Тяжелые конструкционные металлы
Тяжелыми называют металлы, у которых плотность d > 5г/см3. Это - Хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni).
Хром
Природная смесь содержит стабильные изотопы хрома: 5024Cr (4,31 %); 5224Cr (83,76 %); 5324Cr (9,55 %); 5424Cr (2,38 %). Свое название он получил от греческого “хрома” – краска, так как все соединения хрома окрашены. На внешнем энергетическом уровне атома хрома находится один s– электрон, что обуславливает металлический характер элемента.
Нахождение в природе. Хром в природе встречается в виде соединений в различных минералах. Наиболее распространен минерал хромит или хромистый железняк FeCr2O4. Общее содержание в земной коре составляет 0,03 %.
Получение. Металлический хром получают восстановлением оксида хрома (III) при нагревании с алюминием:
Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr,
а также получают электролизом водных растворов соединений хрома.
Физические свойства. Хром – серовато-белый блестящий металл. Из металлов он самый твердый, его плотность 7,2 г/см3. Температура плавления 1855 °С.
Химические свойства. Хром находится в побочной подгруппе VI группы. Хром может проявлять в соединениях различные степени окисления: от +1 до +6; из них наиболее устойчивые соединения хрома со степенью окисления +2, +3, +6. На поверхности хрома находится оксидная пленка Cr2O3. Поэтому хром в разбавленных серной и соляной кислотах начинает растворяться не сразу, а после растворения оксидной пленки:
|
|
Cr + 2H+ = Cr+2 + H2.
В азотной и концентрированной серной кислотах хром не растворяется, так как его оксидная пленка упрочняется, т. е. хром переходит в пассивное состояние. Пассивацию хрома можно устранить очисткой поверхности металла.
При высокой температуре хром горит в кислороде, образуя оксид Cr2O3. Раскаленный хром реагирует с парами воды:
2Cr + 3H2O = Cr2O3 + 3H2.
Металлический хром при нагревании реагирует также с галогенами, галогеноводородами, серой, азотом, фосфором, углем, кремнием и бором.
Например:
Cr + 2HF = CrF2 +H2; 2Cr+N2 =2CrN;
2Cr + 3S = Cr2S3; 4Cr + 3Si = Cr4Si3.
Оксид хрома (II) CrO растворяется в соляной кислоте:
CrO + 2HCl = CrCl2 + H2O.
Оксид хрома (III) Cr2O3 по твердости близок к корунду. В лаборатории его получают нагреванием дихромата аммония:
(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2 + 4H2O.
При сплавлении оксида хрома (III) со щелочами образуются хромиты:
Cr2O3 + 2NaOH = 2NaCrO2 + H2O.
Оксид хрома (VI) CrO3 сильный окислитель. Окисляет йод, серу, фосфор, уголь. Например:
4CrO3 + 3S = 3SO2 + 2Cr2O3.
При нагревании до 250 °С разлагается:
4CrO3 = 2Cr2O3 + 3O2.
СrO3 легко растворяется в воде, образуя хромовые кислоты. При избытке воды образуется хромовая кислота H2CrO4.
|
|
CrO3 + H2O = H2CrO4.
При большой концентрации CrO3 образуется дихромовая кислота:
2CrO3 + H2O = H2Cr2O7,
которая при разбавлении переходит в хромовую кислоту:
H2Cr2O7 + H2O = 2H2CrO4.
В табл. 11.2 представлены важнейшие соединения хрома.
Таблица 11.2
Степень окисления хрома | Свойства оксидов и гидроксидов | Оксид | Гидроксид | Соль |
Cr+2 | основные | CrO Черный | Cr(OH)2 Желто-коричневый | CrCl2, CrSO4 Темный |
Cr+3 | амфотерные | Cr2O3 Зеленый | Cr(OH)3 Серо-синий HCrO2 - хромистая кислота Сине-фиолетоый | CrCl3, Cr2 (SO4)3 Серо-голубой KСrO2 - хромит калия Изумрудно-зеленый |
Cr+6 | кислотные | CrO3 Темно-красный | H2CrO4 - хромовая кислота Желтый H2Cr2O7 - дву-хромовая кислота Оранжевый | K2СrO4, СаСrO4 - хроматы Желтый K2Сr2O7, СаСr2O7 - дихроматы Оранжевый |
Хромовые кислоты существуют только в водном растворе. Однако их соли весьма устойчивы.
Если сопоставить гидроксиды хрома с разной степенью окисления: Cr(OH)2, Cr(OH)3, H2CrO4, то легко сделать вывод, что с возрастанием степени окисления основные свойства гидроксидов ослабевают, а кислотные - усиливаются.
Гидроксид хрома (II) Cr(OH)2 получается в виде желтого осадка при действии раствора щелочи на хлорид хрома (II) CrCl2:
|
|
2NaOH + CrCl2 = Cr(OH)2 + 2NaCl.
Все соединения хрома (II) довольно неустойчивы и легко окисляются кислородом воздуха в соединения хрома (III). Например:
2Cr(OH)2 + 0,5O2 + H2O = 2Cr(OH)3.
Гидроксид хрома (III) Cr(OH)3 реагирует с кислотами и щелочами. При растворении в кислотах образуются соли хрома (III):
Cr(OH)3 + 3H+ = Cr3+ + 3H2O.
При растворении Cr(OH)3 в щелочах образуются гидроксохромиты:
Cr(OH)3 +NaOH + 2H2O =Na[Cr(OH)4(H2O)2].
При сплавлении со щелочами получают метахромиты и ортохромиты:
Cr(OH)3 + NaOH = NaCrO2 + 2 H2O,
Cr(OH)3 + 3NaOH = Na3CrO3 + 3H2O.
При прокаливании гидроксида хрома (III) образуется оксид хрома (III):
2Cr(OH)3 = Cr2O3 + 3H2O.
Хроматы и дихроматы
Хромовые кислоты образуют два ряда солей: хроматы – так называются соли хромовой кислоты и дихроматы – соли дихромовой кислоты. Хроматы - окрашены в желтый цвет, (цвет хромат-иона CrO42-) дихромат – в оранжевый (цвет дихромат-иона Cr2O72-). Ионы CrO42- и Cr2O72- превращаются друг в друга при изменении концетрации водородных ионов по уравнениям:
2CrO42- + 2H+ Û Cr2O72- + H2O,
Cr2O72- + 2OH- Û 2CrO42- + H2O.
Отсюда видно, что если подкислить раствор, то равновесие будет смещаться в сторону образования дихромат-ионов Cr2O72- и, наоборот, если добавить щелочи, то равновесие будет смещаться в сторону образования хромат-ионов CrO42-. Хроматы можно превратить в дихроматы и наоборот.
|
|
Соли хромовых кислот в кислой среде – сильные окислители:
S+4 - = S+6 3 восстановитель,
2Cr+6 + = 2Cr+3 1 окислитель .
Сильные окислители, такие, как KMnO4, (NH4)2S2O8 в кислой среде переводят соединения Cr(III) в дихроматы:
2Сr+3 - ® 2Cr+6 1 восстановитель,
Mn+7+ ® Mn+4 2 окислитель .
Применение хрома. Хром незаменим при выплавке высокопрочных, жаростойких, кислотоупорных и нержавеющих сталей. Добавление к сталям 1-2 % хрома значительно увеличивает их твердость и прочность, нержавеющие стали содержат 12 % хрома. Покрытие стальных и железных изделий хромом защищает их от коррозии, придает поверхности большую твердость и красивый внешний вид.
Марганец
Нахождение в природе. В природе распространен стабильный изотоп 5525Mn (100 %). Его содержание в земной коре составляет 0,1 %. Наиболее распространены минералы: пиролюзит MnO2, браунит Mn2O3 и гаусманит Mn3O4.
Получение. В технике марганец получают электролизом раствора сульфата марганца либо восстановлением оксидом кремния в электрических печах. Используется алюминотермический метод:
3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3.
Физические свойства. В компактном состоянии марганец светло-серого цвета, в порошкообразном – серовато-черного. Марганец хрупкий металл плотностью 7,44 г/см3, температурой плавления 1244 °С. На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.
Химические свойства. Марганец проявляет переменную степень окисления от +2 до +7. Наиболее характерные из них +2, +3, +4 и +7.
На воздухе марганец покрывается тончайшей оксидной пленкой. При высокой температуре он горит, образуя различные оксиды:
2Mn + O2 = 2MnO; Mn + O2 = MnO2;
4Mn + 3O2 = 2Mn2O3; 3Mn + 2O2 = Mn3O4.
Известен также оксид марганца (VII) Mn2O7.
Важнейшие соединения марганца представлены в табл. 11.3.
Самым устойчивым оксидом является MnO2. Он может проявлять окислительные и восстановительные свойства. Низшие оксиды MnO, Mn2O3 являются восстановителями. Высший оксид марганца Mn2O7 является окислителем и восстанавливается до MnO2. Соединения марганца вступают в следующие реакции:
Mn2O3 + H2SO4 = MnO2 + Mn SO4+H2O,
Mn2O3 + 2HNO3 = MnO2 + Mn(NO3)2 + H2O,
MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O,
4MnO2 + 3O2 = 2Mn2O7,
Mn2O7 + H2O = 2HMnO4,
3H2MnO4 = MnO2¯ + 2HMnO4 + 2H2O,
2KMnO4 + H2SO4 = Mn2O7 + K2SO4 + H2O.
Таблица 11.3
Степень окисления марганца | Свойства оксидов и гидроксидов | Оксид | Гидроксид | Соль |
Mn+2 | Основные | MnO Серо-зеленый | Mn(OH)2 Бело-розовый | MnCl2, MnSO4 Розовый |
Mn+3 | Основные | Mn2O3 Бурый | Mn(OH)3 Желтый | Mn2(SO4)3 Зеленый |
Mn+4 | Амфотерные | MnO2 Черный | Mn(OH)4 Бурый H4MnO4 - ортомарганцовистая кислота H2MnO3 - мета-марганцовистая кислота | MnCl4, Mn(SO4)2 Коричневый K4MnO4, СаMnO4 - ортоманганиты, Бурый K2MnO3, CaMnO3 - метаманганиты, Бурый |
Mn+6 | Кислотные | [MnO3] В свободном виде нет | H2MnO4 - марганцовистая кислота | K2MnO4 - манганат, Зеленый |
Mn+7 | Кислотные | Mn2O7 Зелено-черный | HMnO4 - марганцовая кислота | KMnO4 - перманганат, Фиолетовый |
Применение. Основное применение марганец находит в черной металлургии для производства высококачественных сталей. Он придает сталям твердость, прочность, износоустойчивость. Из марганцовистых сталей, содержащих 12-15 % марганца, изготавливают железнодорожные рельсы.
Марганец входит в состав многих сплавов. Сплав манганин состоит из марганца, меди и никеля. Гальванические покрытия марганцем применяются для защиты изделий от коррозии.
Семейство железа
Металлы семейства железа (железо, кобальт, никель) находятся в побочной подгруппе VIII группы. Атомы элементов триады железа имеют на внешнем энергетическом уровне по 2s– электрона, которые они отдают в химических реакциях. Однако в образовании химических связей участвуют и электроны 3d-орбиталей второго снаружи уровня. В устойчивых соединениях эти элементы проявляют степень окисления +2, +3.
Кобальт и никель менее реакционноспособны, чем железо. При обычной температуре они устойчивы к коррозии на воздухе, в воде и в различных кислотах. Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют железо и кобальт, а никель – лишь при нагревании. Концентрированная азотная кислота все три металла пассивирует.
Металлы семейства железа при нагревании взаимодействуют с кислородом, парами воды, галогенами, серой, фосфором, кремнием, углем и бором. Наиболее устойчивыми являются соединения железа (III), кобальта (II) и никеля (II).
Железо, кобальт, никель и их сплавы – весьма важные материалы современной техники. Но наибольшее значение имеет железо.
Железо
Важнейшие руды железа. Железо после алюминия самый распространенный в природе металл. Общее содержание его в земной коре 5,1 %. Железо входит в состав многих минералов. Важнейшими железными рудами являются: магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3×H2O.
В природе часто встречается серый колчедан (пирит) FeS2.
Получение. Железо получают из руд путем восстановления его оксидов оксидом углерода (II) и углем (коксом). При этом получают не чистое железо, а сплав его с углем и другими примесями (кремнием, марганцем, серой, фосфором). Этот сплав называется чугуном. Выплавка чугуна производится в доменных печах:
3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.
Наряду с оксидом углерода (II) при высоких температурах в восстановлении оксидов железа используют уголь (кокс):
FeO + C = Fe + CO.
Физические свойства. Железо – блестящий серебристо-белый металл, его плотность 7,87 г/см3, температура плавления 1539 °С, обладает хорошей пластичностью. Железо легко намагничивается и размагничивается.
Железо состоит из четырех стабильных изотопов 5426Fe, 5626Fe (основной), 5726Fe, 5826Fe.
Химические свойства. Железо проявляет степень окисления +2, +3. В разбавленных соляной и серной кислотах железо растворяется с выделением водорода:
Fe2+ + 2H+ = Fe2+ + H2.
Растворяется железо в разбавленной азотной кислоте, образуя соль железа (III), воду и продукт восстановления азотной кислоты:
Fe0 + 4H = Fe+3(NO3)3 + 2 H2O + .
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо (покрывает его пассивной защитной пленкой).
При высокой температуре (700-900 °С) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4 H2O = Fe3O4 + 4H2.
Накаленная железная проволока ярко горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II, III):
Fe2O3
3Fe + 2O2 = Fe3O4
FeO.
В щелочах (кроме горячих концентрированных растворов) оно не растворимо.
При слабом нагревании железо взаимодействует с хлором и серой, при высокой температуре – с углем, кремнием и фосфором. Например:
4Fe + 3C = Fe4C3.
Соединения железа
Оксид железа (II) FeO – черный легко окисляющийся порошок. Получается восстановлением оксида железа (III) оксидом углерода (II) при 500 °С:
Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2.
FeO проявляет свойства основного оксида: легко растворяется в кислотах, образуя соли железа (II).
Оксид железа (III) Fe2O3 – самое устойчивое природное кислородсодержащее соединение железа, красно-бурого цвета, обладающее основными свойствами. Растворяясь в кислотах, образует соли железа (III).
Оксид железа (II, III) Fe3O4 встречается в природе в виде минерала магнетита.
Оксидам соответствуют гидроксиды железа.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 образуется при действиии щелочей на соли железа (II):
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2¯ + Na2SO4.
Белый гидроксид железа (II) Fe(OH)2 на воздухе становится сначала зеленоватым, а затем бурым, переходя в гидроксид железа (III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4 Fe(OH)3.
Fe(OH)2 проявляет основные свойства, хорошо растворим в минеральных кислотах, образуя соли.
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O,
Fe(OH)3 + 3NaOH = Na3[Fe(OH)6].
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 выпадает при действии щелочей на соли железа (III) в виде красно-бурого осадка:
Fe2(SO4)3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3¯ + 3Na2SO4.
Fe(OH)3 – более слабое основание, чем гидроксид железа (II). Это объясняется тем, что у Fe+2 меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe+3, а значит, Fe+2 слабее удерживает гидроксид ионы, т. е. Fe(OH)2 более легко диссоциирует. У железа хорошо выражена способность образовывать комплексные соединения.
Для обнаружения катиона железа (II) Fe2+ используют гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль). При этом образуется темно-синий осадок гексацианоферрат (III) железа (II) (турнбулева синь):
3FeCl2 + K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2¯ + 6KCl,
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2¯.
Для обнаружения катиона железа (III) Fe3+ используют гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль). При этом образуется синий осадок – гексацианоферрат (II) железа (III) (берлинская лазурь):
4Fe2(SO4)3 + K4[Fe(CN)6]3 = Fe4[Fe(CN)6]3¯ + 12K2 SO4,
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3¯.
Катион железа (III) Fe3+ также можно обнаружить с помощью раствора роданида калия. При этом образуется соединение кроваво-красного цвета – роданид железа:
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3¯ + 3KCl,
Fe3+ + 3CNS- = Fe(CNS)3¯.
Кобальт
Природный кобальт – стабильный изотоп 5927Со (100 %). В качестве радиоактивного индикатора используют искусственный изотоп 6027Со, источник γ-излучения при лечении раковых опухолей.
В природе кобальт содержится в виде минералов – арсенида CoAs2 и сульфоарсенида CoAsS.
Чистый кобальт похож на железо: блестящий, вязкий металл плотностью 8,84 г/см3, тугоплавкий, обладает магнитными свойствами, устойчив к действию воды и воздуха. Кобальт менее активен, чем железо, труднее растворяется в разбавленных кислотах, более устойчив к действию воды, воздуха:
Co + 2HCl = CoCl2 + H2,
Co + H2SO4 = Co SO4 + H2,
3Co + 8HNO3(р) = 3Co(NO3)2 + 2NO + 4H2O,
Co + HNO3(к) ¹ пассивирование.
Подобно железу кобальт образует соединения со степенью окисления +2, +3. У кобальта два простых оксида: оксид кобальта (II) СоО и оксид кобальта (III) Co2O3, также один смешанный оксид Co3O4 или (CoO×Co2O3). Гидроксид кобальта (II) Со(OH)2 получается при действии щелочей на растворы солей кобальта (II). Сначала выпадает синий осадок гидроксохлорида кобальта:
CoCl2 + NaOH = CoOHCl¯ + NaCl.
Под действием избытка едкого натра он переходит в розовый гидроксид кобальта (II):
CoOHCl + NaOH = Co(OH)2¯ + NaCl.
Кислород воздуха в присутствии воды окисляет гидроксид кобальта (II) до темно-бурого гидроксида кобальта (III):
4Co(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Co(OH)3.
Гидроксид кобальта (III) не имеет амфотерных свойств как Fe(OH)3:
4Co(OH)3 + 4H2SO4 = 4CoSO4 + 10H2O + O2,
2Co(OH)3 + 6HCl = 2CoCl2 + Cl2 + 6H2O.
Соли кобальта (II) в безводном состоянии синего, а в водных растворах – розового цвета. Они достаточно устойчивы. Обычные соли кобальта (III) нестойки, но их комплексные соли прочны.
Никель
Природная смесь содержит пять стабильных изотопов никеля: 5828Ni, 6028Ni, 6128Ni, 6328Ni, 6428Ni. Содержание никеля в земной коре 0,02 %. Важнейшие руды – никелевый колчедан NiS и мышьяковоникелевый блеск NiAsS.
Чистый никель - желтовато-белый, пластичный, ковкий и тягучий металл, хорошо полируется, ферромагнитен. Ni по многим физическим свойствам сходен с кобальтом. Плотность никеля равна 8,9 г/см3, температура плавления 1455 °С.
В компактном состоянии никель устойчив к действию воздуха, воды, менее активен, чем железо, хуже растворяется в разбавленных кислотах и воде нерастворим в щелочах. Концентрированная азотная и серная кислоты пассивирует никель.
У никеля два оксида – оксид никеля (II) NiO и оксид никеля (III) Ni2O3. Наиболее устойчивы соединения никеля (II), соединения никеля (III) проявляют окислительные свойства, они нестойки.
Гидроксид никеля (II) Ni(OH)2 осаждают, действуя щелочами на соли:
NiSO4 + 2NaOH = Ni(OH)2¯ + Na2SO4.
Гидроксид никеля (II) на воздухе не окисляется, а окисляется хлором:
Ni(OH)2 + NaOH + Cl2 = Ni(OH)3 + NaCl.
Гидроксид никеля (III) обладает более ярко выраженными окислительными свойствами, чем Co(OH)3:
2Ni(OH)3 + 6HCl = 2NiCl2 + Cl2 + 6H2O.
Подобно железу и кобальту никель образует комплексные соединения:
NiSO4 + 6NH4OH = [Ni(NH3)6]SO4 + 6H2O.
Основная масса никеля в промышленности расходуется на производство сплавов для электротехники: инвара, платинита, нихрома, никелина. Как лигирующий металл никель сообщает сталям вязкость, механическую прочность, жаростойкость, устойчивость к коррозии. Хромоникелевые стали идут на изготовление брони, снарядов. Никель используется как катализатор.
Вопросы для самоподготовки
В каком виде встречаются металлы в природе?
Какова их распространенность? Могут ли они образовывать самостоятельные руды? Их получение рентабельно?
Как положение металла в таблице Д. И. Менделеева позволяет прогнозировать его свойства и свойства его соединений?
Дайте прогноз химических свойств металлов по положению их в ряду напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глинка Н. Л. Общая химия. Л.: Химия, 1983-1987. 703 с.
2. Коровин Н. В. Общая химия. М.: Высш. шк., 1998. 559 с.
3. Харин А. Н. Курс химии. М.: Выс. шк., 1975. 511c.
4. Некрасов Б. В. Учебник общей химии. М.: Химия, 1981 560 с.
5. Рабинович В.А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1978. 392 с.
6. Общая химия. Метод. указ. / Сост. С. Н. Верещагин, О.К. Клусс, Л. В. Фоменко, Л. С. Черникова. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1998. 75 с.
7. Классификация и номенклатура неорганических соединений. Метод. указ. / Сост. Г. Т. Половникова, Л. С. Черникова, Г. Д. Мальчиков. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1982. 20 с.
8. Фундаментальные законы, теории и основные понятия химии. Метод. указ. / Сост. Г. Д. Мальчиков, Л. С. Черникова, Г. Т. Половникова. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1982. 32 с.
9. Высокомолекулярные соединения. Метод. указ. / Сост. Л. А. Рубчевская, В. П. Кисилев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1979. 74 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
Рабочая программа 4
Программа экзамена 7
График изучения курса химии 10
Глоссарий терминов 11
1. Введение 15
2. Энергетика химических процессов. Основные понятия
термодинамики в курсе общей химии 31
3. Химическая кинетика и химическое равновесие 40
4. Строение атома. Периодический закон 51
5. Химическая связь и строение молекул 61
6. Растворы 76
7. Металлы. Общая характеристика 86
8. Окислительно-восстановительные процессы 94
9. Элементы электрохимии 98
10 Коррозия металлов 113
11. Легкие конструкционные металлы 120
Литература 139
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 745; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!