Металлы (стр. 3 из 4)
Переходные металлы.
Общая характеристика.
Переходные элементы расположены в Периодической системе в рядах с 4 по 7. Те переходные элементы, символы которых расположены в самой таблице, называют d-переходными элементами, а те элементы, символы которых расположены в низу таблицы, называют лантаноидами и актиноидами или f-переходными элементами. Отстановимся на получении и свойствах соединений элементов Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, и Ag. История открытия этих элементов.
Все эти элементы в свободном состоянии - металлы. На внешней электронной оболочке, номер которой совпадает с номером периода, расположены, как правило, два электрона. С ростом заряда ядра (при переходе в ряду слева на право) происходит заполнение d-орбиталей предыдущего электронного слоя. Несмотря на то, что d- и f-электроны расположены во внутреннем электронном слое, они в момент заполнения электронной оболочки могут как валентные электроны участвовать в образовании химической связи.
Электронные конфигурации атомов переходных элементов:
| Cr | 1s22s22p63s23p63d54s1 |
| Mn | 1s22s22p63s23p63d54s2 |
| Fe | 1s22s22p63s23p63d64s2 |
| Cu | 1s22s22p63s23p63d104s1 |
| Zn | 1s22s22p63s23p63d104s2 |
| Ag | 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 |
При заполнении электронной оболочки у атома хрома правило Клечковского (минимум энергии атома определяется минимумом суммы квантовых чисел n+l) конкурирует с правилом Хунда (минимуму энергии отвечает максимальный суммарный спин электронов у атома). У Cr победило правило Хунда.
У Zn полностью завершена электронная оболочка внутренних электронных слоев, а на s-подуровне внешнего электронного слоя находятся два электрона, поэтому цинк проявляет в соединениях только одну степень окисления: +2. Незавершенность d-подуровня и один электрон на внешнем s-подуровне указывают на способность химического элемента проявлять в соединениях несколько степеней окисления.
Хром и его соединения
Хром - серебристо-белый с голубоватым оттенком металл, встречается в природе в виде хромита железа Fe(CrO2)2 и хромата свинца PbCrO4.
Получение
Хром получают восстановлением:
Fe(CrO2)2 + 4C = Fe + 2Cr + 4CO,
K2Cr2O7 + 2C = Cr2O3 + K2CO3 + CO,
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3.
Свойства
Реагирует с неметаллами: галогенами, кислородом и т.д.:
2Cr + 3Г2 = 2CrГ3,
4Cr + 3O2 = 2Cr2O3.
При высокой температуре хром реагирует с водой:
2Cr + 3H2O = Cr2O3 + 3H2,
растворяется в кислотах:
Cr + H2SO4 = CrSO4 + H2
(без доступа воздуха).
Хром не растворяется в концентрированных серной и азотных кислотах на холоде (пассивируется), но растворяется в них при нагревании:
2Cr + 6H2SO4(конц) = Cr2(SO4)3 + 3SO2+ 6H2O.
Применение
Хром используется для получения нержавеющих сталей и различных сплавов, применяется для хромирования изделий.
Соединения хрома со степенью окисления +2
Получение
Эти содеинения получают растворением хрома в кислотах без доступа воздуха:
Cr + 2HCl = CrCl2 + H2 (голубой раствор),
2CrCl3 + H2 = 2CrCl2 + 2HCl,
Cr + CH3COOH = Cr(CH3COO)2 + H2.
Свойства
Cr(CH3COO)2 + 2NaOH = 2CH3COONa + Cr(OH)2¯.
Степень окисления: +2 очень неустойчивая и даже кислород воздуха окисляет Cr+2 до Cr+3:
4Cr(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Cr(OH)3
(зелено-голубоватый осадок).
При нагревании Cr(OH)2 разлагается.
Соединения хрома со степенью окисления +3
Они напоминают по свойствам соединения Al+3.
Оксид получают:
4Cr + 3O2 = 2Cr2O3,
(NH4)2Cr2O7
Cr2O3 + N2 + 4H2O.Оксид хрома (III) малорастворим и воде и в кислотах. Отвечающий ему гидрооксид обладает амфотерными свойствами:
Cr2(SO4)3 + 6КOH = 2Cr(OH)3¯ + 3К2SO4
(зеленоватый осадок).
Cr(OH)3 растворяется в избытке щелочи:
Cr(OH)3 + NaOH = Na[Cr(OH)4],
И в кислотах:
Cr(OH)3 + 3HCl = CrCl3 + 3H2O.
При прокаливании Сr(OH)3 разлагается:
2Сr(OH)3
Cr2O3 + 3H2O.При сплавлении Сr2O3 со щелочами или карбонатами получают метахромиты:
Сr2O3 + 2КOH = 2КCrO2 + H2O ,
Сr2O3 + К2CO3 = 2КCrO2 + CO2.
Галогениды
Галогениды получают:
2Cr + 3Cl2 = 2CrCl3,
Cr2O3 + 3Cl2 + 3C = 2CrCl3 + 3CO.
2CrCl3(тв) + 3H2S(газ)
Cr2S3 + 6HCl 2CrCl3 + 3Na2S + 6H2O = 2Cr(OH)3 + 3H2S + 6NaCl ,CrCl3 + NH3
CrN + 3HCl ,2CrCl3 + 3H2O2 + 10KOH = 2K2CrO4 + 6KCl + 8H2O.
CrCl3 + 3NaHCO3 = Cr(OH)3 + 3CO2 + 3NaCl
Соединения хрома со степенью окисления +6
В этих соединениях по свойствам хром напоминает S+6.
Кислотный оксид CrO3 получают разложением дихромовой кислоты:
K2Cr2O7 + H2SO4(конц) = 2CrO3 + K2SO4 + H2O.
Свойства
Свойства галогенидов передают реакций:
CrO3 является ангидридом хромовой и дихромовой кислот, хорошо растворим в воде:
CrO3 + H2O = H2CrO4,
H2CrO4 + CrO3 = H2Cr2O7.
В кислой среде существуют дихроматы:
| 2K2CrO4 + H2SO4 = | K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O, |
| желтый | оранжевый |
а в щелочной - хроматы:
| K2Cr2O7 + 2KOH = | 2K2CrO4 + H2O. |
| оранжевый | желтый |
В кислой среде Cr+6 сильный окислитель:
K2Cr2O7 + 14HCl = 2CrCl3 + 2KCl + 3Cl2+ 7H2O.
6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
в нейтральной среде:
K2Cr2O7 + 3(NH4)2S + H2O = 2Cr(OH)3 ¯+ 3S ¯+ 6NH3+ 2KOH.
Бихромат калия используется как окислитель.
Железо и его соединения
Железо встречается в природе в виде минералов: Fe3O4 - магнитный железняк, Fe2O3 - красный железняк, Fe2O3·H2O - бурый железняк, FeS2 - пирит.
Получение: Восстановлением оксидов при высокой температуре с помощью окиси углерода, кокса, водорода:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2,
FeO + C = Fe + CO,
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O.
Свойства: Для железа наиболее характерной степенью окисления является +3, возможна и +2, мало встречается +6. В ряду активностей металлов железо стоит левее водорода и вытесняет его из кислот:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
При нагревании железо растворяется в кислотах - сильных окислителях. При высокой температуре (8000 С) железо разлагает воду (промышленный способ получения водорода): 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 .
Железо реагирует с активными неметаллами:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3,
Fe + S = FeS.
На воздухе в присутствии паров воды и углекислого газа происходит ржавление железа:
Fe + 1/2 O2 + H2O + 2 CO2 = Fe(HCO3)2,
Fe(HCO3)2 + 2 H2O = Fe(OH)2 + 2H2O + 2CO2,
2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O = 2Fe(OH)3.
Железо вытесняет менее активные металлы из растворов их солей:
CuCl2 + Fe = FeCl2 + Cu¯ .
Кислородные соединения железа
Некоторые способы получения оксидов:
FeC2O4
FeO + CO2+ CO3Fe + O2 = Fe3O4
2Fe(OH)3
Fe2O3 + 3H2OОксиды FeO и Fe2O3 не растворяются в воде, но растворяются в кислотах:
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O,
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O.
Отвечающие оксидам железа гидроксиды получают, действуя щелочами на соли железа:
| FeCl2 + 2NaOH = | Fe(OH)2¯ + 2NaCl |
| белый |
| FeCl3 + 3NaOH = | Fe(OH)3¯ + 3NaCl |
| коричневый |
FeCl3 + 3NaHCO3 = Fe(OH)3 + 3CO2 + 3NaCl