Установление и использование межпредметных связей при изучении элементов III и V группы периодической системы Д.И. Менделеева (стр. 3 из 9)

Таллий Tl – элемент III группы 6-гопериода п.с., относится к рассеянным элементам, легко разлагает кислоты. Производство таллия связано с комплексной переработкой сульфидных руд цветных металлов. Токсичен.

Актиний Ас – радиоактивный элемент III группы п. с. Период полураспада Ас составляет 22 года, испускает b-частицы (98 %) и a-частицы. Получают облучением радия нейтронами. Ас – металл серебристо-белого цвета, в соединениях проявляет с.ок. +3, по химическим свойствам близок к лантану. Ас – опасный радиоактивный яд.

Актиноиды – 5f-семейство элементов 7 периода п. с., все радиоактивны [2].

К III группе периодической системы относятся следующие элементы: бор В, алюминий Al, скандий Sc, галлий Ga, иттрий Y, лантан La (лантаноиды), таллий Tl, актиний Ac (актиноиды).

Данная тема изучается в школьной программе в 9 классе по учебнику Ф. Г. Фельдмана и Г. Е. Рудзитиса [3]. На изучение элементов III группы отводится лишь 2 часа.

В школьном учебнике Ф. Г. Фельдмана и Г. Е. Рудзитиса этой теме посвящен лишь один параграф, к тому же тема освещена не лучшим образом. Авторы учебника подробно рассматривают лишь один из элементов III группы – алюминий. В этом параграфе рассматриваются следующие подпункты.

2.1.1 Положение алюминия в периодической системе и строение его атома

Алюминий находится в главной подгруппе III группы. Схема расположения по энергетическим уровням следующая:

₊₃Al 2e^-, 8e^-,3e^-

Так как у атомов алюминия на внешнем уровне 3 электрона, то алюминий в соединениях проявляет степень окисления 4-3.

К такому же выводу приходим, руководствуясь представлениями о характере движения электронов в атомах и расположении их не только по энергетическим уровням, но и по подуровням. В атоме алюминия легко происходит распаривание 3s²-электронов и один электрон переходит 3p-орбиталь:

В результате получаются три неспаренных электрона. Ответьте на вопрос 1 (с. 138 [4]).

2.1.2 Нахождение алюминия в природе, его получение и свойства

Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре. Он встречается только в соединениях. Важнейшие из них указаны на схеме 19.

Схема 19

Окрашенные кристаллы Al₂O₃ красного цвета — рубины, синего цвета – сапфиры.

Получение

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 г. получил алюминий при нагревании хлорида-алюминия со щелочными металлами калием или натрием без доступа воздуха.

AlCl₃ +3K

3KCl + Al

Для промышленного получения алюминия эти методы экономически невыгодны, поэтому был разработан электрохимический метод получения алюминия из бокситов.

Физические свойства

Алюминий — серебристо-белый металл, легкий (r = 2,7 г/cм³), плавится при 660 °С. Он очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокаливается в листы и фольгу. По электрической проводимости алюминий уступает лишь серебру и меди (она составляет 2/3 от электрической проводимости меди).

Химические свойства

В электрохимическом ряду напряжения алюминий помещается за самыми активными металлами. Однако из повседневного опыта известно, что на алюминиевые изделия (посуду и т. д.) не действует ни кислород, ни вода даже при температуре ее кипения. На алюминий не действует также концентрированная холодная азотная кислота. Это объясняется наличием на поверхности алюминия тонкой оксидной пленки, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2А1 + 3HgCl₂® 2А1С1₃ + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, и образуется его сплав с ртутью — амальгама алюминия. На амальгамированной поверхности пленка не удерживается, поэтому алюминий реагирует с водой при обычных условиях (рис. 46):

2А1 + 6НОН ® 2А1(ОН)₃¯ + 3Н₂

При повышенной температуре алюминий реагирует со многими неметаллами и сложными веществами без амальгамирования:

Применение

Алюминий применяют для производства различных сплавов. Наибольшее распространение имеют дюралюмины, содержащие медь и магний, и силумины — сплавы алюминия с кремнием. Основные преимущества этих сплавов—легкость и высокая прочность. Упомянутые сплавы широко используют в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в ракетной технике и в строительстве. В виде чистого металла алюминий идет на изготовление электрических проводов и различной химической аппаратуры.

Алюминий используют также для алитирования, т. е. насыщения поверхностей стальных и чугунных изделий алюминием с целью защиты их от коррозии.

На практике часто используют термит (смесь оксида Fе₃O₄ с порошком алюминия). Если эту смесь поджечь (с помощью магниевой ленты), то происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe₃O₄® 4Al₂O₃ + 9Fe

Этот процесс используют при так называемой термитной сварке, а также для получения некоторых металлов в свободном виде.

Ответьте на вопросы 2—6 (с. 138). Решите задачи 1 – 2 (с. 138). [4]

2.1.3 Важнейшие соединения алюминия

Оксид алюминия

Аl₂О₃ можно получить следующими способами:

1. Непосредственным сжиганием порошка металлического алюминия (вдуванием порошка алюминия в пламя горелки):

4Al+ 3O₂ ® 2А1₂O₃

2. Путем превращения по приведенной ниже схеме:

Оксид алюминия — твердое, тугоплавкое (темп. пл. 2050 °С) вещество белого цвета.

По химическим свойствам это амфотерный оксид (I, § 37). Реагирует с кислотами, проявляет свойства основных оксидов:

А1₂O₃ + 6НС1

2А1С1₃ + 3Н₂O

Al₂O₃ + 6H⁺ +6С1^-

2Al³⁺ + 6С1^- + 3Н₂O

А1₂O₃ + 6Н⁺

2A1³⁺ + 3Н₂O

Оксид алюминия реагирует со щелочами и проявляет свойства кислотных оксидов. Причем при сплавлении образуются соли метаалюминиевой кислоты НА1O₂, т. е. мета-алюминаты:

Al₂O₃ + 2NaOH

2NaA10₂ + H₂0

В присутствии воды реакция протекает иначе:

А1₂О₃ + 2NаОН + Н₂O® 2[NaA1O₂ ^. H₂O]

Это объясняется тем, что в водном растворе алюминат натрия NaA1O₂ присоединяет одну или две молекулы воды, что можно изобразить так:

а) NaA1O₂-Н₂О, или NaH₂A1O₃; б) NaA1O₂-2H₂O, или NaAl(OH)₄.

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия А1(ОН)₃ получают при взаимодействии раствора щелочи с растворами солей алюминия (раствор щелочи нельзя брать в избытке):

АlCl₃ + NaOН®Al(OH)₃¯ + 3NaCl

A1³⁺ + 3Cl^- + 3Na⁺ + 3OH^-® Al(OH)₃¯ + 3Na⁺ + 3С1^-

Аl³⁺ + 3ОН^-® А1(ОН)₃¯

Если белую желеобразную массу гидроксида алюминия выделить из раствора и высушить, то получается белое кристаллическое вещество, практически не растворяющееся в воде.

Гидроксид алюминия (как и его оксид) обладает амфотерными свойствами. Подобно всем основаниям гидроксид алюминия реагирует с кислотами. При сплавлении гидроксида алюминия со щелочами образуются метаалюминаты, а в водных растворах — гидраты метаалюминатов:

А1(OH)₃ + NaOH

NaА1O₂ + 2Н₂O

А1(OH)₃ + NaOH®NaH₂А1O₃ + Н₂O

Соли алюминия получают в основном при взаимодействии металлического алюминия с кислотами. По физическим свойствам это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Химические свойства солей алюминия аналогичны свойствам других солей ([3], с. 98—99). Так как соли алюминия образованы слабым основанием и сильной кислотой, то они в водных растворах подвергаются гидролизу (с. 18).

Ответьте на вопросы 7—10 (с. 138). Решите задачу 3 (с. 138 [4]).

Генетическая связь между алюминием и его важнейшими соединениями (схема 20).

Выполните упражнение 11.

Далее в учебнике по этой теме приводятся задачи на закрепление материала. Также в учебнике приводится лабораторный эксперимент (с. 139) [4].

Таким образом, из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что в школьной программе на изучение данной темы отводится очень мало часов, и, кроме этого, практически нет сведений об экологических аспектах этой темы.

Азот образует ряд оксидов, формально отвечающих всем возможным степеням окисления от +1 до +5: N₂O, NО, N₂O₃, NO₂, N₂O₅, однако всего два из них – оксид азота(II) и оксид азота(IV) – не только устойчивы при обычных условиях, но и активно задействованы в природном и промышленном круговоротах азота.

2.2.1 Некоторые соединения азота и их свойства

1.2.1.1. Оксиды азота

N₂⁺¹O – оксид азота(I), закись азота, «веселящий» газ, несолеобразующий оксид. Получают N₂O разложением аммиачной селитры: