Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

Аналогично протекает коррозия железа в кислотной среде, например в воде, содержащей растворенные газы С 02 и 8 0 2 {водородная коррозия):

Ре° - 2е~ = Ре2+,

2Н+ + 2е~ = Н$ (рН < 7).

Особенно коррозионно-опасным можем быть место контакта двух^ разнородных металлов - контактная корро­ зия,. Между одним металлом, например Ре, и другим метал­ лом, например 8п или Си, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более актив­ ного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (8п, Си) и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность кон­ сервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напро­ тив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усили­ вается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовле­ ние сплавов железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и стали, содержащие хром {нержа­ веющие стали) имеют высокую коррозионную стойкость.

Общими способами получения металлов являются: электрометаллургия, т. е. получение металлов электроли­

зом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов их солей;

пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из их руд при высокой температуре (например, получение железа с помощью доменного процесса);

гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора Си804 вытеснением цинком, железом или алюминием).

В природе металлы встречаются иногда в свободном / виде, например, самородные ртуть, серебро и золото, а чаще-в виде соединений (металлических руд). Самые актив­ ные металлы, конечно, присутствуют в земной коре только в связанном виде.

160

Упражнения

16.1.Металлические элементы 8г, Сг, КЪ, Мп, Са, 08, 8п, V, Т\ расположите в ряд по возрастанию числа валентных электронов.

16.2.Имеется семь металлов: свинец, медь, ртуть, натрий, золото, серебро, вольфрам. Определите эти металлы по следующим физическим характеристикам: а) очень мягкий (режется ножом);

б) желтого цвета; в) имеет матовую поверхность; г) самый туго­ плавкий; д) жидкий при комнатной температуре; е) красного цвета; ж) обладает металлическим блеском и высокой электропровод­ ностью.

163. Сравните электронные конфигурации атомов марганца и хлора. Объясните их различие и причину нескольких степеней окисления у обоих элементов.

16.4. В водном растворе одновременно находятся катионы: а) 2п2+ и М§2+, б) Мп2+ и К+, в) Си2 и А13+. Предложите способы их разделения.

16.5. Составьте уравнения термических реакций:

А§>Ю3 4- С = Ъп + КОН 4- КЖ )3 =

=К22п0 2 4* НН3 4* ...

16.6.Известно, что не все металлы вытесняют водород из кислот-неокислителей. Укажите металлы, которые не будут вытеснять водород:

свинец, магний, хром, ртуть, марганец, кадмий, платина, олово,

серебро, железо, золото

16.7.Составьте уравнения реакций между М§, А1, Мп, Ре, Сё

ихлороводородной кислотой. Будут ли протекать подобные реак­

ции, если НС1 заменить на НВг, Н1, НСЮ4, Н2804 (конц.), НМ03(разб.)?.

16.8. Имеются следующие сплавы: а) алюмель (N1 4- А1 4- Мп 4- Ре);

б) баббит (8п 4- РЪ 4- Си); в) бронза (Си 4- 8п 4- А1 4- РЪ 4- Сг);

г) мельхиор (Си 4- N1 4- Ре 4- Мп); д) нихром (N1 4- Сг 4- А1);

е) хромель (N1 4- Сг 4- Со).

Как определить, какие сплавы полностью перейдут в раствор при обработке разбавленной серной кислотой?

16.9. Установите (устно), 1 моль цинка или 1 моль алюминия вытесняет при одинаковых условиях большой объем водорода из хлороводородной кислоты; 1 моль калия или 1 моль бария-из воды.

16.10. Железная пластинка, опущенная в раствор сульфата меди (II), покрывается слоем меди. Определите, в каких из

161

6-1945

пластинка металла-реагента окажется покрытой другим металлом из соли.

16.11.Железное изделие покрыто: а) хромом; б) никелем. Поясните процессы электрохимической коррозии в обоих случаях.

16.12.Марганец находится в воде и контактирует с медью. Сохранятся ли оба металла в неизменном виде?

,16.13. Составьте уравнения реакций:

16.14.Укажите реактивы, которыми можно перевести в раствор: а) медь; б) монетный сплав (Си 4- Д8.+ Аи); в) цинк; г) латунь (Си 4г 7п); д) чугун (Ре + С); е) феррохром (Ре 4- Сг).

16.15.Составьте уравнения электролиза: а) расплавов ЫН, С$С1, ВаВг2, СиС12; б) водных растворов Си804, Ва(ОН)2, ИаР, РеС12,

СаС12,■Са(ЬЮ3)2, А§И03.

16.16. Составьте уравнения гидролиза солей: сульфат марган­ ца (И), бромид аммония, нитрит калия, ацетат натрия, нитрат железа (III), карбонат цезия, сульфат диаммония-цинка (И), орто­ фосфат рубидия.

16.17. Проводят следующие реакции в водном растворе:

В каких случаях будет наблюдаться выделение газа? Составьте

162

17. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ. НАТРИЙ. КАЛИЙ

Щелочные металлы-элементы 1А-группы Периодической системы. Электронная формула, характерная степень окисления, металлические свойства. Простые вещества и их восстановительная способность. Взаимодействие с кислородом. Пероксиды и надпероксиды, окислительные свойства.

Оксиды и гидроксиды щелочных металлов, основные свойства. Соли щелочных металлов, их растворимость в воде. Окраска пламени. Бинарные соединения щелочных металлов-нитриды, карбиды, гидриды. Распространение в природе и применение щелочных металлов и их соединений. Франций. ч

Натрий. Физико-химические свойства. Взаимодействие с водой, кислородом, хлором. Получение' натрия в промышленности. Важнейшие соединения натрия-хлорид, гидроксид, карбонат. Получение в промышленности и применение. '

Калий. Физико-химические свойства. Взаимодействие с водой, кислородом. Получение калия в промышленности. Важнейшие соединениня калия-гидроксид, нитрат, карбонат. Получение в промышленности и применение. Калийные удобрения.

Щелочные металлы. Элементы-литий 1л, натрий Ка, калий К, рубидий КЪ, цезий Сз и франций Рг составляют 1А-группу Периодической системы. Групповое название этих элемен­ тов-и/елочные металлы.

На валентном электронном уровне атомов щелочных металлов содержится по одному электрону (т1). В соедине­ ниях эти металлы проявляют единственную степень окисле­ ния (+ 1). Электроотрицательность щелочных металлов очень низка, а цезий и франций-самые электроположитель­ ные элементы (%= 0,86). Это обусловливает существование их в виде однозарядных катионов, образующих с боль­ шинством известных анионов соответствующие соли или солеобразные бинарные соединения.

По химическим свойствам элементы 1А-группы являются типичными металлами; кристаллы их солей и бинарных соединений-ионные, щелочные металлы в свободном виде проявляют высокую восстановительную способность (в том числе и в водном растворе, см. Приложение 4), их оксиды и гидроксиды имеют сильнощелочной характер, получение щелочных металлов возможно только путем электролиза расплава их галогенидов или гидроксидов.

При сгорании на воздухе щелочные металлы образуют различные соединения с увеличивающимся содержанием кйслорода от 1л к Сз:

лйтий-оксид 1л20

163

6*

натрий-пероксид Ка20 2

калий, рубидий, цезий-надпероксиды К 0 2, КЮ 2, С$02

На холоду у всех элементов 1А-группы образуются оксиды

м2о (м= и - Сз).

Оксиды М20 являются типичными основными оксидами. При взаимодействии с водой (М20 + Н20 = 2МОН) они образуют основные гидроксиды МОН, которые хорошо растворимы в воде, полностью диссоциированы в водном растворе и создают сильнощелочную среду (МОН = М + +

+ОН“). Их часто называют щелочами.

Вузлах ионных кристаллических решеток пероксидов щелочных металлов М20 2. находятся пероксид-ионы 0\~ (или “0 —0 “), а в узлах решеток надпероксидов М 02- надпероксид-ионы Ог (или О—0 “). Кроме того, для К, КЪ

иСз полученьГ озониды МОэ, содержащие озонид-ицны Оз (или О—О—О“). Пероксиды, надпероксиды и озониды являются очень сильными окислителями за счет избыточ­ ного кислорода, например:

а) Иа20 2 + СО = Иа2С 03,

Ыа20 2 + 2Н2804 + 2Иа1 = \2[ + 2Н20 + 2Ыа2804;

б) 2К 02 + 8 = К2804,

2К02 + 2>Шз = 2КОН + И2 + 2Н26,

в) 4СзОэ + 2Н20 = 4СзОН + 502 2СзОэ + 4НС1 = 2СзС1 + С12Т + 2 0 2| + 2НгО.

Соли щелочных металлов, за редким исключением (1лР, Ы2С 0 3, Ы3Р 0 4, СзСЮ4) хорошо растворимы в воде; гидролиз по катиону отсутствует, среда в растворах таких солей, как 1лС1, ]ШЧ03 и Сз28 0 4-нейтральная. Катионы щелочных металлов окрашивают пламя газовой горелки в различные цвета:

Соли щелочных металлов используют в пиротехнических составах для фейерверков.

Щелочные металлы образуют много бинарных соедине­ ний, самыми известными из которых являются нитриды

М3И, карбиды (ацетилениды) М2С2 и гидриды МН. Все они энергично разлагаются водой:

1л3Ы + ЗН20 = 31ЛОН + 1ЧН31,

164

Ка2С2 + 2Н20 = 2ИаОН + С2Н21, КН + Н20 = КОН + Н2|.

Натрий и калий широко распространены в природе, а литий, рубидий и цезий-редкие элементы. Литий содер­ жится в нескольких силикатных минералах, а рубидий и цезий-спутники калия в соляных пластах, минералах и в воде минеральных источников. Франций-радиоактивный элемент,, его наиболее долгоживущий изотоп 223Рг имеет период .полураспада : 22 мин, в природе образуется при распаде ядер актиния. Литий и его гидроксид ООН приме­ няют в щелочных источниках тока.

Натрий. В свободном виде натрий-серебристо-белый металл' очень легкий (с1= 0,97) и мягкий (режется ножом), легкоплавкий (1пл = 97,8 °С). На воздухе поверхность метал­ ла покрывается слоем КаОН и теряет блеск. Хранят натрий под слоем керосина или бензина.

Очень бурно и с (большим э/сзо-эффектом натрий реагирует с водой:

2Ыа + 2Н20 = 2ИаОН + Н2Т 4- б-

От теплоты реакции кусочки натрия расплавляются в шарики, которые начинают беспорядочно двигаться из-за выделения Н2; реакция сопровождается резкими щелчками вследствие взрывов гремучего газа (Н2 + 0 2). Раствор окрашивается фенолфталеином в малиновый цвет (щелочная среда).

При нагревании на воздухе и в атмосфере хлора натрий образует пероксид Ка20 2 и хлорид КаС1. Со ртутью натрий образует жидкий сплав-амальгаму (до 0,2% Иа), Натрий в виде пара используют как наполнитель газоразрядных ламп наружного освещения (желтый свет). Пероксид натрия Ка20 2 применяют для регенерации кислорода в изолирую­ щих дыхательных приборах:

2Ка20 2 + 2С02 = 2Ка2СОэ + 0 2.

Но наиболее широкое применение имеют соединения натрия-гидроксид КаОН, хлорид №01 и карбонат Ка2С 0 3.

Хлорид натрия КаС1 (в быту -поваренная соль} представ­ ляет собой белые кристаллы с /пл = 801 °С. Одинаково умеренно растворяется в холодной и горячей воде, раствор имеет характерный (соленый) вкус. В лаборатории исполь­ зуется для получения хлороводорода НС1, в промышлен­ ности-для получения Ка и С12 (электролиз расплава), Н2, С12 и ЫаОН (электролиз раствора), Ка2СОэ (аммиачный

165

способ) и многих других соединений натрия. В природе ИаС1 содержится в соляных пластах (минерал галит), рассолах и морской воде («2,7%).

Гидроксид натрия КаОН (техническое названиъ-едкий натр)-белые кристаллы с 1пл = 322°С; он легко погло­ щает влагу и углекислый газ из воздуха (образуется ЫаНС03). Хорошо растворяется в воде с высоким экзо-

№[А1(ОН)4] и Н2).

Важнейший промышленный способ получения КаО Н - электролиз раствора КаС1, при этом одновременно полу­ чают Н2 (на инертном катоде) и С12 (на аноде). Но чаще используется амальгамный (ртутный) способ; на ртутном катоде вместо катионов водорода разряжаются катионы натрия, чему способствует образование амальгамы:

электролиз

2№С1 (раствор)-------------- ►2Ха(Н§-катод) 4- С12| (анод). амальгама

Далее амальгаму обрабатывают водой и получают ИаОН (освобождающуюся ртуть возвращают в электролизер).

Гидроксид натрия-важнейшее сырье химической про­ мышленности, он используется для получения натриевых солей (КаЖ>3, И аК 02, На28 0 3, ИаСЮ, На28Ю3 и др.), целлюлозы, мыла, красителей, извлечения и очистки олова и цинка, для переработки алюминиевых руд (бокситов).

Карбонат натрия Ка2СОэ (техническое название - каль­ цинированная сода) и его кристаллогидрат Ка2СОэ • 10Н2О {кристаллическая сода)-белые кристаллы, хорошо раство­ римые в воде. Вследствие гидролиза по аниону раствор имеет сильнощелочную среду (мылкий на ощупь).

количества МН3 и С 02, т,е. как бы вводят гидрокарбонат аммония КН4НС0 3:

ЫаС1 + ЫН3 + Н20 + С 02 = ЫН4С1 + ИаНСОз |.

н н 4н с о 3

Выпадает осадок малорастворимой в этих условиях соли

гидрокарбонат натрия КаНСОэ (в быту - питьевая сода). Его подвергают термическому обезвоживанию {кальцинирование)

166

и получают соду:.

2КаНСОз = Иа2СОз + Н20 + С 02.

Углекислый газ, а также аммиак, выделенный из маточного раствора МН4С1 по реакции . ^

2ИН4С1 + Са (ОН)2 = СаС12 + 2НгО + 2НН3|,

возвращают в производственный цикл.

Карбонат натрия-сырье для синтеза других соединений натрия, нерастворимых в воде карбонатов, производства стекла, мыла и других моющих средств, эмалей, реактив для устранения жесткости воды.

Натрий-шестой по распространенности элемент в зем­ ной коре (2,6 масс. %), где он находится только в виде солей. Входит в состав многочисленных минералов, соляных плас­ тов каменной соли (КаС1), живых организмов, содержится в морской воде (до 10,6 г ионов № + в 1 л).

Калий. По внешнему виду и свойствам калий похож на натрий, но более реакционноспособный. Энергично реаги­ рует с водой и вызывает возгорание водорода. На воздухе сгорает, образуя оранжевый надпероксид К 0 2. При комнат­ ной температуре реагирует с галогенами, при умеренном нагреваний-с водородом, серой. Во влажном воздухе быстро покрывается слоем КОН. Хранят калий под слоем бензина или керосина.

Наибольшее практическое применение находят соедине­

ния калия-гидроксид КОН, нитрат К Ж )3 и карбонат

к2со3.

Гидроксид калия КОН (техническое название - едкое кали)-белые кристаллы, расплывающиеся во влажном воздухе и поглощающие углекислый газ (образуется К 2СОэ

иКН С03). Очень хорошо растворяется в воде с высоким экзо-эффектом. Водный раствор-сильнощелочной.

Производят гидроксид калия электролизом раствора КС1 (аналогично производству ИаОН). Исходный хлорид калия КС1 получают из природного сырья (минералы сильвин КС1

икарналлит КМ§С13 *6Н20). Используют КОН для синтеза различных солей калия, жидкого мыла, красителей, как электролит в аккумуляторах.

Нитрат калия КМ0 3 (минерал калийная селитра)-белые

кристаллы, очень горькие на вкус, низкоплавкие (1^ = = 339 °С). Хорошо растворим в воде (гидролиз отсутствует). При нагревании выше температуры плавления разлагается на нитрит калия КМ0 2 и кислород 0 2, проявляет сильные окислительные свойства. Сера и древесный уголь загораются

167

ют с гашеной известью Са(ОН)2, в атмосфере СО (под , |

иона КЪ+?

17.2. Составьте названия следующих веществ: 1л3Р 0 4, КЬСЮ4, С$СЮ3, КаН804, Ка28, К20 2, № 0 2, КЬОэ.

168

173. Напишите формулы следующих веществ:

17.4.Составьте уравнения термических реакций:

173.Как изменяется рН среды при обработке натрия водой

иразбавленной бромоводородной кислотой?

17.6.Составьте уравнения реакций в водном растворе:

17.7. Через раствор гидроксида калия пропускают газы: диоксид серы, сероводород, иодоводород, хлор. Составьте уравнения

17.9. Составьте уравнения реакций гидролиза в водном раство­

17.10. Составьте уравнения электролиза: а) расплавов КС1, ИОН, ЫН, смеси КР 4- КС1; б) растворов КС1, ЙЪ280 4, КР, ЫОН, смеси КаОН 4- КаС1.

17.11. Приведите все возможные доводы размещения калия в 1А-группе, а аргона-в УША-группе, хотя аргон тяжелее калия.

18. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ПА-ГРУППЫ. КАЛЬЦИЙ. .

Элементы ИА-группы. Общая электронная конфигурация, электроотрицательность элементов, характерная степень окисления. Простые вещества, их восстановительные свойства. Взаимодействие с кислородом, водородом, азотом, галогенами^ серой, водой. Распространение в природе и применение.

169