N2↑ + 6H2O

4Mg + 10HNO3(оч. разб.) → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O Cu + 4HNO3(конц.) → Cu (NO3)2 + NO2↑ + 2H2O

5Mg + 12HNO3(конц.) → 5Mg(NO3)2 + NO↑ + 6H2O

На окисление золота и платины у азотной кислоты «силы не хватает», эти металлы переводятся в раствор более сильным окислителем – царской водкой (смесь азотной и хлороводородной кислот).

Au + HNO3 + 3HCl → AuCl3 + NO + 2H2O

4. Со щелочами

Металлы, которым соответствуют амфотерные гидроксиды (Al(OH)3, Cr(OH)3, Be(OH)2, Zn(OH)2 ), могут взаимодействовать с растворами щелочей:

91

Модуль IV. Неорганическая химия

2Al + 2NaOН + 10H2O → 2Na[Al(OH)4 (H2O)2] + 3H2↑

Zn + 2NaOН + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑

2Cr + 4NaOH + 3O2 (t) → 2Na2CrO4 + 2H2O

5. Реакция замещения металла с солями

Для того чтобы данные окислительно-восстановительные реакции протекали, необходимо учитывать расположение металлов в ряду напряжения металлов. Более активный металл, т. е. имеющий более отрицательный электродный потенциал, может вытеснять (восстанавливает) менее активный металл:

Zn + FeSO4 → ZnSO4 + Fe↓

Вопросы и упражнения

1.Почему металлы хорошо проводят электрический ток?

2.Какие металлы называют переходными?

3.Какой из металлов относится к щелочным: Mg, Al, Fe, K, Cu?

4.У какого металла сильнее выражены восстановительные свойства:

а) Fe, б) Na, в) Mg?

5.Что такое гидрометаллургия?

6.Укакогоизметаллов наиболее ярковыражены металлические свойства:

а) Be, б) Ca, в) Mg, г) Sr?

7.Какие из металлов наиболее энергично взаимодействуют с водой?

8.Какой тип химической связи в сплаве под названием бронза?

9.Почему некоторые металлы в природе встречаются только в виде соединений?

10.Какие металлы взаимодействуют со щелочами? Приведите уравнения реакций.

5. Неметаллы

Как уже было сказано ранее, к неметаллам относят элементы главных подгрупп левого верхнего угла, при проведении диагонали от бора до астата (так называемая граница Цинтля). Элементы, которые располагаются

92

5.Неметаллы

вVA группе, называют пниктогены, в VIA группе – халькогены, в VIIA группе – галогены.

5.1.Физические свойства

Агрегатное состояние простых веществ неметаллов очень разнообразно: есть газообразные вещества – это Н2, N2, О2, F2, Cl2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, жидкость – Br2, твердые вещества – I2, C, Si, B. Практически все неметаллы окрашены, в отличие от металлов: фтор – оранжево-желтый, хлор – зеленовато-желтый, бром – кирпично-красный, йод – фиолетовый, сера – желтая, фосфор может быть белым, красным и черным, а жидкий кислород – голубой.

Неметаллы плохо проводят тепло и практически не проводят электричество. В кристаллическом состоянии неметаллы хрупкие и непластичные, у большинства нет металлического блеска.

По сравнению с металлами, у неметаллов физические свойства очень разнообразны, что связано с их строением и разным типом кристаллических решеток в твердом состоянии.

5.2.Строение простых веществ неметаллов

Впростых веществах неметаллах связь является ковалентной неполярной, возникает она по обменному механизму. По большей части неметаллы

представляют собой молекулярные вещества (O2, N2, Cl2 и т. д.), но есть и немолекулярные вещества, так называемые полимеры (C, Si, B).

Увеществ с немолекулярным строением атомные кристаллические решетки, поэтому они обладают большой твердостью и очень высокими температурами плавления. Неметаллы с молекулярным строением в твердом состоянии имеют молекулярные кристаллические решетки. При обычных условиях это газы, жидкости или твердые вещества с низкими температурами плавления.

Неметаллы могут существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе, данное явление называют полиморфизмом. Известны несколько полиморфных форм углерода – это графит, алмаз, карбин,

93

Модуль IV. Неорганическая химия

есть и другие формы. Например: сера встречается в двух кристаллических модификациях – ромбической и моноклинной, фосфор существует в белой, красной, черной и других полиморфных формах. Такие формы называются полиморфными модификациями. Полиморфизм простых веществ принято называть аллотропией, но понятие «полиморфизм» не относят к некристаллическим аллотропным формам (таким, как газообразные О2 и О3).

5.3. Нахождение в природе

Неметаллы в природе находятся как в виде простых веществ, так и в составе различных соединений. В несвязанном виде существуют неактивные неметаллы, такие как азот, кислород, водород, благородные газы, сера, углерод. Активные неметаллы образуют различные соединения, чаще всего солихлориды, сульфаты, бораты, фосфатыит. д. Втакомвидеониприсутствуют в воде, минералах, горных породах.

5.4.Получение неметаллов

1.В природе неметаллы встречаются в самородном состоянии, напри-

мер: O2, N2, C, S, Si.

2. Кислород, азот и аргон в промышленности получают из воздуха. Поскольку воздушная смесь состоит примерно из 78 % N2, 21 % O2, 0,93 % Ar и других газов, то главной задачей является разделение воздуха на кислород и азот; кроме того, попутно отделяют аргон. Для того чтобы разделить воздушную смесь газов, ее охлаждают до жидкого состояния. Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип. О2 = –182,97 °С,

Ткип. N2 = –195,8 °С (при760 мм рт. ст.). Припостепенном повышении температурыжидкостьпереходитвгазообразное состояние. Впервуюочередь

в газовую фазу будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения, и по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией.

94

5.Неметаллы

3.Поскольку большинство неметаллов вприроде находятся всвязанном состоянии, то способы их получения связаны с проведением окислительновосстановительных реакций.

● Термическое разложение сложных веществ:

C12H22O11 → 12C + 11H2O 2KClO3 → 3O2↑ + 2KCl

NH4Cl + NaNO2 → N2 + 2H2O + NaCl

(NH4)2Cr2O7 → N2 + 4H2O + Cr2O3

● Если неметалл в соединении находится в отрицательной степени окисления, то для его получения необходимо использовать окислитель:

4NH3 + 3O2 (+катализатор)→ 2N2 + 6H2O

2H2S + O2 → 2S + 2H2O

2KI + MnO2 + 2H2SO4 → I2 + K2SO4 + MnSO4 + 2H2O 10HCl + 2KMnO4 → 2Cl2 + 2KCl + 2MnCl2 + 8H2O

2KBr + MnO2 + 2H2SO4 → Br2 + MnSO4 + K2SO4 + 2H2O

● Если неметалл в соединении находится в положительной степени окисления, то для его получения необходимо действовать восстановителем:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

CH4 + H2O → 3H2 + CO

Na2SO3 + 2H2S + H2SO4 → 3S + Na2SO4 + 3H2O

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C → 2P + 3CaSiO3 + 5CO

2KClO3 + I2 → Cl2 + 2KIO3

● Окислительно-восстановительные реакции можно проводить при пропускании электрического тока через раствор или расплав (этот процесс называется электролизом):

2NaCl(расплав) → Сl2 + 2Na 2NaCl + 2H2O → Сl2 + H2 + 2NaOH

95

Модуль IV. Неорганическая химия

5.5. Химические свойства

Большое число электронов на внешнем энергетическом уровне у атомов неметаллов и высокая электроотрицательность определяет их склонность к присоединению электронов и проявлению окислительной активности. Именно по этой причине в реакциях неметаллы чаще всего выступают в роли окислителей.

I. Взаимодействие с простыми веществами

1. С металлами:

O2 + 2Ca → 2CaO

N2 + 6Li → 2Li3N

S + Fe → FeS

Cl2 + 2Na → 2NaCl 3I2 + 2Al → 2AlI3

Si + 2Mg → Mg2Si

2. C неметаллами:

O2 + C→ CO2

5O2 + 4P → 2P2O5

O2 + S → SO2

H2 + S → H2S

3H2 + N2 → 2NH3

Si + 2Cl2 → SiCl4

II. Взаимодействие со сложными веществами

1. С водой при обычных условиях реагируют только галогены: 2F2 + 2H2O → 4HF + O2

Cl2 + H2O ↔ HCl + HOCl

3I2 + 3H2O ↔ 5HI + HIO3

Углерод реагирует с водяным паром при температуре выше 900 °С: C + H2O → CO + H2

96

5. Неметаллы

2. Со щелочами:

Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaOCl + H2O 5Cl2 + 12KOH (t) → 10KCl + 2KClO3 + 6H2O 3S + 6NaOH (t) → 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O 4Р + 3NaOH + 3H2O (t) → 3NaH2PO2 + PH3

Si + 2NaOH + 2H2O (t) → Na2[H2SiO4] + 2H2

3. С кислотами:

S + H2SO4(конц.) (t) → SO2 + H2O

S + HNO3(конц.) (t) → H2SO4 + NO2 + H2O

P + HNO3(конц.) (t) → H3PO4 + NO2 + H2O

С + H2SO4(конц.) (t) → SO2 + CO2 + H2O

3Si + 4HNO3(конц.) + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O 4. С другими сложными веществами:

3С + Fe2O3 → 3CO + Fe

S + 2KNO3 (t) → 2KNO2 + SO2 С + 2KNO3 (t) → 2KNO2 + СO2 О2 + 2NO → 2NО2

4Р + 10NO (t) → 5N2 + 2Р2О5 S + 2NO (t) → N2 + SO2

Вопросы и упражнения

1.Какой тип химической связи в простых веществах неметаллов?

2.Сколько неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме фосфора?

3.Какую кристаллическую решетку имеют в твердом состоянии галогены?

4.Определите высшую и низшую степень окисления серы.

97

Модуль IV. Неорганическая химия

5.У какого из простых веществ неметаллические свойства выражены наиболее ярко:

а) сера, б) фосфор, в) хлор, г) углерод?

6.Какой элемент – неметалл является самым распространенным на Земле?

7.В чем заключается отличие таких понятий, как аллотропия и полиморфизм?

8.Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне содержат пниктогены?

9.В каком виде галогены существуют в природе? Почему?

10.Какой класс соединений образуется при взаимодействии с металлами халькогены?

6. Водородные соединения неметаллов

Общие формулы водородных соединений неметаллов по группам Периодической системы химических элементов приведены в табл. 7.

98

6.Водородные соединения неметаллов

6.1.Строение водородных соединений неметаллов

Все водородные соединения неметаллов – молекулярные вещества. Простейшие молекулы содержат один центральный атом и число атомов водорода, определяемое правилом 8 – n: n – номер группы элемента неметалла в Периодической системе: HCl, H2S, PH3. У бора такой простой формы нет, есть более сложные формы: B2H6 – диборан, B4H10 – тетраборан. У некоторых других элементов также помимо простых форм есть более сложные: N2H4 – гидразин, Si2H6 – дисилан, многочисленные углеводо-

роды, например: C2H6 – этан, C6H6 – бензол и др.

Связь водорода с центральным атомом – ковалентная полярная, при этом общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому: H :Cl. Как правило, водород слабее удерживает свой электрон и приобретает положительный заряд, а вот в силанах и боранах – наоборот.

6.2. Физические свойства

Соединения неметаллов с водородом являются легколетучими веществами. В обычных условиях это газы или летучие жидкости. Аномально высокими температурами плавления и кипения обладают те водородные соединения, в которых имеет место водородная связь (HF, NH3, H2O). При движении сверху вниз по Периодической системе температуры плавления водородных соединений неметаллов в целом увеличиваются из-за увеличения размеров молекул и более плотного их контакта друг с другом.

Водородные соединения не окрашены, но практически все имеют резкие специфические запахи.

6.3.Получение водородных соединений неметаллов

Вприроде встречаются такие соединения, как углеводороды CH4, H2S, NH3. Большинство же водородных соединений можно получить прямым взаимодействием водорода и соответствующего неметалла:

C + 2H2 → CH4

N2 + 3H2 → 2NH3

99

Модуль IV. Неорганическая химия

O2 + 2H2 → 2H2O

Cl2 + H2 → 2HCl

I2 + H2 → 2HI

Прямымпутемнельзяполучитьсилан, фосфин, бораныпопричиненизкой устойчивости продуктов. Их получают только косвенным путем:

MgB2 + НCl → MgCl2 + B + смесь боранов (B2H6, B4H10 и др.) PCl3 + 3LiH → PH3 + 3LiCl

Mg2Si + 2H2SO4(разб.) → SiH4 + 2MgSO4

6.4.Химические свойства

1.Кислотно-основные свойства

В периодах слева направо кислотные свойства водородных соединений неметалловвводныхрастворахусиливаются. Пояснимэтонапримерефтороводорода: ионы кислорода имеют 2 неподеленные электронные пары, а ионыводородавсоставеHF – свободнуюорбиталь(из-завысокойразности в электроотрицательности атомов), между молекулами образуется связь по донорно-акцепторному механизму:

H(÷)O(÷)H + HF → H3O+ + F–

Как можно видеть, в растворе появляются гидратированные ионы водорода (H3O+), которые и создают кислую среду в растворе.

При растворении аммиака в воде происходит противоположный процесс. Для того чтобы понять, почему так происходит, необходимо сравнить полярности связей кислород – водород и азот – водород. Оказывается, что связь азот – водород менее полярная (из-за меньшей разности в электроотрицательности атомов), а значит, и вероятность ее разрыва меньше. А так как ионы азота имеют неподеленную электронную пару, а ионы водорода – свободную орбиталь, возникает дополнительная связь и образуются ионыаммонияNH4+ игидроксид-ионыОН–, которыеотвечаютзаосновные свойства соединения:

HOH + (÷)NH3 →NH4+ + OH–

Рассмотрим, как изменяются кислотные свойства водородных соединений неметаллов в подгруппах сверху вниз по Периодической системе на

100