Вопрос № 3 Составьте уравнения реакций, протекающих при осуществлении следующих превращений Cu→Cu(no3)2→Cu(oh)2 →CuSo4.

Приведите названия продуктов данных реакций. Для окислительно-восстановительных реакций привести электронный баланс, а для ионно-обменных – ионные формы.

Cu⁰ + 4НN⁺⁵О₃ (конц.) = Cu²⁺(NО₃)₂ + 2N⁺⁴О₂ + 2Н₂О,

электронные уравнения:

Cu⁰ - 2е = Cu⁺² × 1,

N⁺⁵ + 1е = N⁺⁴ × 2.

Cu(NO₃)₂ + 2КОН → Cu(OH)₂ + 2КNO₃,

Cu⁺² + 2NO₃^- + 2К⁺ + 2ОН^- → Cu(OH)₂ + 2К⁺ + 2NO₃^-,

Cu⁺² + 2ОН^- → Cu(OH)₂.

Cu(OH)₂ + Н₂SO₄→ CuSO₄ +2Н₂О,

Cu(OH)₂ + 2Н⁺ + SO₄^2– ® Cu⁺² + SO₄^2–→ 2Н₂О,

Cu(OH)₂ + 2Н⁺ ® Cu⁺² + 2Н₂О,

Лекция № 23

«d-ЭЛЕМЕНТЫ III, IV, V, VI ГРУПП»

1. d -МЕТАЛЛЫ III ГРУППЫ

К d -металлы II группы относятся: скандий(Sс), иттрий(Y), лантан (Lа) и актиний(Ас). За лантаном и актинием в периодической таблице находятся по 14 элементов, называемых соответственно лантаноидами и актиноидами. Скандий, иттрий и лантаноиды принято называть редкоземельными металлами. Скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, за исключением прометия, имеют устойчивые изотопы. Актиний и актиноиды не имеют устойчивых изотопов. У лантаноидов и актиноидов происходит заполнение третьего снаружи f-слоя, поэтому в данных семействах химические свойства элементов очень близки между собой. У лантаноидов, за исключением европия и иттербия, в отличие от главных подгрупп происходит уменьшение радиусов атомов, называемое лантаноидным сжатием, что приводит к увеличению плотности и уменьшению восстановительной активности. Данное явление присуще актиноидам и называется соответственно актиноидным сжатием. Основная валентность для данных элементов равна 3. Редкоземельные металлы по значениям электродных потенциалов находятся между Аl и Мg, т.е. являются химически активными металлами. Актиноиды более сильные восстановители чем лантаноиды. Данные металлы реагируют с водой и легко растворяются в кислотах.

Скандий близок по свойствам с алюминием, но c температурой плавления примерно на 750⁰ выше, что делает перспективным применение его в авиа- и ракетостроении. Добавки данных металлов к сплавам в ряде случае приводят к существенному улучшению их механических и физико-химических характеристик. Лантаноиды хорошие поглотители кислорода, водорода и других газов. Вследствие близости химических свойств разделение лантаноидов сложная технически сложная задача, поэтому на практике сплав редкоземельных металлов, называемый мишметеллом. Применение данных металлов разнообразно, но из-за сложности получения ограничено.

Электронная конфигу­рация данных элементов имеет вид - (n-1)d¹⁰ns² , поэтому в своих со­единениях они двухвалентны. Цинк и кадмий имеют постоянную степень окисления +2. Эта же степень окисле­ния характерна и для ртути, однако ртуть может образовывать соединения типа Cl-Hg-Hg-Cl, в которых она двухвалентна, но имеет степень окисления +1.

24.2 d -металлы IV группы

К d -металлы IV группы относятся: титан(Тi), цирконий(Zr) и гафний(Нf). Наиболее характерная степень окисления данных элементов +4. Элементы подгруппы титана тугоплавки и устойчивы к действию воды и воздуха.

Титан обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью, на него не действует морская вода, разбавленная и концентрированная азотная кислота и даже царская водка. Титан немного тяжелее алюминия, но в три раза превосходит его по прочности. Но главное свойство титана и его сплавов высокая жаростойкость и жаропрочность – способность сохранять высокие механические характеристики при повышенных температурах. Из соединений можно отметить ТiО₂ – титановые белила и титанат бария ВаТiО3 соль способная деформироваться под действием электрического поля.

Цирконий также характеризуется высокой коррозионной стойкостью. При производстве стали добавки циркония удаляют кислород, азот и серу. Добавка циркония к меди значительно повышает её прочность, почти не снижая электропроводности. Качество магниевых и алюминиевых сплавов значительно повышается при добавлении к ним циркония.

Гафний в природе сопутствует цирконию. Обладает способностью активно захватывать нейтроны, поэтому используется в регулирующих и защитных устройствах атомных реакторов.

24.3 d -металлы V группы

К d -металлы V группы относятся: ванадий(V), ниобий (Nb) и тантал(Та). Данные металлы относятся к тугоплавким, так как обладают температурами плавления большими чем 1890 ⁰С. Для подгруппы ванадия наиболее характерна степень окисления +5.Наиболее характерная степень окисления данных элементов +4. Несмотря на низкие значения электродных потенциалов (φ^о ~ -1,1 В), химическая активность проявляется их только при высокой температуре, когда разрушается защитная оксидная пленка.

Ванадий в основном применяется в качестве добавки к стали. При содержании всего 0,1– 0,3% сталь обладает большой прочностью, упругостью и устойчивостью к ударным нагрузкам.

Ниобий один из компонентов жаропрочных и коррозионностойких сталей. Сварка стальных конструкций электродами с добавкой ниобия обеспечивает необычайную прочность сварных швов.

Тантал обладает исключительной химической пассивностью, но применение его ограниченно из-за высокой стоимости. Его применяют для изготовления медицинских инструментов, а также для скрепления костной ткани, так как он не отторгается живыми тканями организма.

24.4 d -металлы VI группы

К d -металлы VI группы относятся: хром(Сr), молибден (Мо) и вольфрам(W). Электронная конфигура­ция данных атомов должна иметь вид (n-1)d⁴ns² , но с учетом проскока одного электрона – (n-1)d⁵ns¹. Соответственно максимальная степень окисления данных элементов равна +6. Наиболее устойчивые степени окисления данных элементов +2, +3 и +6. Данные металлы относятся к тугоплавким, при этом вольфрам в сравнение остальными металлами имеет самую высокую температуру плавления 3390 ⁰С.

Хром - металл, находящийся в ряду напряжений до водорода, поэтому ме­таллический хром восстанавливает водород из разбавленных растворов Н₂SО₄ и НС1. В холодной концентрированной азотной кислоте хром нерастворим и по­сле обработки ею становится пассивным.

Для хрома наиболее устойчива при обычных условиях степень окисления +3, поэтому соединения хрома +2 являются сильными восстановителями, а +6 – сильными окислителями. В таблице 24.1 приведены основные классы соединений, образуемых хромом.

Таблица 24.1. Основные классы соединений хрома

	+2	+3	+6
Оксиды	СrО (основной) оксид хрома (II)	Сr2О3 (амфотерный) оксид хрома (III)	СrО3 (кислотный) оксид хрома (VI)
Гидроксиды	Сr(ОН)2 гидроксид хрома (II)	Сr(ОН)3 гидроксид хрома (III) Н3СrО3 хромистая кислота	Н2СrО4 хромовая кислота Н2Сr2О7 двухромовая кислота
Соли	СrСl2 хлорид хрома (II)	СrСl3 хлорид хрома (III) К3СrО3 – хромит калия	К2СrО4 хромат калия К2Сr2О7 бихромат калия

Из таблицы 24.1 видно, что с повышением степени окисления хрома основные свойства усиливаются, а кислотные нарастают, проходя через амфотерные. На примере хрома приведен системный анализ основных классов неорганических соединений.

Соли двухвалентного хрома образуются при растворении металлического хрома в соляной или разбавленной серной кислотах

Сr + 2НС1 = СrС1₂ + Н₂.

Соединения хрома (II) неустойчивы, являются сильными восстановителями, окисляясь до соединений хрома (III)

2Сr С1₂ + С1₂ = 2СrС1₃.

Степень окисления хрома +3 является самой устойчивой, поэтому соедине­ния хрома (III) являются слабыми окислителями и восстанови­телями. Сr₂О₃ представляет собой тугоплавкое вещество зеленого цвета. Применяется в качестве абразивного материала.

Соединения хрома (VI) проявляют сильные окислительные свойства

_{+6 +4 +3 +6}

К₂Сr₂О₇ + 3 К₂SО₃ + 4 Н₂SО₄ = Сr₂(SО₄)₃ + 4К₂SО₄ + 4 Н₂О.

Хром важнейший компонент легированных сталей. Он придает им повышенную твердость и коррозионную стойкость. Нержавеющие и окалиностойкие стали содержат более 12% хрома. Введение в нержавеющие стали молибдена увеличивает их жаропрочность и свариваемость.

Вольфрам – тяжелый металл с плотностью 19,3 г∕см³. На воздухе окисляется только при температуре красного каления. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити. Преимущественно используется для получения специальных сталей и сплавов. Быстрорежущая инструментальная сталь, содержащая 20% вольфрама, способна самозакаливаться. Сталь с содержанием 1– 6% вольфрама до 2% хрома применяется для изготовления пил, фрез, штампов. Из соединений, применяемых в металлургии, можно отметить карбид вольфрама WС обладающий износоустойчивостью, тугоплавкостью и твердостью близкой к алмазу.