Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники

(Технический университет)

Т.И. Хаханина, Н.Г. Никитина, В.И. Гребенькова, Шутова Р.Ф.

Лабораторный практикум по курсу

"Неорганическая химия"

Утверждено редакционно-издательским советом института

Москва 2007

УДК 546(076.1)

Хаханина Т.И., Никитина Н.Г., Гребенькова В.И., Шутова Р.Ф.

Лабораторный практикум по курсу "Неорганическая химия".-

М.: МИЭТ, 2007.

Приведены лабораторные работы по курсу "Неорганическая химия", дополненные примерами применения химических процессов как в микроэлектронике, так и для оценки экологической обстановки окружающей среды. Лабораторный практикум рекомендуется студентам факультета ЭТМО, специализирующихся в области «Инженерная защита окружающей среды», а также в области материалов и технологических процессов микроэлектроники.

Никитина Нина Георгиевна,

Гребенькова Валентина Иосифовна,

Хаханина Татьяна Ивановна,

Шутова Раиса Фроловна.

Лабораторный практикум по курсу

"Неорганическая химия"

©МИЭТ, 2007

1. Элементы viia подгруппы

Фтор, хлор, бром, йод, астат составляют VПА подгруппу, имеют конфигурацию внешнего уровня ns²p⁵ Астат получают искусственным путем, радиоактивен, период полураспада = 8,3 часа, поэтому он изучен недостаточно. Фтор проявляет единственную степень окисления — 1, остальные элементы могут распаривать свои электроны в пустыеd-ячейки и проявлять дополнительно степени окисления +1, +3, +5, +7.

При обычных условиях молекулы галогенов двухатомны и существуют в виде Г₂ (в отличие от элементов VIIB подгруппы).

Растворимость галогенов в различных растворителях может быть хорошей иллюстрацией правила "подобное растворяется в подобном". Неполярные молекулы галогенов плохо растворяются в воде и хорошо - в неполярных органических растворителях (бензоле, толуоле, СС1 и др.). Способность хорошо растворяться в органических растворителях используют для извлечения галогенов из водных растворов методом экстракции.

Химическая активность галогенов от фтора к йоду уменьшается. Так, фтор реагирует практически со всеми элементами при комнатной температуре (даже с золотом и платиной), для хлора некоторые реакций идут лишь при нагревании, для брома температура реакции должна быть еще выше, йод даже при сильном нагревании реагирует с ограниченным количеством элементов.

Взаимодействие наиболее активных фтора и хлора с простыми и сложными веществами может быть представлено схемой:

Галогены - хорошие окислители. Уменьшение окислительной способности от фтора к иоду видно из окислительных потенциалов:

Значением окислительных потенциалов и различным сродством к электрону объясняется вытеснение одних галогенов другими из их соединений:

F2	вытесняет	Cl-	Br-	I-
Cl2	вытесняет	-	Br-	I-
Br2	вытесняет	-	-	I-
I2	вытесняет	-	-	-

Например,

Cl₂ + 2KI = I₂ + 2КСl, но I₂ + КСl ≠ (реакция не идет).

Для быстрого связывания галогенов применяют тиосульфат натрия Na₂S₂O₃:

Na₂S₂O₃ + Cl₂ + Н₂О = Na₂SO₄ + S+ 2НСl,

с йодом образуется тетратионат натрия Na₂S₄O₆:

2 Na₂S₂O₃ + I₂ = Na₂S₄O₆ + 2NaI.

Галогеноводороды НГ хорошо растворяются в воде, водные растворы - сильные кислоты (кроме HF). Степень диссоциации а для 0,1 н. растворов составляет:

НГ	HF	HCl	HBr	HI
α, %	8	92,6	93,5	95

Плавиковая кислота относится к кислотам средней силы, так как в водном растворе ионы водорода частично связаны в ионы HF₂^-, Но HF- прекрасный комплексообразующий реагент, он входит в состав многих травителей для металлов и полупроводников, стекла, кремния и др. Ион F не бывает восстановителем; ион СГ может быть восстановителем лишь в концентрированных растворах соляной кислоты (NaCl не является восстановителем), а от Br к Г восстановительная способность возрастает; KI - один из наиболее распространенных восстановителей.

В кислородных соединениях все галогены проявляют положительные степени окисления, кроме фтора. Так, хлор может проявлять положительные степени окисления +1, +3, +5, +7 (табл.l. 1).

Таблица 1.1

Кислородные соединения хлора

Степень окисления	Кислоты	Соли
+1	НСlO хлорноватистая	Гипохлориты
+3	НСlO2 хлористая	Хлориты
+5	НСlO3 хлорноватая	Хлораты
+7	НСlO4 хлорная	Перхлораты

Для брома и йода степень окисления +7 не характерна, для них наиболее устойчива степень окисления +5:

3I₂+ 10HNO₃ = 6НIO₃ + 10NO+ 2Н₂О

I₂ + 5Сl₂ + 6Н₂О = 2НIO₃ + 10НСl.

Многие соли кислородных кислот хлора обладают окислительно-восстановительной двойственностью, являются составными компонентами многих травителей полупроводников. Наибольшее применение находят гипохлориты и хлораты.

Гипохлориты получают взаимодействием хлора с холодными щелочами:

Двойственную природу гипохлоритов (С⁺¹) можно представить схемой:

NaClO+ MnSO₄+ Н₂О = NaCl + МnО₂ + Н₂SO₄

окислитель

3KClO + 4KMnO₄+ 2Н₂О = 3KClO₃ + 4МnО₂ + 4КОН

восстановитель

Хлораты получают пропусканием газообразного хлора в нагретые до 60 - 70ºС растворы щелочей:

ЗCl₂ + 6KOH = КСIО₃ + 5КСl + 3Н₂О

Хлораты менее сильные окислители, чем гипохлориты, и тоже проявляют двойственность:

Для них, как и для гипохлоритов, характерна реакция диспропорциони-рования:

4КСlО₃ = 3КСlO₄ + KCI

Реакция протекает при умеренном нагревании. При сильном нагревании образующийся перхлорат разлагается с выделением кислорода:

КСlO₄ КСl + 2O₂

Из кислородных соединений брома и йода наибольшее применение в качестве окислителей находят бромат и йодат калия. Они обладают меньшей окислительной способностью, чем хлораты:

КIО₃+ 5КI+ 3Н₂SO₄ = 3I₂+ 3К₂SO₄ + ЗН₂О

Галогены и их соединения находят самое разнообразное применение.

Из фтора получают фторопроизводные углеводородов с уникальными свойствами, например, тефлон, обладающий исключительной стойкостью к различным химическим реагентам, фреоны - охлаждающие жидкости. Жидкий фтор используется как один из самых эффективных окислителей в ракетном топливе. Для этих же целей применяются перхлораты аммония и калия (NH₄ClO₄, КСlO₄).

В микроэлектронике свободные галогены и их соединения находят широкое применение в качестве компонентов травителей полупроводников, в процессах фотолитографии (Сl₂, Вг₂, HF, НСl, HBr, HIO₃, HClO, НСlO₄ и др.).

Легколетучие соединения (PCl₃, РСl₅, ВСl₃ и др.) используются в качестве диффузантов для получения полупроводников простого и сложного составов заданного типа проводимости.