28) Оксиды азота

Оксид азота (I)

N₂⁺¹O закись азота, "веселящий газ"

Физические свойства

Газ, бесцветный, запах сладковатый, растворим в воде, t°пл.= -91°C, t°кип.= -88,5°С. Анестезирующее средство.

Получение

NH₄NO₃ → N₂O + 2Н₂O

Химические свойства

1. Разлагается при 700°C с выделением кислорода:

2N₂O → 2N₂ + O₂

поэтому он поддерживает горение и является окислителем

2. С водородом:

N₂O + H₂ → N₂ + Н₂O

3. Несолеобразующий

Оксид азота (II)

N⁺²O окись азота

Газ, бесцветный, плохо растворим в воде, t°пл.= -164°C, t°кип.= -152°С

Получение

1. Каталитическое окисление аммиака (промышленный способ)

4NH₃ +5O₂ → 4NO + 6H₂O

2. 3Cu + 8HNO3(разб.) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

3. N₂ + O₂ →2NO (в природе, во время грозы)

Химические свойства

1. Легко окисляется кислородом и галогенами

2NO + O₂ → 2NO₂

2NO + Cl₂ → 2NOCl(хлористый нитрозил)

2. Окислитель

2NO + 2SO₂→ 2SO₃ + N₂0

3. Несолеобразующий

Оксид азота (III)

N₂⁺³O₃ азотный ангидрид

Физические свойства

Темно-синяя жидкость (при низких температурах), t°пл.= -102°C, t°кип.= 3,5°С; Выше t°кип. разлагается на NO и NO₂. N₂O₃ соответствует азотистой кислоте (HNO₂), которая существует только в разбавленных водных растворах.

Получение

NO₂ + NO → N₂O₃

Химические свойства

Все свойства кислотных оксидов.

N₂O₃ + 2NaOH → 2NaNO₂(нитрит натрия) + H₂O

Оксид азота (IV)

N⁺⁴O₂ двуокись азота, диоксид азота

Физические свойства

Бурый газ, запах резкий, удушливый, ядовит, t°пл.= -11,2°C, t°кип.= 21°С.

Получение

1. 2NO + O₂ → 2NO₂

2. Cu + 4HNO₃(конц.) →Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Химические свойства

1. Кислотный оксид с водой

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃

со щелочами

2NO₂ + 2NaOH → NaNO₂ + NaNO₃ + H₂O

2. Окислитель

NO₂ + SO₂ → SO₃ + NO

3. Димеризация

2NO₂(бурый газ)« N₂O₄(бесцветная жидкость)

Оксид азота (V)

N₂⁺⁵O₅ азотный ангидрид

Физические свойства

Кристаллическое вещество, летучее, неустойчивое.

Получение

1. 2NO₂ + O₃→ N₂O₅ + O₂

2. 2HNO₃ +P₂O₅ → 2HPO₃ + N₂O₅

Химические свойства

1. Кислотный оксид

N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃

2. Сильный окислитель

3. Легко разлагается (при нагревании - со взрывом):

2N₂O₅ → 4NO₂ + O₂

29) Азотная кислота - HNO₃

В лабораторных условиях азотную кислоту можно получить действием концентрированной серной кислоты на нитраты:

NaNO₃+H₂SO₄(к)=NaHSO₄+HNO₃ Реакция протекает при слабом нагревании.

Получение азотной кислоты в промышленных масштабах осуществляется каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха:

1. Вначале смесь аммиака с воздухом пропускают над платиновым катализатором при 800°С. Аммиак окисляется до оксида азота (II):

4NH₃ + 5O₂=4NO+6Н₂О

2 . При охлаждении происходит дальнейшее окисление NO до NO₂: 2NO+O₂=2NO₂

3. Образующийся оксид азота (IV) растворяется в воде в присутствии избытка О2 с образованием HNO₃: 4NO₂+2Н₂O+O₂=4HNO₃

Исходные продукты — аммиак и воздух — тщательно очищают от вредных примесей, отравляющих катализатор (сероводород, пыль, масла и т.п.).

Образующаяся кислота является разбавленной (40-60% -ной). Концентрированную азотную кислоту (96-98% -ную) получают перегонкой разбавленной кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой. При этом испаряется только азотная кислота.

Физические свойства

Азотная кислота — бесцветная жидкость, с едким запахом. Очень гигроскопична, «дымит» на воздухе, т.к. ее пары с влагой воздуха образуют капли тумана. Смешивается с водой в любых соотношениях. При -41,6°С переходит в кристаллическое состояние. Кипит при 82,6°С.

В HNO₃ валентность азота равна 4, степень окисления +5. Структурную формулу азотной кислоты изображают так:

Оба атома кислорода, связанные только с азотом, равноценны: они находятся на одинаковом расстоянии от атома азота и несут каждый по половинному заряду электрона, т.е. четвертая часть азота разделена поровну между двумя атомами кислорода.

Химические свойства

1. Разбавленная азотная кислота проявляет все свойства кислот. Она относится к сильным кислотам. В водных растворах диссоциирует: HNO₃↔ Н⁺+NO^-₃ Под действием теплоты и на свету частично разлагается:

4HNO₃=4NO₂+2Н₂O+O₂ . Поэтому хранят ее в прохладном и темном месте.

2. Для азотной кислоты характерны исключительно окислительные свойства. Важнейшим химическим свойством является взаимодействие почти со всеми металлами. Водород при этом никогда не выделяется. Восстановление азотной кислоты зависит от ее концентрации и природы восстановителя. Степень окисления азота в продуктах восстановления находится в интервале от +4 до -3:

Продукты восстановления при взаимодействии азотной кислоты разной концентрации с металлами разной активности приведены ниже в схеме.

Концентрированная азотная кислота при обычной температуре не взаимодействует с алюминием, хромом, железом. Она переводит их в пассивное состояние. На поверхности образуется пленка оксидов, которая непроницаема для концентрированной кислоты.

Примеры:

3. Азотная кислота не реагирует с Pt, Rh, Ir, Та, Au. Платина и золото растворяются в «царской водке» — смеси 3 объемов концентрированной соляной кислоты и 1 объема концентрированной азотной кислоты:

Au+НNO₃+3НСl= AuСl₃+NO+2Н₂О

3Pt+4HNO₃+12НСl=3PtCl₄+4NO+8H₂O

Действие «царской водки» заключается в том, что азотная кислота окисляет соляную до свободного хлора:

HNO₃+HCl=Сl₂+2Н₂О+NOCl

Выделяющийся хлор соединяется с металлами.

4. Неметаллы окисляются азотной кислотой до соответствующих кислот, а она в зависимости от концентрации восстанавливается до NO или NO2:

S+6НNO₃(конц)=H₂SO₄+6NO₂+2Н₂О

Р+5НNO₃(конц)=Н₃РO₄+5NO₂+Н₂О

I₂+10HNO₃(конц)=2HIO₃+10NO₂+4Н₂О

3Р+5HNO₃(pазб)+2Н₂О= 3Н₃РО₄+5NO

5. Она также взаимодействует с органическими соединениями.

Соли азотной кислоты называются нитратами, представляют собой кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Их получают при действии HNO₃ на металлы, их оксиды и гидрокси-ды. Нитраты калия, натрия, аммония и кальция называются селитрами. Селитры используются главным образом как минеральные азотные удобрения. Кроме того, KNO₃ применяют для приготовления черного пороха (смесь 75% KNO₃, 15% С и 10% S). Из NH₄NO₃, порошка алюминия и тринитротолуола изготавливают взрывчатое вещество аммонал.

Соли азотной кислоты при нагревании разлагаются, причем продукты разложения зависят от положения солеобразующего металла в ряду стандартных электродных потенциалов:

Разложение при нагревании (термолиз) — важное свойство солей азотной кислоты.

2KNO₃=2KNO₂+O₂

2Cu(NO₃)₂=2CuO+NO₂+O₂

Соли металлов, расположенных в ряду левее Mg, образуют нитриты и кислород, от Mg до Cu — оксид металла, NO2 и кислород, после Си — свободный металл, NO₂ и кислород.

Применение

Азотная кислота — важнейший продукт химической промышленности. Большие количества расходуются на приготовление азотных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, пластмасс, искусственных волокон и др. материалов. Дымящая азотная кислота применяется в ракетной технике в качестве окислителя ракетного топлива.

Соли азотной кислоты – нитраты

Все нитраты термически неустойчивы. При нагревании они разлагаются с образованием кислорода. Характер других продуктов реакции зависит от положения металла, образующего нитрат, в электрохимическом ряду напряжений:

Особое положение занимает нитрат аммония, разлагающийся без твердого остатка:

NH₄NO₃ (кр.) → N₂O + 2H₂O.

Соли азотной кислоты — нитраты — при нагревании необратимо разлагаются, продукты разложения определяются катионом:

а) нитраты металлов, стоящих в ряду напряжений левее магния:

2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂

б) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений между магнием и медью:

4Al(NO₃)₃ = 2Al₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂

в) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений правее ртути:

2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂ + O₂

г) нитрат аммония:

NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O

Нитраты в водных растворах практически не проявляют окислительных свойств, но при высокой температуре в твердом состоянии нитраты — сильные окислители, например:

Fe + 3KNO₃ + 2KOH = K₂FeO₄ + 3KNO₂ + H₂O — при сплавлении твердых веществ Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4KOH = 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O — при сплавлении.

Цинк и алюминий в щелочном растворе восстанавливают нитраты до NH₀₀:

Соли азотной кислоты — нитраты — широко используются как удобрения. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде, поэтому в виде минералов их в природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Большинство нитратов получают искусственно.

30) Металлы составляют большую часть химических элементов. Каждый период периодической системы (кроме 1-го) химических элементов начинается с металлов, причем с увеличением номера периода их становится все больше. Если во 2-м периоде металлов всего 2 (литий и бериллий), в 3-м — 3 (натрий, магний, алюминий), то уже в 4-м — 13, а в 7-м — 29.

Атомы металлов имеют сходство в строении внешнего электронного слоя, который образован небольшим числом электронов (в основном не больше трех).

Это утверждение можно проиллюстрировать на примерах Na, алюминия А1 и цинка Zn. Составляя схемы строения атомов, по желанию можно составлять электронные формулы и приводить примеры строения элементов больших периодов, например цинка.

В связи с тем что электроны внешнего слоя атомов металлов слабо связаны с ядром, они могут быть «отданы» другим частицам, что и происходит при химических реакциях:

Свойство атомов металлов отдавать электроны явтяется их характерным химическим свойством и свидетельствует о том, что металлы проявляют восстановительные свойства.

При характеристике физических свойств металлов следует отметить их общие свойства: электрическую проводимость, теплопроводность, металлический блеск, пластичность, которые обусловлены единым видом химической связи — металлической, и металлической кристаллической решетки. Их особенностью является наличие свободноперемещающихся обобществленных электронов между ион-атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки.

При характеристике химических свойств важно подтвердить вывод о том, что во всех реакциях металлы проявляют свойства восстановителей, и проиллюстрировать это записью уравнений реакции. Особое внимание следует обратить на взаимодействие металлов с кислотами и растворами солей, при этом необходимо обратиться к ряду напряжений металлов (ряд стандартных электродных потенциалов).

Примеры взаимодействия металлов с простыми веществами (неметаллами):

с солями (Zn в ряду напряжений стоит левее Сu): Zn + СuС1₂ = ZnCl₂ + Сu

Таким образом, несмотря на большое многообразие металлов, все они обладают общими физическими и химическими свойствами, что объясняется сходством в строении атомов и строении простых веществ.

Металлическая связь— связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа». Как следствие, металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

31) Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Эти металлы получили название щелочных, потому что большинство их соединений растворимо в воде. По-славянски «выщелачивать» означает «растворять», это и определило название данной группы металлов. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.

Основная характеристика щелочных металлов: В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на новом энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1. Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия — один из самых низких) и электроотрицательности (ЭО).

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, азоту их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

1. Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий:

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

2. Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава:

При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2:

В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:

Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

3. Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов:

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных — аминах и амидах:

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

4. Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

Окраска пламени щелочными металлами

Li К арминно-красный

Na Жёлтый

K Фиолетовый

Rb Беловато-розовый

Cs Фиолетово-красный

Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:

катод: Li+ + e → Li

анод: 2Cl- — 2e → Cl₂

2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na+ + e → Na

анод: 4OH- — 4e → 2H₂O + O₂

Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

В промышленности гидроксид калия получают электролизом хлористого калия. Особенностью технологического оформления производства гидроксида калия является тот факт, что на аналогичных установках электролиза можно выпускать как едкий калий, так и каустическую соду. Это позволяет производителям без существенных капиталовложений переходить на производство гидроксида калия взамен каустической соды, производство которой не столь рентабельно, а сбыт в последние годы усложняется. При этом в случае изменений на рынке возможен безболезненный перевод электролизеров на производство ранее выпускавшегося продукта…

ГИДРОКСИД КАЛИЯ: свойства и применение

Гидроксид калия — KOH. Тривиальные названия: едкое кали, каустический поташ, а также гидрат окиси калия, гидроокись калия, гидроксид калия, кали едкое, калиевая щелочь.

Свойства гидроксида калия

Бесцветные, очень гигроскопичные кристаллы. Водные растворы КОН имеют сильнощелочную реакцию. Гидрат окиси калия (кали едкое) получают диафрагменным электролизом раствора хлористого калия. Физические константы: Mr = 56,11, r = 2,04 г/см3, tпл = 404 °C, tкип = 1324 °C

Гидроксид калия продается в виде массивных блоков, хлопьевидной массы, гранул или небольших кусков, а также 40-50%-х растворов. Соединения калия менее распространены и поэтому более дороги, чем соответствующие соединения натрия. Они применяются только в тех случаях, когда необходим присущий им комплекс физико-химических свойств, не обеспечиваемый соединениями натрия.

Гидрат окиси калия негорюч и взрывобезопасен, по степени воздействия на организм относится к веществам 2-го класса. Едкое вещество, при попадании на кожу и слизистые оболочки, особенно глаза, вызывает тяжелые химические ожоги и хронические заболевания кожных покровов. Особенно опасно попадание в глаза.

дна из важнейших областей применения гидроксида калия — производство мягкого мыла. Смеси калиевых и натриевых мыл используются для получения жидких мыл, моющих средств, шампуней, кремов для бритья, отбеливателей и некоторых фармацевтических препаратов. Другая важная область применения— производство различных солей калия. Например, перманганат калия получают путем сплавления диоксида марганца с каустическим поташем и последующего окисления образовавшегося манганата калия в электролизной камере. Дихромат калия можно получить аналогичным способом, хотя чаще его изготовляют сплавлением тонко измельченной хромитной руды с карбонатом или гидроксидом калия и воздействием на полученный хромат кислотой с образованием дихромата калия. Гидроксид калия также применяют вместе с каустической содой в производстве многих красителей и других органических соединений, а также как адсорбент газов, дегидратирующий агент, осадитель нерастворимых гидроксидов металлов, в щелочных аккумуляторах, для получения различных соединений калия.

Кроме того, гидроксид калия используется для обеззараживания сточных вод, в азотной промышленности для осушки газов, в резинотехнической промышленности в качестве «калийного мыла», предотвращающего слипание крошки каучука и др.

Жидкий технический гидроксид калия применяется при производстве удобрений, синтетического каучука, электролитов, реактивов, в медицинской промышленности.

Натрия нитрат, азотнокислый натрий, NaNO3, соль; бесцветные кристаллы.

Применяется как удобрение; в стекольной, металлообрабатывающей промышленности; для получения взрывчатых веществ, ракетного топлива и пиротехнических смесей желтого огня. Получается из природных залежей выщелачиванием горячей водой и кристаллизацией; абсорбцией раствором соды окислов азота; обменным разложением кальциевой или аммиачной селитры с сульфатом, хлоридом или карбонатом натрия.

32) эта подгруппа состоит из двух типов элементов. Бериллий и магний элементы коротких периодов более сходны между собой, чем с другими четырьмя элементами, которые собственно и образуют семейство щелочноземельных металлов. Фактически, бериллий и в меньшей степени магний более сходны с первыми элементами подгруппы IIIA. Особенностью электронного строения любого элемента подгруппы IIA является наличие двух электронов на внешнем слое и внутренняя электронная структура по типу предыдущего благородного газа. Способность отдавать два внешних валентных электрона возрастает в подгруппе с увеличением атомного радиуса и атомного номера элемента. Максимальная степень окисления составляет II, но имеются сведения о существовании соединений со степенью окисления I. Такие соединения неустойчивы и диспропорционируют с образованием свободного металла и иона М(II).

Физические и химические свойства. Все элементы подгруппы IIA химически активны и поэтому в свободном состоянии в природе не существуют. Щелочноземельные металлы энергично реагируют с водой, вытесняя водород и образуя гидроксиды, как и щелочные металлы. Магний взаимодействует только с кипящей водой, а бериллий не реагирует даже с парами при высокой температуре. Бериллий отличается от остальных элементов подгруппы и даже от магния по химическим и многим физическим свойствам. Такое отличие характерно для всех элементов, начинающих подгруппы А, что объясняется малым радиусом иона и соответственно высокой зарядовой плотностью. Особенности и отличия свойств бериллия приведены ниже.

Физические свойства. Бериллий очень твердый материал и способен оставлять царапины на стекле; твердость других элементов подгруппы уменьшается, и барий по твердости близок к свинцу.

Химические свойства

Кальций — типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

Ca + 2Н₂О = Ca(ОН)₂ + Н₂↑ + Q.

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

2Са + О₂ = 2СаО, Са + Br₂ = CaBr₂.

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Са + Н₂ = СаН₂, Ca + 6B = CaB₆,

3Ca + N₂ = Ca₃N₂, Са + 2С = СаС₂,

3Са + 2Р = Са₃Р₂ (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅;

2Ca + Si = Ca₂Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то есть эти реакции — экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑,

Ca₃N₂ + 3Н₂О = 3Са(ОН)₂ + 2NH₃↑.

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат СаС₂О₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО₃, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО₃)₂ в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + СО₂↑ + Н₂О.

Применение металлического кальция

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

Легирование сплавов

Применение соединений кальция

Гидрид кальция

Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH2 (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии) и при получении водорода в полевых условиях.

Оптические и лазерные материалы

Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.

Карбид кальция

Карбид кальция CaC₂ широко применяется для получения ацетилена и для восстановления металлов, а также при получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C, реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).

Химические источники тока

Кальций, а также его сплавы с алюминием и магнием используются в резервных тепловых электрических батареях в качестве анода(например кальций-хроматный элемент). Хромат кальция используется в таких батареях в качестве катода. Особенность таких батарей — чрезвычайно долгий срок хранения (десятилетия) в пригодном состоянии, возможность эксплуатации в любых условиях (космос, высокие давления), большая удельная энергия по весу и объёму. Недостаток в недолгом сроке действия. Такие батареи используются там, где необходимо на короткий срок создать колоссальную электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые космические аппараты и.др.).

Огнеупорные материалы

Оксид кальция, как в свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве огнеупорных материалов.

Лекарственные средства

Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

Хлорид кальция

Глюконат кальция

Глицерофосфат кальция

Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные комплексы для беременных и пожилых.

Гашеная известь — твердое вещество белого цвета, растворима в воде, однако растворимость ее невелика. Раствор гашеной извести в воде называется известковой водой. Он обладает щелочными свойствами. При пропускании через известковую воду СO₂ раствор мутнеет, а при дальнейшем пропускании муть исчезает:

Са(ОН)₂+СО₂=СаСО₃+Н₂O

СаСO₃+Н₂O+СO₂=Са(НСO₃)₂

Известковая вода применяется как реактив на оксид углерода (IV), а также для устранения временной жесткости воды, вызываемой гидрокарбонатом кальция Са(НСО₃)₂.

Летучие соединения кальция окрашивают пламя горелки в кирпично-красный цвет.

Жесткость воды

Как известно, в природе чистая вода практически не встречается — в ее составе всегда содержатся ионы различных солей. Воду, в составе которой содержится много ионов Са²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Fe⁺, называют жесткой, причем жесткость воды обуславливается главным образом ионами Са²⁺ и Mg²⁺. В жесткой воде плохо мылится мыло, плохо развариваются овощи, а при использовании такой воды в паровых котлах образуется накипь, которая может привести к взрыву котла. Жесткую воду перед употреблением необходимо смягчать. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость воды.

Карбонатной называют жесткость воды за счет содержащихся в ней гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении эти соли разрушаются с образованием трудно растворимых карбонатов, и ионы Са2+ и Mg2+ удаляются из раствора:

Са(НСО₃)₂=СаСО₃+Н₂O+CO₂

Mg(HCO₃)₂=Mg(OH)₂+2CO₂

Поэтому карбонатную жесткость часто называют временной жесткостью воды.

Некарбонатная жесткость определяется присутствием в воде сульфатов и хлоридов магния и кальция, которые не переводятся в осадок простым кипячением, и поэтому ее называют постоянной жесткостью воды. Для ее устранения кальций и магний осаждают содой:

CaSO₄+Na₂CO₃=CaCO₃+Na₂SO₄

33) В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в

главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение

атома 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый

Металл. Характеризуется

высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей

0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в

производстве электрических проводов. При одинаковой электрической

проводимости алюминмевый провод весит вдвое меньше медного.

Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al₂О₃, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl₃ + 3H₂,

3Н₂SO₄ + 2Al = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂.

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄].

Затем протекают реакции:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂,

NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)₄],

или суммарно:

2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂,

и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)₄] — алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)₄] — алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na[Al(OH)₄(Н₂О)₂] и К[Al(OH)₄(Н₂О)₂].

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃,

2Al + 3 Br₂ = 2AlBr₃.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I₂ = 2AlI₃.

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃,

который легко разлагается водой:

Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃ + 3Н₂S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН₃)х — сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al₂О₃.

Высокая прочность связи в Al₂О₃ обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe и даже 3СаО + 2Al = Al₂О₃ + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al₂О₃ соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl₂O₃·yH₂O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)₃.

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ + 3H₂O + 3NH₄Cl.

Амфотерность (от греч. amphóteros — и тот и другой), способность некоторых веществ в зависимости от условий проявлять либо кислотные, либо основные свойства; амфотерные вещества иногда называют амфолитами. Примерами могут служить гидроокиси алюминия, цинка, хрома и некоторых др. элементов. Так, Al(OH)3 в водном растворе диссоциирует по двум направлениям:

В присутствии кислот преобладает первый тип диссоциации и соединение ведёт себя как основание, в присутствии более сильных оснований — как кислота:

Оксид алюминия:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

Физические свойства. Железо — блестящий серебристо-белый металл, его плотность 7,87 г/см3, T. пл. 1539° С. Обладает хорошей пластичностью.

Химические свойства. На последнем уровне у атомов железа — 2 электрона, на предпоследнем — 14, в том числе 6 сверхоктетных.

Железо, отдавая два внешних электрона, проявляет степень окисления +2; отдавая три электрона (два внешних и один сверхоктетный с предпоследнего энергетического уровня), проявляет степень окисления +3:

Другие степени окисления для железа не характерны.

На воздухе железо легко окисляется, особенно в присутствии влаги (ржавление):

Взаимодействуя с галогенами при нагревании, железо всегда образует галогениды железа (III), например:

В разбавленных соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е. окисляется ионами водорода:

Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, образуя соль железа (III), воду и продукт восстановления азотной кислоты NH₃ или N₂O и N₂.

Концентрированные кислоты — окислители (HNO₃, H₂SO₄) пассивируют железо на холоде, однако растворяют его при нагревании:

При высокой температуре (700-900° С) железо реагирует с парaми воды:

Накаленная железная проволока ярко горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):

При слабом нагревании железо взаимодействует с хлором и серой, а при высокой температуре — с углем, кремнием и фосфором.

С металлами и неметаллами железо образует сплавы, имеющие исключительно большое значение в народном хозяйстве.

Для железа наиболее характерны два ряда соединений: соединения железа (II) и железа (III).

Оксид железа (II). Оксид железа (II) FeO — черный легко окисляющийся порошок. Получается восстановлением оксида железа (III) оксидом углерода (II) при 500° С:

FeO проявляет свойства основного оксида: легко растворяется в кислотах, образуя соли железа (II).

Оксид железа (III). Оксид железа (III) Fe₂O₃ — самое устойчивое природное кислородсодержащее соединение железа. Растворяясь в кислотах, образует соли железа (III).

Оксид железа (II-III). Оксид железа (II, III) Fe₃O₄ встречается в природе в виде минерала магнетита. Он хороший проводник тока, поэтому используется для изготовления электродов.

Оксидам соответствуют гидроксиды железа.

Гидроксид железа (II). Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 образуется при действии щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

Выпадает осадок белого цвета. В присутствии воздуха окраска делается зеленоватой, а затем бурой. Катионы железа (II) Fe²⁺ очень легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями в катионы железа (III) Fe^3+. Поэтому в растворах соединений железа (II) всегда имеются катионы железа (III). По этой же причине белый гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ на воздухе становится сначала зеленоватым, а затем бурым, переходя в гидроксид железа (III) Fе(ОН)₃:

Fe(OH)₂ проявляет основные свойства, хорошо растворяется в минеральных кислотах, образуя соли.

Гидроксид железа (III). Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ образуется в виде красно-бурого осадка при действии щелочами на соли железа (III):

Fе(ОН)₃ — более слабое основание, чем гидроксид железа (II). Это объясняется тем, что у Fе2+ меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe3+ а значит, Fe2+ слабее удерживает гидроксид-ионы, т. е. Fе(ОН)₂ более легко диссоциирует. Поэтому соли железа (II) гидролизуются незначительно, а соли железа (III) — очень сильно:

Гидроксид железа (III) обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:

Соли железа (II) и (III). Из солей железа наибольшее применение нашли: 1) гептагидрат сульфата железа (II) (железный купорос) FeSO₄× 7Н₂O для борьбы с вредителями растений, приготовления минеральных красок и т. д., 2) хлорид железа (III) FеСl₃ как коагулянт при очистке воды, а также как протрава при крашении тканей; 3) нонагидрат сульфата железа (III) Fe₂(SO₄)₃× 9Н₂O как коагулянт, а также для травления металлов; 4) нонагидрат нитрата железа (III) Fе(NО₃)₃× 9Н₂O как протрава при крашении хлопчатобумажных тканей и утяжелитель шелка.

Качественный реакции на ионы железа (II) и (III). Комплексные соединения железа. Катион железа (III) легко обнаруживается с помощью бесцветного раствора тиоцианата аммония NH₄NCS или тиоцианата калия KNCS, точнее, тиоцианат-иона NCS- . При действии NCS- на раствор соли железа (III) образуется соединение кроваво-красного цвета — тиоцианат железа (III) Fе(NCS)3

Тиоцианат-ион NCS" служит реагентом на катион железа (III) Fe3*.

Для обнаружения катиона железа (III) Fe3+ удобно применять сложное (комплексное) соединение железа гексацианоферрат (II) калия, т. наз. желтая кровяная соль, K₄[Fe(CN)₆]. В растворе эта соль диссоциирует на ионы:

При взаимодействии гексацианоферрат (II)-ионов [Fe(CN)₆]₄- с катионами железа (III) Fe3+ образуется темно-синий осадок — гексацианоферрат (II) железа (III) (берлинская лазурь):

Другое сложное соединение железа гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль) в растворе диссоциирует:

а при взаимодействии гексацианоферрат (III)-ионов [Fe(CN)₆]₃- с катионами железа (II) Fe2+ также образуется темно-синий осадок гексацианоферрат (III) железа (II) (турнбулева синь):

Таким Образом, соединения K₄[Fe(CN)₆] и K₃[Fe(CN)₆] являются важными реагентами соответственно на катион железа (III) Fe3+ и катион железа (II) Fe2+.

Ферраты железа (VI). Известно довольно небольшое число соединений железа (VI) — ферраты, например феррат калия K₂FeO₄, феррат бария BaFeO₄ и феррат кальция СaFeO₄.

Феррат калия образуется в результате реакции:

Предположения о существовании таких соединений как H₂FeO₄ и, соответственно, FeO₃ не получили экспериментального подтверждения.

Ферраты термически нестабильные соединения и разлагаются уже при 200 ° С:

Феррат калия проявляет более сильную окислительную способность, чем перманганат: