Отношение некоторых металлов к водным растворам щелочей

Состав оксидной пл.	Металл	Растворы щелочей
NaOH	или	КОН
BeO	Be	H2 + Na[Be(OH)3] Тригидрооксибериллат натрия	или	Na[Be(OH)4] Тетрагидрооксибериллат натрия
ZnO	Zn	H2 + Na[Zn(OH)3] Тригидрооксицинкат натрия	или	Na[Zn(OH)4] Тетрагидрооксицинкат натрия
Al2O3	Al	Na[Al(OH)4]	или	Тетрагидрооксиалюминат натрия
PbO	Pb	H2 + Na[Pb(OH)3] Тригидрооксиплюмбит натрия	или	Na[Pb(OH)4] Тетрагидрооксиплюмбит натрия
SnO	Sn	H2 + Na[Sn(OH)3] Тригидрооксистаннит натрия	или	Na[Sn(OH)4] Тетрагидрооксистаннит натрия

Отношение металлов к растворам солей

Каждый металл ряда стандартных электродных потенциалов вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. Например,

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + Cu

Электронные уравнения

Fe – 2e = Fe^-2 (процесс окисления)

Cu⁺² +2e = Cu (процесс восстановления)

_____________________

Fe + Cu⁺² = Fe⁺² + Cu

Однако возможны случаи, когда менее активные металлы взаимодействуют в водной среде с солями, образованными активными металлами.

Так, протекание реакции между железом (Е^о = -0,440 В) и хлоридом цинка обусловлено гидролизом соли в водном растворе и дальнейшем взаимодействии металла с продуктами гидролиза (HCl).

ZnCL₂ + H₂O = ZnOHCl + HCl

2HCl + Fe = FeCl₂ + H₂

ПРИРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Металлы малой химической активности (Cu, Ag, Au, Pt, Hg) встречаются в свободном виде или в виде вкраплений в горные породы. Подавляющее большинство металлов находится в виде соединений.

Так, основная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах, из которых наиболее распространены полевые шпаты. Главные их представители – минералы ортоклаз K[AlSi₃O₁₀], альбит Na[AlSi₃O₁₀] и анорит Са [Al₂Si₂O₁₀]. Очень распространены минералы группы слюд, например, мусковит Kal₂[AlSi₃O₁₀][OH]₂ , большое практическое применение имеет минерал нефелин (Na, K)₂[Al₂Si₂O₈] (используется для получения глинозема, содовых продуктов и цемента). Из других минералов наибольшее практическое распространение находят боксит Al₂O₃*nH₂O и криолит Na₃AlF₆. Распространенным продуктом разрушения горных пород является каолин, состоящий в основном из глинистого минерала каолинита Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O.

Большая часть кальция встречается в природе в виде отложений известняков и мела, состоящих в основном из минерала кальцита CaCO₃, а также мрамора. Из других пород наиболее распространены доломит CaCO₃*MgCO₃, ангидрит CaSO₄ и гипс CaSO₄*2H₂O, флюорит CaF₂ и апатит 3Ca₃(PO₄)₂*Ca(F, Cl)₂. В немалых количествах встречается кальций в различных силикатах, например CfO*3MgO*4SiO₂ (асбест), и алюмосиликатах.

Магний распространен в природе в виде магнезита MgCO₃ и доломита, силиката Mg₂SiO₄ (оливин), каинита KCl*MgSO₄*3H₂O и карналлита KCl*MgCl₂*6H₂O. Природными соединениями щелочных металлов являются сильвинит NaCl*KCl, галит NaCl, мирабилит Na₂SO₄*10H₂O.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре. Оно входит в состав многочисленных минералов, образующих скопления железных руд: гематита Fe₂O₃, магнетита Fe₃O₄, гидрогетита HFeO₂*nH₂O, сидерита FeCO₃ и др.

Изредка встречаются и самородное железо метеорного или земного происхождения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основываясь на положении в периодической системы Д.И. Менделеева, провести сравнение свойств металлов и неметаллов.

2. Как изменяются размеры атомов в ряду Ве, Са,Ва, и как это сказывается на активности простых веществ и свойствах гидроокисей этих элементов?

3. Чем объяснить, что гидроксиды натрия и алюминия –элементов, стоящих в одном и том же периоде, обладают различными свойствами?

4. Имеются две пластинки алюминия. Одна из них была обработана в соляной кислоте, другая – в концентрированной азотной на холоде. Будут ли различаться по химической активности эти пластины, если их опустить в разбавленную серную кислоту? Какое практическое значение имеет пассивирование металлов?

5. Сплав серебра с медью растворили в разбавленной азотной кислоте. К раствору прибавили избыток соляной кислоты. Какие при этом происходят химические процессы?

6. Как влияет степень окисления хрома на свойства его оксидов и гидроксидов?

7. Каковы физические и химические свойства железа? Как оно относятся к кислотам и щелочам? В чем заключается процесс образования ржавчины на железных изделиях?

8. Чем обусловлено различие свойств чугуна, стали и мягкого железа? Можно ли в соляной кислоте чугун без остатка?

9. Привести примеры реакции получения металлов металлотермическим способом, электролизом растворов солей, электролизом расплавленных соединений.

10. Каковы важнейшие природные соединения кальция? В каких областях народного хозяйства применяется известняк, гашеная и негашеная известь?

11. Что представляет собой корунд, боксит, криолит, каолин?

12. Какие важнейшие сплавы алюминия известны и где они применяются?

13. Что такое коррозия металлов? В изделии изготовленном из железа, имеются детали, выполненные из меди. Как это повлияет на коррозию железа?

14. Какие свойства ниобия позволяют применять его в качестве конструкционного материала?

15. Какие свойства иридия и родия позволяют использовать из в производстве контрольно-измерительных приборов?

16. Благодаря каким свойствам вольфрама его применяют для изготовления нитей накала в электрических лампах?

17. Благодаря каким свойствам хрома его применяют для получения нержавеющих сталей?

18. Какие свойства палладия обусловили его применение в радиоактивной промышленности?

19. Какое сочетание физических свойств металлической меди обуславливает ее практическое использование?

ЖЕСТКОСТЬ И УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ

Жесткость – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод.

Жесткойназывают воду с повышенным содержанием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ . Сумма концентраций ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ является количественной мерой жесткости воды:

Ж= С Ca²⁺ + С Mg²⁺ .

Измеряют жесткость числом миллимолей ионов жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺) в 1 кг воды ( ммоль/кг). В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можно измерять в ммоль/дм³ или ммоль/л.

Различают жесткость воды общую Ж ₀ , карбонатную Ж _к и некарбонатную

Ж _нк .

В связи с тем , что в воздухе достаточно велико содержание СО₂, в природной воде есть растворенный диоксид углерода. Протекает взаимодействие СО₂ с Н₂О:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО^-₃ ,

результатом которого является образование гидрокарбонат-иона. Концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде, эквивалентная содержанию иона НСО₃^-, определяет карбонатную жесткость воды, а концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ , эквивалентная всем прочим анионам (SO₄^2- , Cl^- и т.д.), - некарбонатную. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды. Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки, в том числе умягчения (снижения жесткости до определенной нормы).

Карбонатная жесткость устраняется при кипячении воды по реакции:

t

Са(НСО₃)₂ ® СаСО₃ + СО₂­ + Н₂О

Ионы кальция и магния выпадают в виде нерастворимых карбонатов и вода становится мягкой.

Некарбонатная жесткость не устраняется при кипячении воды. Устранить ее можно дистилляцией, добавлением химических реагентов или методом ионного обмена (катионирования). При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя используют известь или соду. При этом в осадок (в виде СаСО₃ и Mg(OH)₂) переводятся все соли кальция и магния.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита – высокомолекулярные нерастворимые соли или кислоты. При этом катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Н⁺ или Na⁺, содержащиеся в применяемом катионите:

2R^- Na⁺ + Ca²⁺ = R₂Ca²⁺ + 2Na⁺.

В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы ( Н- катионит), и анионит, содержащий гидроксид ионы ( ОН- анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды назывется обессоливанием.

При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для определения общей жесткости применяют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачного буферного раствора (рН = 10,0) и индикатора раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую.

При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или эриохром черный Т. В присутствии ионов жесткости Са²⁺ и Мg²⁺ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствие – в голубой.

Комплексон– двузамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты.

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N-CH₂-CH₂-N

HOOCCH₂ CH₂COOH

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение: -2

ООССН₂ СН₂СОО

N-CH₂-CH₂-N

ООССН₂ СН₂СОО

Са ,

т.е. связываются ионы Са²⁺ и Mg²⁺. Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым.

Определение карбонатной жесткости воды Ж_к сводится к измерению концентрации гидрокарбонат-иона НСО₃^- и тем самым эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Са²⁺ и Mg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилового оранжевого раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Метиловый оранжевый- кислотно-основной индикатор, изменяющий свою окраску от красной при рН < 3,1 до желтой при рН > 4,4. В точке перехода метиловый оранжевый имеет оранжевую окраску.

Анион НСО₃^- в воде гидролизуется:

НСО₃^- + Н₂О = Н₂СО₃ + ОН^-

Поэтому при условии Ж_к > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором НС1 такой воды протекает реакция нейтрализации:

ОН^- + Н⁺ ® Н₂О

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^-, эквивалентной концентрации иона НСО₃^-.

Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

а) определение общей жесткости Ж₀;

б) определение карбонатной жесткости Ж_к;

в) вычисление некарбонатной жесткости Ж_нк = Ж₀ – Ж_к.

Контрольные вопросы и задачи

1. Что такое жесткость воды?

2. Какой вид жесткости устраняется кипячением? Какие химические реакции протекают при этом?

3. Какие реагенты используют для умягчения воды методом осаждения? Какие реакции при этом протекают?

4. Как происходит умягчение воды с помощью ионного обмена?

5. Как определяют общую жесткость воды?

6. Как определяют карбонатную и некарбонатную жесткость воды?

7. В каких единицах измеряется жесткость воды?

8. Общая жесткость воды равна 4 ммоль/л. Через ионообменый фильтр пропущено 100 л Н₂О. Сколько молей ионов Са⁺² и Мg⁺² задержано фильтром, если известно, что жесткость снизилась до 0,5 ммоль/л. ( Ответ: 0,35 моль ионов жесткости)

9. На титрование 200 мл Н₂О израсходовано 8 мл 0,1 н раствора комплексона. Вычислите общую жесткость воды.( Ответ: 2 ммоль/л)

10. Определите карбонатную жесткость, если на титрование 200 мл Н₂О израсходовано 8 мл 0,05н раствора НС1. ( Ответ: 1 ммоль/л)