ХИМИЯ 10

Если при проведении этой реакции использовать обратный порядок смешивания растворов — раствор соли алюминия по каплям приливать к раствору щёлочи, то образования осадка может не наблюдаться или же наблюдается его кратковременное появление в первый момент и последующее растворение. Это объясняется амфотерными свойствами образующегося гидроксида — образующийся вначале осадок Al(OH)3 легко растворяется в избытке щёлочи с образованием хорошо растворимой комплексной соли:

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl;

Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6].

Лабораторный опыт 10

Амфотерные свойства гидроксида алюминия

Получение гидроксида алюминия. Налейте в пробирку раствор сульфата алюминия объёмом 2–3 см3, отметьте его окраску. Прибавьте по каплям в пробирку разбавленный раствор гидроксида натрия (или калия) до образования осадка.

Изучение свойств. Разделите осадок примерно на равные части (в отдельные пробирки). К первой части добавьте раствор серной кислоты, к другой — щёлочь до исчезновения осадка.

Сделайте вывод о кислотно-основных свойствах гидроксида алюминия. Составьте уравнения протекающих химических реакций в молекулярном и

ионном виде.

При нагревании гидроксид алюминия превращается в оксид: 2Al(OH)3 =t Al2O3 + 3H2O↑.

Гидроксид алюминия при высокой температуре (сплавление) реагирует с основаниями, основными оксидами и карбонатами с образованием метаалюминатов:

Al(OH)3 + KOH =t KAlO2 + 2H2O↑;

2Al(OH)3 + BaO =t Ba(AlO2)2 + 3H2O↑;

2Al(OH)3 + CaCO3 =t Ca(AlO2)2 + CO2↑ + 3H2O↑.

Применение алюминия и его соединений

Чаще всего алюминий применяется в виде металла. Он используется для получения лёгких сплавов — основного конструкционного материала для космической и авиационной техники, речных судов и катеров.

Алюминий обладает высокой электропроводностью. Поэтому его используют при изготовлении электрических проводов и кабелей.

Из-за высокой теплопроводности алюминий и его сплавы применяют при производстве радиаторов для обогрева и отвода теплоты.

Мелкодисперсный алюминиевый порошок (алюминиевая пудра) используется в качестве пигмента в красках.

Природный минерал корунд, представляющий собой чистый кристаллический оксид алюминия, из-за высокой твёрдости используется в качестве абразивного материала. Синтетический оксид алюминия широко применяется в производстве керамики, устойчивой при очень высоких температурах. Природные монокристаллы оксида алюминия (это минералы рубин, сапфир) являются драгоценными камнями и используются в производстве ювелирных украше-

ний (рис. 101).

Рис. 101. Рубин (а) и сапфир (б)

Очень важное значение имеет каолинит, большие количества которого расходуются при производстве цемента. На первой стадии шихту, состоящую из глины, известняка и добавок, подвергают обжигу во вращающихся печах при 1500 С. При этом протекают сложные процессы дегидратации и образования алюмосиликатов кальция. В результате образуется цементный клинкер — очень твёрдые спёкшиеся гранулы. Вторая стадия производства цемента — измельчение клинкера и получение порошкообразного цемента, способного необратимо твердеть при смешивании с водой. Огромные количества цемента используются в строительстве.

Алюминий обладает высокой химической активностью, но его поверхность покрыта тонкой оксидной плёнкой, защищающей металл от кислорода и паров воды.

Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами и реагируют с кислотами и щелочами.

Вопросы и задания

1.Какое место по распространённости в земной коре занимает алюминий?

2.Какое число электронов, протонов и нейтронов содержится в атоме нуклида алюминия-27?

3.Охарактеризуйте физические свойства металлического алюминия.

4.Составьте уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Al2O3 → Al(OH)3 → Al → Al2S3 → Al(OH)3;

NaAlO2 → Al(OH)3 → AlCl3 → Al → Al(NO3)3 → Al2O3.

5.В раствор массой 300 г и массовой долей гидроксида натрия, равной 18,0 %, поместили алюминий массой 20,0 г. Рассчитайте объём (н. у.) водорода, выделившегося при этом.

6.Какое число атомов содержится в алюминиевом кубике с длиной ребра, равной 15,0 мм?

§55. Металлы групп В

Ухимических элементов групп В валентными являются электроны как внешнего (s-электроны), так и предвнешнего (d-электроны) уровней, а для лантанидов и актинидов даже третьего снаружи (f-электроны) энергетических уровней.

Все элементы групп В относятся к металлам.

Особенности строения атомов металлов d-элементов

При движении по периоду у атомов s- и p-элементов увеличение на единицу заряда ядра приводит к добавлению одного электрона на внешний энергетический уровень. В атомах элементов В-групп электроны добавляются не на внешний, а на предвнешний (d-элементы) уровень или даже третий снаружи (f-элементы) уровень.

В отличие от s- и p-металлов, для металлов групп В характерен более широкий набор возможных степеней окисления (табл. 29) их атомов в соединениях.

Таблица 29. Электронные конфигурации и степени окисления некоторых металлов

групп В

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов

Кислотно-основный характер оксидов и гидроксидов металлов, проявляющих в соединениях переменную степень окисления, изменяется от основных (металл в низшей степени окисления) через амфотерные (металл в промежуточной степени окисления) до кислотных (металл в высшей степени окисления). Подтверждением этому служат многочисленные оксиды и гидроксиды марганца.

Усиление кислотных свойств

Усиление основных свойств

Так, например, высшие оксиды и гидроксиды ванадия, хрома, марганца и железа проявляют кислотные свойства, а соединения этих металлов в низшей степени окисления — основные:

CrO3 + 2KOH = K2CrO4 + H2O;

Mn2O7 + 2NaOH = 2NaMnO4 + H2O;

Cr(OH)2 + 2HCl = CrCl2 + 2H2O;

MnO + 2HCl = MnCl2 + H2O.

Оксиды и гидроксиды этих элементов с атомами металла в промежуточной степени окисления проявляют выраженные в разной степени амфотерные свой-

ства. Они более выражены у соединений Cr(III), менее — у соединений Fe(III)

и Mn(III), Mn(IV):

Cr(OH)3 + 3HCl = CrCl3 + 3H2O;

Cr(OH)3 + 3KOH = K3[Cr(OH)6].

Окислительно-восстановительные свойства оксидов и гидроксидов

Оксиды и гидроксиды, содержащие атомы элементов В-групп в максимальной степени окисления, проявляют сильные окислительные свойства. Например, CrO3 (H2CrO4), Mn2O7 (HMnO4) являются очень сильными окислителями:

8HMnO4 + 5H2S + 3H2SO4 = 8MnSO4 + 12H2O; 2CrO3 + 12HCl = 2CrCl3 + 3Cl2↑ + 6H2O.

Окислительные свойства соединений Mn(VII) выражены сильнее, чем у соединений Cr(VI). Также очень сильными окислителями являются соединения

Co(III) и Ni(III).

Важнейшие соединения металлов групп В

Многие соединения элементов групп В находят широкое применение. В таблице 30 приведены краткие сведения о некоторых таких соединениях и их свойствах.

Таблица 30. Применение некоторых соединений металлов групп В

Биологическая роль соединений металлов групп В

Для живых организмов важно поступление в организм небольших количеств соединений хрома, марганца, железа, кобальта, меди, цинка и некоторых других d-элементов. Их атомы, как правило, входят в состав сложных ферментативных систем и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Об особой роли железа вы узнаете в следующем параграфе, здесь же мы кратко расскажем о роли хрома, марганца и меди.

Следует отметить, что, несмотря на доказанную жизненную важность поступления соединений указанных элементов в живые организмы, их роль в клеточных процессах и механизм участия изучены недостаточно полно. Для различных элементов учёные по-разному продвинулись в понимании указанных вопросов, но в целом остаётся много неясных моментов.

Например известно, что марганец входит в состав 12 ферментов, медь — 30, железо — 70, а цинк — более чем в 100 различных ферментов.

Медь. Растворимые соединения меди в больших количествах токсичны для человека и животных. В соответствии со стандартом в 1 дм3 питьевой воды не должно содержаться более 0,0005 г меди.

Вместе с тем медь нужна для жизни многих животных и растительных организмов: атомы меди входят в состав более 30 ферментов и белков (оксигеназы, гидроксилазы и др.). Поэтому небольшие количества меди должны поступать в организм с водой или пищей. В организме человека массой 70 кг содержится примерно 70 мг меди. Считается, что потребность взрослого человека в меди составляет 2–3 мг в сутки.

Некоторые учёные полагают, что дефицит меди в организме человека вызывает появление седины: в тёмных волосах меди больше, чем в светлых. Поэтому

геронтологи советуют употреблять богатые медью продукты — орехи, яичный желток, печень, ржаной хлеб.

При дефиците меди в организме нарушается обмен железом между плазмой крови и эритроцитами. Соединения меди важны при лечении анемии. Важна роль меди в создании миелина — оболочки нервных волокон.

Медь поступает в растения в виде растворимых соединений из почвы. При её недостатке растения плохо развиваются и могут погибнуть.

В крови ракообразных и головоногих медь входит в состав дыхательного пигмента гемоцианина и играет ту же роль, что и железо в составе гемоглобина. Соединяясь с кислородом, гемоцианин синеет (поэтому у улиток голубая кровь), а отдавая кислород тканям — обесцвечивается.

Хром и марганец. Хром и марганец относят к микроэлементам, необходимым для нормального функционирования организма человека. В организме взрослого человека содержится примерно 5–6 мг хрома и 20 мг марганца. Считают, что хромсодержащие ферменты ускоряют процессы обмена углеводов. Кроме того, при дефиците хрома в организме повышается уровень холестерина и сахара. Марганец необходим для эффективного усвоения тиамина (витамина В1), железа и меди. Содержащие марганец ферменты — аргиназа и холинэстераза — выполняют важные биологические функции.

Соединения хрома (особенно хрома(VI)) очень опасны для человека и вызывают онкологические заболевания. Среднесуточная предельно допустимая концентрация хрома (в пересчёте на CrO3) в воздухе населённых пунктов составляет 0,0015 мг/м3, а в питьевой воде — 0,1 мг/дм3.

У металлов групп В, проявляющих переменные степени окисления, кислотно-основный характер оксидов и гидроксидов изменяется от основных (металл в низшей степени окисления) до

кислотных (металл в высшей степени окисления). Оксиды и гидроксиды металлов групп В в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства.

Вопросы и задания

1.В чём особенность заполнения электронной оболочки атомов элементов групп В?

2.Запишите формулу электронной конфигурации: а) атомов скандия, марганца и титана; б) ионов: Zn2+, Cu+, Sc3+.

3.Как изменяется кислотно-основный характер оксидов марганца? Приведите примеры пяти оксидов марганца и укажите их кислотно-основный характер.

4.Рассчитайте объём раствора гидроксида калия с молярной концентрацией 0,050 моль/дм3, необходимого для полного осаждения гидроксида из раствора, содержащего хлорид марганца(II) массой 20,0 г.

5.Рассчитайте максимальный объём (н. у.) сероводорода, который может поглотить подкисленный серной кислотой раствор, содержащий перманганат калия массой 200 мг.

§ 56. Железо

Среди всех металлов железо, по-видимому, имеет наиболее важное значение для человека и всей его хозяйственной деятельности. Вспомним, что в состав самого важного вещества крови — гемоглобина — входят атомы железа, их недостаток в организме часто не совместим с жизнью. О роли железа в нашей повседневной жизни можно судить по большому количеству изделий из него вокруг нас.

Химический элемент и простое вещество

В ядре атома железа содержится 26 протонов, электронная оболочка имеет конфигурацию [Ar]3d64s2. В соединениях железо проявляет степени окисления +2, +3 и +6. Соединения, содержащие

Нахождение в природе и получение

По распространённости в земной коре железо занимает четвёртое место (после O, Si, Al) и второе место среди металлов (после Al). Его массовая доля в земной коре составляет 4,65 %. В свободном виде (т. е. в виде металла) железо встречается в составе метеоритов. В земной коре железо находится в виде соединений.

результате которых из руды последовательно восстанавливается железо (Fe2O3 → → Fe3O4 → FeO → Fe) до металлического:

C + O2 =t CO2;

C + CO2 =t 2CO; 3Fe2O3 + C =t 2Fe3O4 + CO↑;

3Fe2O3 + CO =t 2Fe3O4 + CO2↑;

Fe3O4 + CO =t 3FeO + CO2↑;

FeO + CO =t Fe + CO2↑.

Флюсы, взаимодействуя с примесями (соединения Si, P, S), превращаются в легкоплавкие шлаки, которые имеют низкую плотность и поэтому всплывают на поверхность расплавленного железа:

SiO2 + CaCO3 =t CaSiO3 + CO2↑.

Содержащийся в шихте кокс растворяется в расплавленном железе и поэтому в доменном процессе получается чугун — сплав железа, в котором массовая доля углерода превышает 2 %. При высокой температуре железо реагирует с углеродом и образуется карбид железа (цементит):

3Fe + C =t Fe3C.

Отрицательное свойство чугуна — его хрупкость: при ударах он лопается и растрескивается. Поэтому из чугуна нельзя изготавливать изделия, подвергающиеся таким нагрузкам.

Основная масса производимого чугуна расходуется на производство стали — сплава железа, в котором массовая доля углерода не превышает 2 %. В процессе выплавки стали из чугуна удаляется избыточное количество углерода и других неметаллов (Si, P, S, N), отрицательно сказывающихся на её свойствах. Это осуществляется путём продувки через расплавленный чугун кислорода. При этом железо частично превращается в оксид FeO, который в этих условиях активно окисляет примеси, сам при этом восстанавливаясь до железа.

В лабораторных условиях небольшие количества железа легко получаются при восстановлении его оксидов водородом или алюминием:

Fe2O3 + 3H2 =t 2Fe + 3H2O↑;

Fe2O3 + 2Al =t 2Fe + Al2O3.

Химические свойства железа

Железо — металл с умеренной химической активностью. В сухом воздухе массивное железо устойчиво примерно до 200 С. При дальнейшем нагревании в атмосфере, содержащей кислород, происходит окисление железа. Состав продуктов зависит от условий проведения реакции:

2Fe + O2 =t 2FeO;

3Fe + 2O2 =t Fe3O4; 4Fe +3O2 =t 2Fe2O3.

При нагревании железо реагирует с серой, галогенами:

При комнатной температуре железо не реагирует с водой и растворами щелочей. Концентрированные растворы азотной и серной кислот пассивируют поверхность железа, и оно в них не растворяется.