Кислоты металлов побочных подгрупп

Положение в ПСХЭ. Электронное строение атомов

Находясь только в больших периодах (IV, V, VI), d-элементы образуют «вставные декады» (по 10 элементов) между s- и р- элементами, поэтому имеют общее название — переходные элементы.

Кроме этих 30 d-элементов, имеющих стабильные изотопы, искусственно синтезированы несколько радиоактивных d- элементов, занимающих свои места внезавершенном VII периоде.

В атомах d-элементов содержится от 1 до 10 электронов на d-подуровне предвнешнего электронного слоя и 2 (или 1 в случае проскока е-) электрона на s-подуровне внешнего электронного слоя. Общая формула электронной конфигурации валентных подуровней в атомах d -элементов.

Сравнение d -металлов с щел. Me и щел.-зем. Me

В каждом большом периоде d-элементы располагаются после двух s-элементов, которые являются щелочным и щелочноземельным металлами:

Радиусы атомов уменьшаются

Заряды ядер атомов увеличиваются

Поэтому d-металлы являются менее активными, чем щелочные и щелочноземельные металлы.

Возможные валентности и степени окисления

Вотличие от щелочных и щелочноземельных Me, большинство d-металлов имеют переменную валентность и переменную степень окисления. Это объясняется тем, что валентными в атомах d-элементовявляются не только s-электроны внешнего слоя, но и все или некоторые d -электроны предвнешнего слоя.

Положение в ПСЭ. Электронное строение атомов

Для d-металлов III — VII групп высшая Ви высшая С.О. равны номеру группы, т. е. суммарному числу е — на (n -1)d и ns-подуровнях; например у d -элементов четвертого периода:

Высшая степень окисления

Для d-металлов VIII группы высшая В и высшая с о., как правило, меньше суммарного числа е — на (n — 1)d и ns -подуровнях;

Высшая степень окисления

d-Металлы II группы, атомы которых имеют завершенную структуру d-подуровня (n -1)d10, проявляют в своих соединениях постоянную В = II и постоянную с.о. = +2.

Наиболее характерными валентностями и степенями окисления для d-металлов I группы являются: Сu — II и +2; Ag — I и +1; Au — III и +3.

Способность к комплексообразованию

Важной особенностью атомов d-металлов является наличие свободных орбиталей (на (n — 1)d -, ns — образованию и nр-подуровнях), что позволяет им образовывать донорно-акцепторные (координационные) связи с различными донорами неподеленных электронных пар (молекулы NH₃, Н₂O, ионы ОН — , CN — и др.).

Вследствие этого d-металлы образуют многочисленные и разнообразные комплексные соединения; например:

В свободном состоянии d -металлы (как и вообще все металлы) являются восстановителями. Восстановительная активность различных d — металлов изменяется в широких пределах: среди них есть металлы средней активности, находящиеся в ряду напряжений до водорода (Fe, Cr , Zn , Mn и др.); малоактивные металлы (Сu, Нg и др.) и благородные металлы (Au , Pt и др.), располагающиеся в ряду напряжений после водорода.

Окислительно-восстановительные свойства d-металлов и их соединений

Соединения d-элементов могут выполнять как восстановительные, так и окислительные функции. Соединения с невысокими степенями окисления являются восстановителями, а соединения с высокими степенями окисления — окислителями;

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов d-металлов

При увеличении степени окисления металла основной характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер усиливается:

Источник

Учебно-методическое пособие

9 класс

Продолжение.
См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31/2003

9. Металлы побочных подгрупп

Знать: особенности строения атомов металлов побочных подгрупп; химические свойства железа, хрома, цинка и их соединений; влияние степеней окисления элементов на кислотно-основные свойства их соединений.
Уметь: давать общую характеристику металлов побочных подгрупп по положению элементов в периодической системе и строению атомов; подтверждать уравнениями реакций восстановительные свойства металлов; описывать состав, характер и свойства их оксидов и гидроксидов в свете учения об ионных реакциях и окислительно-восстановительных процессах; раскрывать значение железа и его сплавов в жизни человека.
Основные понятия: природные соединения железа, цинка, меди, серебра; сильные и слабые окислители; коррозионная стойкость Fe, Zn, Cu, Ag, Au; амфотерность гидроксидов железа(III) и цинка; качественные реакции на ионы металлов Fe 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ag + .

Контрольные вопросы

1. Каково строение атома железа? Каковы степени окисления железа в соединениях? Приведите примеры.
2. Назовите формулы природных соединений железа.
3. Каковы физические свойства железа?
4. Какова активность железа в химических реакциях?
5. Как можно окислить железо?
6. Какова степень окисления железа в железной окалине Fe₃O₄?
7. Как горячая вода разрушает железо? Напишите уравнение реакции.
8. В чем различие реакций железа с хлором и с соляной кислотой? Составьте уравнения реакций.
9. В чем различие действия на железо сильных и слабых окислителей? Приведите уравнения реакций.
10. Как реагирует железо с серной и азотной кислотами?
11. Какие металлы могут быть вытеснены железом из растворов их солей?
12. Каково биологическое значение железа?
13. От чего зависит коррозионная стойкость железа?
14. Какие оксиды железа известны? Чему равны степени окисления элемента в них?
15. Как можно получить FеО? Как доказать его основный характер?
16. Как можно получить Fe₂О₃? Как доказать его амфотерность?
17. Какие гидроксиды образует железо? Каков их химический характер?
18. Почему гидроксид железа(II) буреет на воздухе? Напишите уравнение реакции.
19. Как можно получить гидроксиды железа в лаборатории? Напишите уравнения реакций.
20. Как ведут себя гидроксиды железа при нагревании? Составьте уравнения реакций.
21. Какой из гидроксидов железа амфотерен? Как он взаимодействует с щелочами?
22. Как окрашены растворы солей железа и от чего зависит их окраска?
23. Как распознать соли двухвалентного железа? Приведите уравнения реакций.
24. Как распознать соли трехвалентного железа? Приведите уравнения реакций.
25. Какое применение находит железо?
26. Опишите строение атома цинка, укажите его возможные степени окисления в соединениях.
27. Как можно получить цинк из его сульфида и карбоната? Приведите уравнения реакций.
28. Опишите физические свойства цинка.
29. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства цинка.
30. Как цинк взаимодействует с щелочами и их растворами? Приведите уравнения реакций.
31. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства оксида цинка.
32. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства гидроксида цинка.
33. Каково применение цинка и его соединений?
34. Каково строение атома меди? Укажите возможные степени окисления меди в соединениях.
35. Опишите важнейшие природные соединения меди.
36. Как можно получить медь из ее оксида, сульфида, карбоната? Составьте уравнения соответствующих реакций.
37. Опишите физические свойства меди.
38. Как медь взаимодействует с неметаллами? Приведите уравнения реакций.
39. Приведите уравнение реакции меди с концентрированной серной кислотой.
40. Как медь реагирует с азотной кислотой? Приведите уравнения реакций.
41. Какие оксиды образует медь? Каков их внешний вид?
42. Какие гидроксиды образует медь? Как они выглядят при получении?
43. Что происходит с гидроксидами меди при нагревании? Приведите уравнения реакций.
44. Каков химический характер гидроксида меди(II)? Подтвердите свое предположение уравнением реакции.
45. Как распознать растворы солей меди?
46. Каково применение меди и ее соединений?
47. Какова формула медного купороса? Как он ведет себя при нагревании?
48. Каково положение меди в ряду напряжений металлов? Как это проявляется в ее химических свойствах?
49. Каково строение атома серебра? Укажите его возможные степени окисления.
50. В каком виде серебро встречается в природе?
51. Каковы физические свойства серебра?
52. Каково положение серебра в ряду активности металлов? Как это проявляется в его химических свойствах?
53. Как серебро реагирует с серной и азотной кислотами? Приведите соответствующие уравнения реакций.
54. Что вы знаете об оксиде и гидроксиде серебра?
55. Где применяется серебро и его соединения?
56. В каком виде в природе встречается золото и почему?
57. Каковы физические свойства золота?
58. Каковы химические свойства золота?
59. Какие кислоты способны растворять золото, взаимодействуя с ним?
60. Где применяется золото и на каких свойствах основано его применение?

9.1. Свойства некоторых соединений металлов
побочных подгрупп

Хром устойчив к воздуху и воде, при нагревании растворяется в разбавленных кислотах:

Сr + 2НСl = СrCl₂ + Н₂,

Сr + Н₂SO₄ = СrSO₄ + Н₂.

Цвет раствора соли двухвалентного хрома – голубой. Соединения двухвалентного хрома очень неустойчивы:

Соли хрома(III) окрашены в зеленовато-фиолетовый цвет.
Оксид хрома(III) Сr₂О₃ – твердое вещество зеленого цвета, тугоплавкий.
Соединения хрома(III) по многим свойствам напоминают соединения алюминия.
Гидроксид хрома(III) образуется в виде студенистого остатка серо-синего цвета:

Сr₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Cr(ОН)₃ + 3Na₂SO₄.

При растворении Сr(ОН)₃ в щелочах образуются хромиты, имеющие зеленую окраску:

Оксид хрома(VI) СrО₃ – твердое кристаллическое вещество темно-красного цвета, неустойчив и ядовит, сильный окислитель:

4СrО₃ = 2Сr₂O₃ + 3O₂,

Кислоты Н₂СrO₄ и Н₂Сr₂O₇ существуют только в растворе, где устанавливается равновесие между ними:

Соединения шестивалентного хрома – окислители, особенно в кислой среде. Протекание окислительно-восстановительных реакций с участием солей хромовых кислот хорошо наблюдается по изменению окраски растворов от оранжевой до зеленовато-фиолетовой:

9.2. Решение задач по теме
«Металлы побочных подгрупп»

Задача 1. Для определения содержания серебра в сплаве его в количестве 0,5 г растворили в азотной кислоте. Раствор обработали соляной кислотой. Выпавший осадок промыли, высушили и взвесили. Масса его оказалась равной 0,398 г. Найти содержание серебра в сплаве.

Решение

При действии азотной кислоты серебро переходит в раствор в виде ионов Аg + , а после обработки полученного раствора соляной кислотой выпадает осадок AgCl, его масса 0,398 г.
Воспользуемся значениями молярных масс хлорида серебра и металлического серебра:

чтобы составить запись:

Рассчитаем массовую долю серебра в сплаве:

(Ag) = m(Ag)/m(сплава), (Ag) = 0,299/0,5 = 0,6, или 60%.

Задача 2. Сколько металлической меди растворилось в 500 мл 92,1%-й серной кислоты (плотность равна 1,83 г/мл), если конечная концентрация кислоты 91,6% (выделившуюся в реакции воду не учитывать).

Решение

Находим массу кислоты, содержащейся в растворе:

Находим массу воды в растворе:

m(Н₂O) = 500•1,83 – 842,7 = 915 – 842,7 = 72,3 г.

Массовая доля воды в растворе после реакции составляет 8,4% (т. к. 91,6% – Н₂SO₄).
Находим содержание Н₂SO₄ в растворе после реакции:

Значит, в реакцию вступило 842,7 – 788,4 = 54,3 г серной кислоты.
Составим уравнение реакции:

Найдем массу растворившейся меди:

m(Cu) = 64•54,3/196 = 17,7 г.

Задания для самоконтроля

1. Запишите уравнения реакций, соответствующих следующим превращениям:

а) Сu Сu(NO₃)₂ СuО СuSO₄ Сu Сu(ОН)₂;
б) ZnS ZnO ZnSO₄ Zn(OH)₂ ZnO Zn;
в) Fe FeS FeCl₂ FeCl₃ Fe(OH)₃ Fe₂O₃ FePO₄;
г) FeS₂ Fe(OH)₃ Fe₂(SO₄)₃ Fe(NO₃)₃ Fe₂O₃.

2. Как можно распознать в растворе:

а) сульфаты железа(III), меди(II) и цинка;
б) хлориды железа(II) и железа(III)?

3. Определите коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса.

а) К₂Сr₂O₇ + SnCl₂ + НСl СrCl₃ + SnCl₄ + КСl + Н₂O;
б) СrCl₃ + КNO₃ + К₂СО₃ K₂СrО₄ + СО₂ + КNO₂ + КСl;
в) МnO₂ + NаВiО₃ + НNО₃ HMnO₄ + BiONO₃ + NaNO₃ + H₂O;
г) К₂МnO₄ + Н₂О МnО₂ + КМnO₄ + КОН;
д) НNО₃ + FeO Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O.

4. Определите минимальный объем раствора с массовой долей азотной кислоты 80% и плотностью 1,45 г/мл, который потребуется для растворения серебра, полученного при взаимодействии 11,2 г железа с раствором, содержащим 51 г нитрата серебра.

5. Достаточно ли 29 мл раствора соляной кислоты, содержащего 0,146 массовых частей HCl (плотность 1,07 г/см 3 ), для растворения стальной детали массой 3,36 г?

6. Какой объем раствора соляной кислоты (концентрация 0,25 моль/л) потребуется для растворения 7,2 г смеси порошков железа и оксида железа(III), если массовая доля оксида железа равна 22,2%?

7. Образец оксида железа массой 32 г восстановили до металла оксидом углерода(II). Определите формулу оксида железа, если объем СО, вступившего в реакцию, составил при нормальных условиях 13,44 л.

10. Металлургия

Знать: основные способы получения металлов; сущность доменного производства чугуна; химизм производства стали; особенности промышленного получения алюминия; научные принципы металлургических производств.
Уметь: составлять уравнения реакций, отражающих различные способы промышленного получения металлов; сравнивать различные способы производства стали; раскрывать проблемы безотходных производств и охраны окружающей среды.
Основные понятия: металлургия, руда, пустая порода, пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия, металлотермия, алюмотермия, флюсы, раскислители, передельный чугун, доменная печь, кислородный конвертор, легированные стали, закалка и отпуск стали.

Контрольные вопросы

1. Известно, что металлы нашли широкое применение в электротехнике. Какое свойство металлов используется в этом случае?
2. Приведите примеры применения металлов в быту и на производстве.
3. Железо является основным конструкционным металлом. Как вы это понимаете? Как железо используют в качестве конструкционного материала?
4. Что такое металлургия?
5. В чем отличие черной металлургии от цветной?
6. Какие руды вам известны?
7. Как улучшают состав и свойства руды? Что называют дроблением, размолом, флотацией, брикетированием, агломерацией, пустой породой?
8. Какие металлы в цветной металлургии относят к легким, тяжелым, благородным?
9. Какие вещества используют в металлургии в роли восстановителей?
10. Что называют пирометаллургией, металлотермией, гидрометаллургией, электрометаллургией, алюмотермией?
11. Дайте определение понятиям «рафинирование», «закалка».
12. Какие виды механической обработки металлов вам известны? Что называют прокаткой, прессованием, ковкой, волочением, штамповкой?
13. Что такое чугун и передельный чугун? Какие примеси содержатся в чугуне?
14. Назовите основные руды, используемые в производстве чугуна. Какие формулы им соответствуют?
15. Что называют флюсом, коксом, раскислителем, шихтой?
16. Как устроена доменная печь? Сделайте рисунок доменной печи.
17. Напишите уравнения реакций, лежащих в основе производства чугуна.
18. Назовите основные области применения чугуна.
19. Почему нельзя загружать в доменную печь сильно измельченные плавильные материалы?
20. Какова роль шлака в доменном процессе? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
21. Почему доменная печь должна работать в непрерывном режиме?
22. Опишите основные отличия стали от чугуна (состав и свойства).
23. Как чугун превращают в сталь? Какие способы получения стали вам известны?
24. Что такое легирование и отпуск стали?
25. Что называют квасцами? Приведите формулу алюмокалиевых квасцов.
26. Назовите алюмосодержащие руды.
27. Опишите превращение боксита в глинозем. Приведите соответствующее уравнение химической реакции.
28. Опишите промышленный процесс превращения глинозема в алюминий.
29. Какие сплавы алюминия вам известны?
30. Назовите основные области применения алюминия.

10.1. Решение задач по теме
«Металлургия»

Задача 1. Для легирования стали требуется внести в расплав титан с массовой долей 0,12%. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана – 30%, железа – 70%?

Решение

Пусть m(ферротитана) – х кг, тогда

m (Тi) = m (ферротитана) • (Тi) = 0,3x кг.

Находим массу стали после добавления ферротитана в сплав:

Массовая доля титана в полученном сплаве составит:

(Тi) = m (Тi)/m’ (стали),

Задача 2. Барий получают алюмотермическим восстановлением оксида бария. Какая масса бария будет получена при взаимодействии оксидного концентрата массой 600 г (массовая доля BaO 91,8%) с техническим алюминием массой 100 г (массовая доля алюминия 98,55%)?

Решение

Запишем уравнение реакции:

Найдем массу и количество вещества оксида бария, взятого для реакции:

m(ВаО) = 600•0,918 = 550,8 г, (ВаО) = 550,8/153 = 3,6 моль.

Найдем массу и количество вещества алюминия, взятого для реакции:

m(Аl) = 100•0,9855 = 98,55 г, (Аl) = 98,55/27 = 3,65 моль.

По уравнению реакции определяем, какое из веществ взято в избытке:

Расчет ведем по BаО:

(Ва) = (ВаО) = 3,6 моль, m(Ва) = 3,6•137 = 493,2 г.

Задания для самоконтроля

1. Составьте уравнения реакций промышленных способов получения металлов:

а) цинка из сульфида цинка;
б) калия из хлорида калия;
в) железа из оксида железа(III);
г) никеля из сульфата никеля.

2. Действием оксида углерода(II) восстановили 9,95 г оксида металла(II) и получили 7,82 г чистого металла. Какой оксид металла был взят? Какой объем оксида углерода(II) (н. у.) прореагировал в этой реакции?

Ответ. NiO; 2,97 л СО.

3. Определите массу технического алюминия (массовая доля алюминия 98,4%), который потребуется для алюминотермического получения ванадия массой 15,3 кг из оксида ванадия(V).

4. Образец сплава железа с углеродом массой 7,27 г растворили в серной кислоте, при этом выделился водород объемом 2,8 л (н. у.). Определите массовую долю углерода в сплаве. Какой сплав железа был взят?

5. Определите массу свинца, который можно получить из каждого килограмма руды, содержащей 0,717 массовой доли PbS, если в процессе получения теряется 1% металла.

Ответы на задания для самоконтроля

9.2. Решение задач по теме «Металлы побочных подгрупп»

10.1. Решение задач по теме «Металлургия»

Источник