onch_posobie

Окончание табл. 22.3

Основные способы получения металлов

Извлечение металлов определяется формой нахождения в природе d- элементов I и II групп.

Получение металлов основано на предварительном обогащении природных руд и дальнейшем выделении металлов одним из трех способов:

1) пирометаллургия – выплавка металлов при высоких температурах. Основная реакция пирометаллургических процессов заключается либо в непосредственном восстановлении:

Cu2O + C =2Cu + CO,

2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2, HgS + O2 =Hg + SO2,

либо в предварительном окислении сульфидных руд и дальнейшем восстановлении в отсутствие кислорода:

2ZnS + 3O2 =2ZnO + 2SO2, Zn + C = Zn + CO;

2) гидрометаллургия – перевод руд в водные растворы с помощью кислот, щелочей, солей и дальнейшее восстановление металлов электролизом или более активными металлами.

Медь, цинк и кадмий в раствор переводят, как правило, серной кислотой:

ЭO + H2SO4 = ЭSO4 + H2.

Для получения металлов с высокой степенью чистоты используют

электролиз.

K(-): Э 2+ + 2e = Э

A(+): 2H2O – 4e = O2 + 4H+.

Получение серебра и золота осуществляют главным образом цианидным методом:

321

а) перевод в комплексные цианиды: AgCl + 2KCN = K[Ag(CN)2] + KCl, Ag2S + 4KCN = 2K[Ag(CN)2] + K2S,

4Au + O2 + 8NaCN + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH;

б) восстановление цинком или алюминиевой пылью:

2Na[Ag(CN)2] + Zn =Na2[Zn(CN)4] + 2Ag, Na[Ag(CN)2]+Al+4NaOH+2H2O = 2NaCN+Ag +Na3[Al(OH)6]+H2, 2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au;

3) комбинированный метод сочетания пиро- и гидрометаллургии. В основном используется для получения рафинированных металлов. Черновые металлы: медь, содержащая примеси других металлов, в том числе и серебро, формуется в виде анодных пластин и в кислом растворе подверга-

ется электролизу:

A(+): Cu – 2e = Cu2+

Примеси (Fe,Ni, Co,Zn): Э – 2e =Э2+.

Серебро при этом в виде шлама собирают на дне электролизера и потом извлекают цианидным методом.

K(-): Cu2+ + 2e = Cu.

Аналогично идет процесс рафинирования чернового серебра.

Применение d-элементов I и II групп

Медь, серебро, золото обладают хорошей электропроводностью и поэтому являются материалом для изготовления проводов, кабелей (медь), покрытия деталей и контактов в электротехнике и электронике.

Устойчивость меди к коррозии позволяет использовать ее в процессах водопользования.

Широко используются сплавы на основе меди: латунь (Cu,Zn), брон-

за (Cu,Sn), нейзильбер (Cu,Zn,Ni), мельхиор (Cu,Ni).

Основным потребителем ртути является электротехническая промышленность (изготовление люминисцентных ламп и выпрямителей переменного тока). Ртуть идет также для производства измерительных приборов (манометров, барометров и т.п.).

Цинк и кадмий используются как гальваническое покрытие железа и стали.

Все эти элементы используются для производства гальванических источников тока (от эталонных до бытовых).

Соединения d-металлов используют для изготовления белил (ZnO) и

красок (ZnCl2, ZnS+BaSO4, CdS+ZnS+BaSO4, HgHAsO4 – краска для защи-

ты морских судов от обрастания, AuCl3 или H[AuCl4] – краска для золочения стекол и керамики).

322

Кадмий обладает свойством поглощать нейтроны, поэтому используется для регулирования цепной реакции деления урана в ядерных реакторах.

Взаимодействие металлов с простыми окислителями

Непосредственное взаимодействие d-элементов I и II групп с неметаллами за редким исключением происходит при нагревании. Продукты этих реакций представлены в табл. 22.4.

Таблица 22.4 Бинарные соединения d-элементов I и II групп с неметаллами

Оксиды серебра(I) и золота(I) получают косвенным путем:

2AgNO3 + 2KOH = Ag2O + H2O + 2KNO3,

2AuCl + 2NaOH = Au2O + H2O + 2NaCl.

Бинарные соединения d-элементов I и II групп, за исключением некоторых галогенидов (см. ч. 3, табл. 19), в воде нерастворимы. Растворимые хлориды металлов подвергаются гидролизу и дают кислую реакцию раствора:

ЭCl2 + H2O ЭOHCl + HCl, Э2+ + H2O ЭOH+ + H+.

Взаимодействие металлов со сложными окислителями

Взаимодействие металлов с кислотами, щелочами, солями обусловлено положением этих металлов в ряду напряжений. Водород из кислот могут вытеснить только цинк и кадмий, имеющие меньший электродный потенциал, чем водород:

Zn + H2SO4(разб) = ZnSO4 + H2, Cd + 2HCl = CdCl2 + H2.

Цинк также легко растворяется в щелочах:

Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2.

323

Продукты реакции d-элементов I и II групп с некоторыми окислителями приведены в табл. 22.5.

Таблица 22.5 Схемы реакций d-элементов I и II групп с окислителями

Важнейшие соединения d-элементов I и II групп и их реакционная способность

Оксиды ЭО и гидроксиды Э(ОН)2, за исключением серебра и ртути, и оксид Au2O3 имеют амфотерный характер. Растворение в щелочах про-

исходит при нагревании с образованием комплексов [Э(OH)4]2- и

[Au(OH)4]-.

Все гидроксиды в воде не растворимы, их получение основано на обменной реакции между солью и щелочью. Способность образовывать комплексные соединения позволяет переводить нерастворимые осадки в аммиачные, тиосульфатные, цианидные комплексы, если константа нестойкости этих комплексов значительно меньше, чем произведение растворимости соли, находящейся в осадке (см. ч. 3, табл. 19 и 20). Наиболее характерные примеры можно представить уравнениями:

ЭГ + 2Na2S2O3 = Na3[Э(S2O3)2] + 2NaГ, где Э+ – Cu+, Ag+, Г- – Cl-,Br-, I-.

Э(OH)2 + 4NH3 H2O = [Э(NH3)4](OH)2 + 4H2O,

где Э2+ – Cu2+, Zn2+, Cd2+

ZnS + 4KCN = K2[Zn(CN)4] + K2S.

324

Окислительно-восстановительные реакции

с участием соединений d-элементов I и II групп

Отличительной способностью Cu+, Au+, Hg22+ является склонность к диспропорционированию:

2CuCl(т) = CuCl2(р) + Cu(т),

3AuCl(т) + KCl(р) = K[AuCl4] (р) + 2Au(т), Hg2Cl2 = Hg + HgCl2.

Соединения Cu, Au, Hg с переменной степенью окисления могут играть роль как окислителей, так и восстановителей.

В качестве окислителей выступают Cu2+ и Hg2+ в соответствующих реакциях:

2CuSO4 + 4KI = 2CuI + I2 + 2K2SO4 – окислитель, 2HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2 + SnCl4 – окислитель.

Восстановителями являются Cu+ и Hg22+ в реакциях:

4CuCl + O2 + 4HCl = 4CuCl2 + 2H2O – восстановитель, 2Hg2Cl2 + Cl2 = 2HgCl2 – восстановитель.

Задачи

Задачи по теме «Нахождение в природе. Получение и применение простых веществ»

1614. Приведите химические формулы оксидов, смешанных сульфидов и других солей, в виде которых d-элементы I и II групп входят в состав литосферы.

1615. Приведите реакции, лежащие в основе промышленного получения меди пирометаллургическим способом.

1616. Приведите реакции, лежащие в основе гальванического покрытия цинком железных изделий. Цинк для железа является анодным или катодным покрытием?

1617. Приведите реакции электрохимического получения меди и цинка из сульфатного раствора.

1618. Приведите реакции получения серебра из анодного шлама, образовавшегося в результате процесса электролитического рафинирования меди цианидным методом.

1619. Приведите реакции, лежащие в основе цианидного метода (метод Багратиона) получения золота.

1620. Опишите основные методы получения кадмия и ртути.

1621. Укажите основные области применения металлов побочных подгрупп I и II групп.

325

Задачи по теме «Физико-химические свойства простых веществ»

1622. На основании электронного строения атомов и с учетом табличных значений их радиусов, энергий Еи1 и Еи2 ионизации (см. ч. 3, табл. 7 и 8) объясните изменения свойств d-элементов I и II групп.

1623. Приведите электронное строение устойчивых катионов d-эле- ментов I и II групп. Укажите для каждого металла значение электродного потенциала пары Эn+/ Э. Какой из этих ионов обладает наибольшей устойчивостью в растворе?

1624. Как изменяется активность в ряду Zn – Cd – Hg по отношению к сере. Приведите и сравните H0 и G0 образования соответствующих соединений (см. ч. 3, табл. 15) и их свойства.

1625. В растворы солей меди(II) и серебра(I) опустили цинковую, железную и медную пластинки. Какие процессы будут иметь место при этом? Напишите соответствующие уравнения.

1626. По значениям H0 или G0 образования хлоридов меди, серебра и золота (см. ч. 3, табл. 15) сравните химическую активность металлов по отношению к хлору и устойчивость хлоридов.

1627. По значениям H0 или G0 образования оксидов меди, серебра и золота (см. ч. 3, табл. 15) сравните химическую активность металлов по отношению к кислороду и устойчивость оксидов.

1628. Поверхность медных и серебряных пластинок на воздухе приобретает зеленый и черный цвета, соответственно. Какой химический процесс при этом протекает? Напишите соответствующие уравнения реакций.

1629. Для очистки газов от кислорода их пропускают через слой нагретых медных стружек, которые затем для регенерации обрабатывают аммиачным раствором. Приведите реакции, лежащие в основе этих процессов.

Для 1630-1632. Закончите реакции, характеризующие отношение элементов к простым окислителям. Дайте характеристику и укажите возможный состав образующихся продуктов, их отношение к воде. Укажите основные области применения получаемых продуктов.

Для 1633-1634. Напишите окислительно-восстановительные реакции, характеризующие взаимодействие сложных окислителей (разбавленные и концентрированные кислоты, щелочи, водные растворы аммиака, цианиды и другие соли) с перечисленными простыми веществами:

326

Для 1639-1640. По данным Hпл и Sпл (см. часть 3, табл. 14) вычислите температуры плавления перечисленных металлов и сравните их со справочными значениями:

1639. медь, кадмий и ртуть.

1640. цинк, серебро и золото.

Задачи по теме «Важнейшие соединения: свойства, получение и применение

Для 1641-1643. Используя H0 и G0 образования (см. ч. 3, табл. 15) предложенных веществ, сделайте вывод об изменениях в группе устойчивости (прочности связи), кислотно-основных свойств, химической активности соответствующих соединений. Приведите реакции, характеризующие отношение их к воде, кислотам, щелочам. Укажите области применения соединений:

1641. оксиды и гидроксиды d-элементов I и II групп. 1642. сульфиды d-элементов I и II групп.

1643. фториды и хлориды d-элементов I и II групп.

Для 1644-1646. Назовите химические соединения. Используя основные положения метода ВС, дайте схему образования и характеристику химической связи в соединениях, предположите их возможное строение:

1644. CdCl2, Na[AuCl4], Na2[Zn(OH)4]. 1645. K2[HgI4], K[Ag(CN)2], Cu2O. 1646. [Ag(NH3)2]OH, H[Au(OH)Cl3], ZnS.

Для 1647-1651. Назовите химические соединения. Используя основные положения метода ВС, дайте схему образования и характеристику химической связи, тип гибридизации комплексообразователя в предложенных соединениях. По каким связям идет диссоциация в воде?

327

ионов Э+, сделайте вывод об их устойчивости в водном растворе для ряда

Cu – Ag – Au.

1653. Используя значения ПР (см. ч. 3, табл. 19) солей ЭНal, cделайте вывод о растворимости их в ряду Cu – Ag – Au.

Для 1654-1655. Составьте в ионной и молекулярной формах уравнения реакций, протекающих при добавлении избытка KOH к растворам, со-

держащим ионы:

1654. Zn2+, Cd2+, Hg2+.

1655. Cu2+, Ag+, Au3+.

1656. Для соединений Cu(I) и Au(I) характерны реакции диспропорционирования. Закончите уравнения реакций:

1658. Произведение растворимости Ag2Cr2O7 равно 2,7·10-7. Вычислите концентрацию ионов Ag+ в насыщенном растворе этой соли.

1659. Объясните, почему при действии раствором аммиака на раствор сульфата меди(II) образуется аммиачный комплексный ион [Cu(NH3)4]2+, а при действии раствором NH4Cl этого не происходит.

1660. Небольшое количество влаги в горюче-смазочных материалах, например в бензине, можно определить с помощью безводного сульфата меди. В обоснование ответа напишите соответствующее уравнение реакции.

1661. С помощью водного раствора аммиака можно определить присутствие ионов меди(I) и меди(II) в растворе. Приведите соответствующие уравнения реакций.

1662. Величина H0 образования сульфида меди(II) равна минус 53,2 кДж/моль. Сколько тепла выделится при образовании 144 г CuS?

1663. Закончите уравнения химических реакций, уравняйте их:

а) K2[HgI4] + H2S ;

б) Hg2Cl2 + HCl + HNO3 .

1664. Рассмотрите взаимодействие гидроксидов цинка и кадмия со щелочами в растворе и при сплавлении. Дайте характеристику образующихся продуктов.

328

1665. Составьте уравнения реакций термического разложения:

Сравните Н0 образования (см. ч. 3, табл. 15) соответствующих оксидов и сделайте вывод об их устойчивости.

Для 1666-1674. Напишите в молекулярной и ионной формах реакции

К какому типу реакций их можно отнести? Обоснуйте ответ.

329

Часть 3

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1

Фундаментальные физические постоянные

Таблица 2

Основные единицы физических величин (СИ)

330