Соли азотной и фосфорной кислот используют в качестве удобрений, так как азот и фосфор, наряду с углеродом, водородом и кислородом – важные биогенные элементы.
Неметаллические свойства элементов XV группы при переходе от фосфора к висмуту ослабевают, а металлические усиливаются. Так, мышьяк, сурьма и висмут в низшей валентности III образуют, подобно металлам, соли, в частности, хлориды AsCl3, SbCl3 и BiCl3.
Усиление металлических свойств при увеличении атомного номера еще нагляднее выражено у р-элементов XIV группы – углерода, кремния, германия, олова и свинца. Углерод в обычных условиях инертен, но при высоких температурах становится химически активным. У углерода две характерные валентности – II и IV, соответствующие оксиды – СО и СО2. Диоксид углерода имеет кислотный характер и реагирует с водой с образованием угольной кислоты:
Угольная кислота неустойчива, но еѐ соли, карбонаты, находят широкое применение. С металлами углерод вступает в реакцию только при высоких температурах с образованием карбидов, например, CaC, W2C. Из соединений углерода с неметаллами можно отметить сероуглерод CS2, образующийся при пропускании паров серы через слой раскалѐнного угля, а также цианистый водород HCN, раствор которого в воде является нестойкой кислотой, соли которой, цианиды, напротив, устойчивы. Углерод является уникальным элементом, на основе которого образуются органические соединения (См. Лекцию 6), то есть является основным элементом для всей органической жизни. Ближайший аналог углерода, кремний, занимает третье место (после кислорода и водорода) по распространѐнности в природе. Основная часть земной коры состоит из силикатов с общей формулой MeSiO3. Силикаты являются солями кремниевой кислоты H2SiO3. Диоксид кремния SiO2, или кремнезѐм, встречается в виде кварца, основной составной части обычного песка. При взаимодействии диоксида кремния с кремнием при высоком давлении можно получить также оксид кремния SiO, но это вещество неустойчиво, так как для кремния двухвалентное состояние нехарактерно. С металлами кремний образует силициды (например, Mg2Si), с галогенами – галиды SiCl4, SiF4, SiI4 SiBr4.
Соединения кремния с водородом, силаны, различны по составу (например, SiH4, Si2H6… Si8H18) и являются аналогами углеводородов ряда метана, однако отличаются от них высокой реакционной способностью, в частности, воспламеняются на воздухе и сгорают с образованием диоксида кремния и воды. Гидриды кремния состава SinH2n и SinHn можно считать аналогами непредельных углеводородов, так как они также способны к полимеризации (см. Лекцию 6) . Полисилен (SiH2)n можно назвать неорганическим полимером. Олово и свинец по физическим свойствам являются типичными металлами, тогда как германий сходен с кремнием и является. Для всех трѐх элементов характерны валентности II и IV, они образуют соответствующие оксиды, соли и гидроксиды.
Из р-элементов XIII группы только бору присущи ярко выраженные неметаллические свойства. В своих соединениях он, как правило, трѐхвалентен. Наиболее распространѐнными его соединениями являются ортоборная кислота H3BO3 и соль тетраборной кислоты бура Na2B2O7∙10H2O. В обычных условиях бор инертен, но при высоких температурах соединяется с металлами, образуя бориды (например, MgB2), или с неметаллами с образованием оксида B2O3 и галидов (например, BCl3). При воздействии кислот на сплавы бора с магнием образуются соединения бора с водородом, или бораны. Горение диборана B2H6, сопровождается выделением огромного количества теплоты, поэтому его можно использовать в качестве ракетного топлива. Алюминий по распространѐнности стоит на четвѐртом месте (после кислорода, водорода и кремния), это металл, обладающий ценными свойствами, в частности прочностью и лѐгкостью. Его получают методом электролиза расплава глинозѐма Al2O3. Плѐнка этого оксида на поверхности металла делает алюминий устойчивым к действию кислот, хотя сильные щелочи легко растворяют алюминий с образованием алюминатов и водорода:
Гидроксид алюминия реагирует как с кислотами с образованием солей алюминия, так и со щелочами с образованием алюминатов. Галлий, индий и таллий реагируют с неметаллами активнее, чем алюминий, и хорошо растворяются в кислотах. У таллия имеются соединения, в которых он одновалентен. Кислотный характер гидроксидов галлия, индия и таллия выражен гораздо слабее, чем у алюминия.
Р-элементы XVIII группы, - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон, - относятся к инертным газам; они практически не вступают в химические реакции, потому что в их атомах все электроны спарены. Эти одноатомные газы долгое время считались химически абсолютно инертными, однако в 1962 году было обнаружено, что в определѐнных условиях они способны соединяться с фтором с образованием фторидов различного состава. Например, для ксенона, образующего самые устойчивые соединения, известны фториды XeF2
XeF4 и XeF6. Был также получен триоксид ксенона XeO3.
Свойства d-элементов:
В группах с III по XII располагаются d-элементы. По физическим свойствам это типичные металлы; в стандартных условиях все они, кроме ртути, находятся в твѐрдом состоянии. Химические свойства переходных элементов определяются строением внешнего электронного уровня dmsn, где m (количество электронов на d-подуровне) изменяется от 1 до 10, а n (количество электронов на s-подуровне) - от 2 до 0, так как у многих переходных элементов имеет место «проскок» s-электрона на d-подуровень. Электроны внешнего уровня у всех d-элементов находятся достаточно далеко от ядра, поэтому энергия ионизации как s-, так и d-электронов невелика. Поэтому в образовании связи могут участвовать не только s-, но и р-электроны. Это значит, что многие переходные р-элементы обладают переменной валентностью, которая может варьироваться от I до VIII. Проявляя низкие валентности (I-III), dэлементы ведут себя как металлы; проявляя высшие валентности (IVVIII), они обладают свойствами неметаллов. Именно поэтому их часто называют переходными элементами. Это название условно, поскольку двойственными свойствами обладают также многие pэлементы. Вот почему в «короткой» Периодической системе, где элементы подразделяются на 8 групп, d-элементы помещают в «типические» подгруппы, сравнивая их свойства со свойствами pэлементов, хотя электронное строение у них совершенно разное. По химическим свойствам переходные металлы сильно отличаются друг от друга. Так, металлы платиновой группы (рутений, родий, палладий, осмий иридий и платина), отличаются высокой химической устойчивостью и не подвергаются коррозии; все они, кроме платины и палладия нерастворимы даже в царской водке. Перевести платиновые металлы в растворимое состояние можно только сплавлением их со щелочами в присутствии окислителей. Палладий в соединениях, например, в хлориде палладия PdCl2, проявляет валентность II; для родия и иридия характерна валентность III, их гидроксиды Ph(OH)3 и Ir(OH)3 являются слабыми основаниями. Четырѐхвалентное состояние характерно для платины, например, при растворении платины в насыщенной хлором соляной кислоте можно получить платинохлористоводородную кислоту H2PtCl6. Осмий и рутений чаще всего проявляют валентность VI (K2OsO4, K2RuO4) и VIII (RuO4, OsO4). К
платиновым металлам примыкают «благородные» металлы золото и серебро. Они не растворяются в кислотах, которые не обладают окислительными свойствами, и не окисляются на воздухе. В кислотахокислителях серебро растворяется легко, тогда как золото можно растворить только в царской водке или в насыщенной хлором соляной кислоте. В своих соединениях серебро одновалентно (AgNO3, AgCl) , а золото проявляет как валентность I (AuCl, AuBr), так и валентность III (AuCl3, AuBr3). Медь на воздухе покрывается плѐнкой углекислых солей, при нагревании реагирует с кислородом с образованием оксидов, растворяется в азотной кислоте. Для меди характерны две валентности – I (например, оксид одновалентной меди Cu2O) и II (CuO). Самое широкое применение находят соединения двухвалентной меди; гидроксид меди (II) Cu(OH)2 нерастворим и обладает свойствами слабого основания, из солей меди (II) наибольшее практическое значение имеет пятиводный сульфат меди, или медный купорос CuSO4∙5H2O. Из триады d-элементов в составе железа, никеля и кобальта исключительное практическое применение имеет железо. Его мировое производство превышает 500 миллионов тонн. По химическим свойствам железо, никель и кобальт относятся к металлам средней активности, химически чистые металлы устойчивы к коррозии, хотя содержащее примеси железо подвергается атмосферной коррозии под воздействием влаги, кислорода воздуха и углекислоты (см. Лекцию 4). При высоких температурах активность этих металлов возрастает, например, железо разлагает воду по схеме:
В своих соединениях все металлы проявляют валентности II и III, хотя никель встречается в трѐхвалентном состоянии крайне редко. При растворении железа в кислотах образуются соли железа (II) например, FeCl2, FeSO4, Fe(NO3)2, которые могут легко окисляться с образованием солей трѐхвалентного железа: FeCl3, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3. Гидроксиды двухвалентных железа, кобальта и никеля нерастворимы и являются слабыми основаниями; их можно получить взаимодействием соответствующих солей со щелочами: