7. Галогены

Галогенами называют p-элементы VII главной под­групп – фтор, хлор, бром, йод и астат.

Фтор одновалентен, а остальные галогены могут проявлять нечетные валентности: 1, 3, 5, 7.

Фтор самый электроотрицательный элемент в периодической таблице и соответственно в соединениях проявляет только отрицательную степень окисления -1. Остальные галогены могут иметь степени окисления: -1, 0, +1, +3, +5, +7.

При нормальных условиях фтор – газ бледно-жёлтого цвета, хлор – газ жёл­то-зелёного цвета, бром – красно-бурая жидкость, йод – кристаллическое вещест­во темно-фиолетового цвета. Молекулы простых веществ двухатомны: F₂, С1₂, Br₂, I₂.

Фтор нельзя растворить в воде, так как он энергично разлагает её

F₂+ 2Н₂O = 4НF + О₂.

При растворении хлора в воде происходит его частичное (примерно на 1∕3) самоокисление-самовосстановление по реакции

С1₂ + Н₂O ↔ НС1+ НС1О.

Полученный раствор называется хлорной водой. Он обладает сильными кислотными и окислительными свойствами и применяется для обеззараживания питьевой воды.

Водородные соединения представляют собой кислоты:

HF - фтороводородная (плавиковая) кис­лота,

НС1 - хлороводородная кислота (водный раствор – соляная),

НВг - бромоводородная кислота,

HI - йодоводородная кислота.

НF должна быть одной из самых сильных кислот, но вследствие водородной связи является слабой кислотой

Н–F·····Н–F·····Н–F.

Подтверждением водородной связи между молекулами Н–F является аномально высокая температура кипения Н–F.

Плавиковая кислота реагирует с SiО₂, входящим в состав стекла, поэтому HF нельзя получать и хранить в стеклянной посуде

SiО₂ + 4 HF_(ra3) = SiF₄↑ + 2Н₂О.

8. р-элементов VIII группы

Данные элементы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон называют инертными газами, так как они обладают очень низкой химической активностью. На внеш­нем энергетическом уровне гелия находится два электрона, а у остальных элементов по восемь электронов, что соответствует замкнутой энергетически выгодной электронной конфигурации.

Гелий единственное термометрическое вещество пригодное для измерения температур ниже 1 К.

Неоном и аргоном заполняют лампы накаливания. Сварка в среде аргона нержавеющих сталей, титана, алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивает исключительно чистый и прочный сварной шов.

Радон является радиоактивным элементом с периодом полураспада 3,8 суток. Однако в природе он постоянно образуется. Так как он в 7,65 раза тяжелее воздуха, поэтому скапливается в подвальных, непроветриваемых помещениях. За сутки концентрация радона в непроветриваемом помещении возрастает в 6 раз, а при пользовании душем в ванной комнате в 40 раз. Большую часть облучения человек получает от продуктов распада радона.

9. Комплексные соединения

Определение комплексных соединений

Комплексные соединения – это соединения, содержащие комплексный ион, способный к самостоятельному существованию в растворе.

Для ответа на данный вопрос проведем сравнительный анализ диссоциации обычной соли, двойной соли и комплексного соединения:

1) Диссоциация сульфатов калия и алюминия

K₂SO₄ → 2K⁺+ SO₄^2-,

Al₂(SO₄)₃) → 2Al³⁺ + SO₄^2-;

2) Дисоциация двойной соли – алюмокалиевых квасцов

K Al(SO₄)₂ → K⁺ + Al³⁺ + 2SO₄²;

3)Диссоциация комплексного соединения – красной кровяной соли

K₃[Fe(СN)₆]→3K⁺ + [Fe(СN)₆]^-3.

Из приведенных уравнений электролитической диссоциации видно, что продукты диссоциация двойной соли полностью совпадают с продуктами диссоциации сульфатов калия и алюминия. В случае комплексной соли, в продуктах диссоциации присутствует сложная частица (комплексный ион) заключенная в квадратные скобки и нейтрализующие её заряд простые ионы.

10. d-ЭЛЕМЕНТЫ

d-элементы входят в состав побочных подгруп­п. У элементов данных подгрупп на последнем энергетическом уровне находятся один или два электрона, поэтому эти элементы относятся к металлам. Благодаря своим механическим характеристикам они являются основными конструкционными металлами.

d -металлы I группы

К d -металлам I группы относятся: медь(Сu), серебро(Аg) и золото(Аu).

Чистая медь – вязкий металл светло-розового цвета, легко прокатываемый в тонкие листы. Медь хорошо проводит теплоту и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. Чистые металлы являются очень мягкими и пластичными, поэтому на практике используются в виде сплавов. Важными сплавами меди являются латунь (сплав меди с цинком) и бронза (оловянная, алюминиевая, кремниевая и другие). Некоторые специальные латуни и медноникелевые сплавы (мельхиор и нейзильбер) устойчивы к коррозии в морской воде. Серебро используется в виде сплава с медью, а золото в славах с серебром или медью.

Золото, в сравнении медью и серебром, характеризуется аномально высокой плотностью 19,3 г/см³ , примерно в два раза выше плотности меди и серебра. Такая особенность присуща всем металлам, расположенных в периодической таблице после лантаноидов, и называется лантаноидным сжатием.

В азотной кислоте и концентрированной серной медь и серебро растворяются

2Аg + 2Н₂SO₄(конц.)=Аg ₂SO₄+ SO₂+ 2Н₂О,

3Аg + 4НNО₃ (разб.) = 3АgNО₃ + NО + 2Н₂О,

Аg + 2НNО₃ (конц.) = АgNО₃ + NО₂ + Н₂О.

d -металлы II группы

К d -металлы II группы относятся: цинк(Zn), кад­мий(Сd) и ртуть(Нg).

Цинк амфотерный металл

Zn + 2NaОН + H₂О = Na₂[Zn(ОН)₄ ] +Н₂↑.

Ртуть способна растворять в себе многие металлы, образуя с ними сплавы - амальгамы. Железо не образует амальгаму.

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.

сплав редкоземельных металлов, называемый мишметеллом. Применение данных металлов разнообразно, но из-за сложности получения ограничено.

d -металлы IV группы

К d -металлы IV группы относятся: титан(Тi), цирконий(Zr) и гафний(Нf).

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.

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.

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.

d -металлы VI группы

К d -металлы VI группы относятся: хром(Сr), молибден (Мо) и вольфрам(W). Данные металлы относятся к тугоплавким, при этом вольфрам в сравнение остальными металлами имеет самую высокую температуру плавления 3390 ⁰С. В таблице 10.1. приведены основные классы соединений хрома.

Таблица 10.1. 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

Соединения хрома (VI) проявляют сильные окислительные свойства

_{+6 +4 +3 +6}

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

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.

d -металлы VII группы

К d -металлы VII группы относятся: марганец(Мn), технеций (Тс) и рений(Rе).

Наиболее широко применяемое соединение семивалентного марганца -перманганат калия КМпО₄. Соединения марганца в высшей степени окисления -+7, в частности перманганаты, являются сильными окислителями. Степень восстановления перманганата калия зависит от рН среды:

1) В кислой среде восстанавливается до +2

2КМnО₄ + 5К₂SО₃ + 3Н₂SО₄ = 2 МnSО₄ + 6К₂SО₄ + 3Н₂О,

2) В нейтральной до +4

2 КМnО₄ + 3 К₂SО₃ + Н₂О = 2 МnО₂↓ + 3 Na₂SО₄ + 2КОН,

3) В щелочной среде до +6

2 КМnО₄ + К₂SО₃ + 2КОН = 2К₂МnО₄ + К₂SО₄ + КОН.

Марганец преимущественно применяется для получения специальных сортов стали. Сплав манганин (12% Мn, 3% Ni) обладает высоким электрическим сопротивлением. В виде ферромарганца при выплавке стали используется для удаления кислорода (раскисление) и серы.

d -металлы VIII группы

d -металлы VIII группы включают три триады. В четвертом периоде это триада железа, а триады пятого и шестого периодов объединяют под общим названием платиновые металлы.

Элементы триады железа

В триаду железа входят: железо(Fе), кобальт (Со) и никель(Ni). Данные металлы являются основными конструкционными металлами.

Для железа наиболее устойчива при обычных условиях степень окисления +3, поэтому соединения железа +2 являются сильными восстановителями, а +6 – сильными окислителями.

В мелкораздробленном состоянии (диаметр частиц около 5мкм) самовоспламеняются на воздухе, т.е. обладают пирофорными свойствами.

Железо при температуре красного каления (~500 ⁰С) окисляется водой

3Fe + 4Н₂О = Fe₂О₃ + H₂.

Соляная и разбавленная серная кислоты растворяют данные металлы с образованием двухвалентных солей

Fe + 2НCl = FeCl₂ + Н₂.

При растворении железа в азотной или концентрированной серной кислотах при обычных условиях или при нагревании образуются соли железа (III):

Fe + 4НNO_3(разб.) → Fe(NO₃)₃ + NO + 2Н₂О,

2 Fe + 6 H₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 3 SО₂↑ + 6 H₂О.

Концентрированная азотная кислота, содержанная NO₂, и концентрированная (близкая к 100%) серная кислота пассивирует данные металлы, создавая на их поверхности оксидные пленки.

Ионы Fe³⁺ проявляют относительно сильные окислительные свойства φ°(Fe³⁺/ Fe²⁺) = +0,77 В. На практике это используется для «травления» печатных плат по реакции:

2 FeCl₃ + Сu = 2 FeCl₂ + CuCl₂.

Платиновые металлы

К платиновым металлам относятся: рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Рd), осмий (Оs), иридий (Ir) и платина (Рt). Являются электронными аналогами cоответствующих элементов триады железа, но значительно уступают им в химической активности..

Платина, благодаря тугоплавкости и исключительной коррозионной стойкости, используется для изготовления химической аппаратуры. Хорошо растворяет водород, особенно в мелко раздробленном состоянии.

Палладий способен поглощать огромное количество водорода ( до 900 объемов на 1 объем металла).

Иридий отличается от платины очень высокой температурой плавления (2450 ⁰С), большей химической стойкостью. Из сплава 90% платины и 10% иридия изготовлены международные эталоны метра и килограмма. Благодаря трудноокисляемости и тугоплавкости применяются в электрических контактах, термопарах. Высокая стоимость ограничивает применение этих металлов в технике.