Химические свойства металлов. Химические свойства металлов тесно связаны с электронной структурой атома и особенностями взаимодействия атомов в кристалле металла

Химические свойства металлов тесно связаны с электронной структурой атома и особенностями взаимодействия атомов в кристалле металла. Атомы металлических элементов характеризуются способностью образовывать элементарные положительно заряженные ионы и не способны образовывать элементарные отрицательно заряженные ионы. Все металлы обладают восстановительными свойствами. Получение, химические свойства и применение некоторых металлов представлены далее.

Щелочные металлы (на примере натрия – Na). Получение – электролиз расплавов хлоридов и гидроксидов щелочных металлов (натрий выделяется на катоде):

4NaOH ® 4Na + ­O₂ + 2H₂О

2NaCl ® 2Na + ­Cl₂

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

2Na + H₂ 2NaH гидрид натрия

2Na + O₂ Na₂O₂ пероксид натрия

2Na + S Na₂S сульфид натрия

6Na + N₂ 2Na₃N нитрид натрия

2Na + Cl₂ 2NaCl хлорид натрия

Реакции со сложными веществами:

2Na + 2Н₂О ® 2NaOH + ­H₂

2Na + 2HCl®2NaCl + ­H₂

2Na + 2C₂H₅OH ® 2C₂H₅ONa + ­H₂ этилат натрия

2Na + 2RCl R-R + 2NaCl (R – органический радикал)

Применение. Натрий применяется в качестве теплоносителя в атомных реакторах, органических синтезах, для получения некоторых тугоплавких сплавов, пероксида натрия и др.

Щелочноземельные металлы (на примере кальция – Ca).Получение: 1) электролиз расплавов хлоридов щелочноземельных металлов:

СаС1₂ Ca + ­Cl₂

2) алюмотермия: 3СаО + 2А1 3Са + А1₂О₃

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

Cа + H₂ CаH₂ гидрид кальция

2Са + О₂ 2СаО

Cа + С1₂ СаС1₂

3Са + N₂ Ca₃N₂ нитрид кальция

Cа + 2С СаС₂ карбид кальция

Ca + S CaS сульфид кальция

Реакции со сложными веществами:

Cа + 2Н₂О ® Cа(ОН)₂ + ­H₂

Cа + 2НС1 ® СаС1₂ + ­Н₂

Применение. Кальций применяют для восстановления титана, циркония и других тугоплавких металлов из их оксидов, в производстве чугуна, стали и некоторых сплавов.

Цинк (Zn).Получение – обжиг сульфидных руд с последующим восстановлением из оксида:

2ZnS + 3О₂ 2ZnO + ­2SO₂

ZnO + C Zn + ­CO

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

Zn + О₂ 2ZnO

Zn + С1₂ ZnCl₂

Zn + S ZnS

Реакции со сложными веществами:

Zn + 2HC1® ZnCl₂ + ­H₂

Zn + 2NaOH_(тв.) Na₂ZnO₂ + ­H₂ цинкат натрия

Zn + 2NaOH + 2H₂O ® Na₂[Zn(OH)₄] + ­H₂ тетрагидроксо-

цинкат натрия

Zn + 2H₂SO_4(конц) ® ZnSO₄ + ­SO₂ + 2H₂O

Zn + 4HNO_3(конц) ® Zn(NO₃)₂ + ­2NO₂ + 2H₂O

4Zn + 10HNO_3(разб) ® 4Zn(NO₃)₂ + ­N₂O + 5H₂O

4Zn + 10HNO_{3(сильно разб)} ® 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Применение. Цинк используется в качестве защитных покрытий железных и стальных изделий, входит в состав многих сплавов.

Титан (Ti).Получение – обогащение титанового концентрата:

TiO₂ + 2С1₂ + 2С TiCl₄ + ­2CO

TiCl₄ + 2Mg Ti + 2MgCl₂

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

Ti + O₂ ТiO₂

Ti + 2C1₂ TiCl₄

Реакции со сложными веществами:

2Ti + 6H₂SO_4(конц) ® Ti₂(SO₄)₃ + ­3SO₂ + 6H₂O

Ti + H₂SO_{4(50 % р-р)} ® TiSO₄ + ­H₂

2Ti + 3H₂SO_{4(50 % р-р)} ® Ti₂(SO₄)₃ + ­3Н₂

Две последние реакции с 50 %-ной серной кислотой протекают одновременно. С азотной кислотой титан не взаимодействует.

Применение. Титан используется в самолетостроении, ракетной технике, в изготовлении трубопроводов, аппаратов химической промышленности, для обшивки корпусов судов и т. д.

Алюминий (Аl). Получение – электролиз раствора оксида алюминия в расплавленном криолите Na₃AlF₆ с добавкой фторида кальция CaF₂:

2А1₂О₃ ® 4А1 + ­3О₂

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

4Аl + 3О₂ 2А1₂О₃

2А1 + 3Сl₂ 2А1С1₃

2A1 + 3S A1₂S₃ сульфид алюминия

2А1 + N₂ 2A1N нитрид алюминия

4А1 + 3С Аl₄С₃ карбид алюминия

Реакции со сложными веществами:

2А1 + 6НС1 ® 2А1С1₃+ ­3H₂

2А1 + 2NaOH_(тв.) + 2Н₂О 2NaA1O₂ +­3H₂ алюминат натрия

2Al + 2NaOH + 6H₂O ® 2Na[Al(OH)₄] + ­3H₂ тетрагидроксоалю-

минат натрия

2A1+6H₂SO_4(конц) A1₂(SO₄)₃ + ­3SO₂ + 6H₂O

Al + 6HNO_3(конц) A1(NO₃)₃ + ­3NO₂ + 3Н₂О

На холоде концентрированная H₂SO₄ и концентрированная HNO₃ на алюминий не действуют из-за пассивирования – образования устойчивой оксидной пленки.

Применение. Алюминий используют для получения легких сплавов, применяемых в строительстве, самолето- и судостроении, для производства электрических проводов, получения других металлов алюминотермией, изготовления бытовых предметов.

Медь (Сu). Получение – из сульфидных руд:

Cu₂S + О₂ 2Cu + ­SO₂

из растворов солей действием цинка, железа или алюминия:

CuSO₄ + Zn ® ZnSO₄ + Сu

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

2Сu + О₂ 2СuО

Cu + Cl₂ CuCl₂

Cu + S CuS

Реакции со сложными веществами:

Сu + 2H₂SO_4(конц) CuSO₄ + ­SO₂ + 2Н₂О

Сu + 4HNO_3(конц) Cu(NO₃)₂ + ­2NO₂ + 2H₂O

ЗСu + 8НNO_3(разб) 3Cu(NO₃)₂ + ­2NO + 4H₂O

Применение. Медь используется в теплообменниках, для изготовления электрических проводов, кабелей, в производстве сплавов.

Хром (Сr). Получение:

1) из хромистого железняка:

FeO×Cr₂O₃ + 4C 2Cr + Fe + ­CO (сплав феррохром)

2) из оксида хрома:

Сr₂О₃ + 2А1 А1₂О₃ + 2Сr

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

4Сr + 3О₂ 2Сr₂О₃

Реакции со сложными веществами:

2Сr + 6H₂SO_4(конц) Cr₂(SO₄)₃ + ­3SO₂ + 6Н₂О

Cr + 6HNO_3(конц) Cr(NO₃)₃ + ­3NO₂ + 3Н₂О

Хром пассивируется холодными концентрированными растворами кислот, реакции протекают только при сильном нагревании, после разрушения защитной оксидной пленки:

2Сr + 3H₂SO_4(разб) ® Cr₂(SO₄)₃ + ­3H₂

Применение. Хром используется в различных сплавах. Нанесение защитной пленки из хрома защищает металл от коррозии.

Железо (Fe). Получение алюминотермия:

Fe₂О₃ + 2Аl 2Fe + Al₂O₃

обжиг железного колчедана:

4FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + ­8SO₂

восстановление из оксидов:

Fe₂O₃ + 3Н₂ 2Fe + 3Н₂О

Fe₂O₃ + 3СО 2Fe + ­3СО₂

FeO + С Fe + ­CO

Химические свойства. Реакции с простыми веществами:

3Fe + 2O₂ Fe₂О₃×FeO

3Fe + S FeS

2Fe + 3C1₂ 2FeCl₃

Реакции со сложными веществами:

Fe + 2HCl ® FeCl₂ + ­H₂

Fe + CuSO₄ ® FeSO₄ + Сu

Fe + 4HNO_3(разб) Fe(NO₃)₃ + ­NO + 2H₂O

Концентрированные НNО₃ и H₂SO₄ пассивируют железо на холоде, реакция идет только при нагревании:

2Fe + 6H₂SO_4(конц) Fe₂(SO₄)₃ + ­3SO₂ + 6H₂O

Fe + 6HNO_3(конц) Fe(NO₃)₃ + ­3NO₂ + 3H₂O

Применение. Железо используется в виде чугуна и стали в машиностроении; другие области применения – производство трансформаторов и электромоторов, ограждающих строительных конструкций, железобетона, бытовых приборов и др.

ЗАДАЧИ*

14.1. Какие металлы называют щелочными и почему? Что общего в строении внешних электронных оболочек имеют атомы щелочных металлов?

14.2. Составить электронные схемы строения атомов и ионов лития, натрия и калия. Установить сходство и различие между ними.

14.3. Назвать важнейшие природные соединения натрия и калия, указать области их применения. Какова закономерность изменения физических свойств щелочных металлов в зависимости от возрастания заряда ядер их атомов?

14.4. Написать уравнения следующих реакций:

Li + O₂ ® … Rb + Cl₂ ® … Na + S ® …

К + Н₂О ® … Na + HCl ® … Rb + H₃PO₄ ® …

14.5. Определить атомную массу галия, если в природной смеси содержится 60,16 % мас. и 39,48 % мас. .

Ответ: 69,62.

14.6. Написать уравнения следующих реакций:

а) Ti + HNO₃ + H₂O ® H₂TiO₃ + …

б) Zr + HNO₃ + HF ® H₂[ZrF₆] + …

в) Hf + H₂SO₄ ® H₂[Hf(SO₄)₃] + …

14.7. Как исходя из оксида железа (III) получить: а) хлорид железа (III); б) нитрат железа(III); в) гидроксид железа (III)? Написать уравнения соответствующих реакций.

14.8. Для заливки щелочных аккумуляторов используют 34,0 %-ный раствор гидроксида калия. Сколько потребуется гидроксида калия для приготовления 10 кг такого раствора?

Ответ: 3,4 кг.

14.9. Для щелочения паровых котлов с целью очистки их внутренних стенок от загрязнений и создания антикоррозионной пленки применяют 20 %-ный раствор гидроксида натрия и фосфата натрия. Сколько указанных веществ потребуется для приготовления 20 т такого раствора, если берутся равные их массы?

Ответ: по 2 тонны.

14.10. Написать уравнения реакций, при помощи кото­рых можно осуществить превращения:

а) Na ® NaOH ® Na₂CO₃ ® NaHCO₃ ® NaNO₃

б) KCl ® HCl ® NaCl ® Na ® NaOH

в) Na₂CO₃ ® Na₂SiO₃ ® NaCl ® Na₂SO₄

14.11. Написать уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) Cu + HCl + O₂ ® …

б) CuCl₂ + Cu ® …

14.12. Привести электронное строение атомов и ионов магния, кальция, стронция. В чем сходство и различие между ними?

14.13. Написать уравнения трех реакций, в которых атомы магния и кальция превращаются в ионы, и указать условия этих превращений.

14.14. Написать уравнения реакций, при помощи ко­торых можно осуществить превращения:

а) Ca ® CaO ® Ca(OH)₂ ® CaCO₃ ® CaO

б) Ca ® Ca(OH)₂ ® CaCO₃ ® Ca(HCO₃)₂ ® CaCO₃ ® CaCl₂

в) Mg ® MgCl₂ ® Mg(OH)₂ ® Mg(NO₃)₂ ® MgSO₄

г) Mg ® MgO ® MgSO₄ ® MgCO₃ ® MgO

14.15. Сплав «электрон» марки МЛ-3, применяемый в авиапромышленности как твердый и легкий материал, содержит (% мас.) 3 % алюминия, 1 % цинка, 0,3 % марганца и 95,7 % магния. Какие соли и в каком количестве образуются при растворении 10 г этого сплава в избытке соляной кислоты?

Ответ: AlCl₃ – 1,5 г; ZnCl₂ – 0,21 г; MnCl₂ – 0,07 г; MgCl₂ – 37,9 г.

14.16. Негашеную известь СаО получают обжигом известняка в специальных печах. Сколько известняка, содержащего 90 % мас. карбоната кальция, потребуется для получения 100 т негашеной извести?

Ответ: 198,4 т.

14.17. Для гашения извести по техническим условиям требуется воды в 3 раза больше, чем по стехиометрическому расчету. Сколько воды необходимо залить в гидротатор для гашения 5,6 т «кипелки»? Сколько при этом образуется гашеной извести («пушонки»)?

Ответ: H₂O – 5,4 м³; Ca(OH)₂ – 7,4 т.

14.18. Атомная масса меди 63,546. Природная смесь состоит из двух изотопов: и . Определить массовую долю (%) каждого изотопа.

Ответ: 49,22 %, 50,78 %.

14.19. Оксид кальция и оксид цинка применяют в строительном деле. По внешнему виду они похожи. Какие реакции надо проделать, чтобы различить эти оксиды?

14.20. При сильном нагревании гипса CaSO₄×2H₂O сульфат кальция, который входит в его состав, разлагается на оксид кальция и оксид серы (VI). Рассчитать, сколько надо взять гипса для получения 16 т оксида серы (VI).

Ответ: 34,4 т.

14.21. Привести электронные формулы атома и иона алюминия.

14.22. Какие свойства алюминия используют в строительной индустрии, электротехнике, авиационной промышленности, металлургии, пищевой промышленности?

14.23. Какую массу Zr можно получить при термическом восстановлении 0,35 моль гексафтороцирконата (IV) калия металлическим натрием?

Ответ: 31,9 г.

14.24. При полном растворении навески 1,8 г технического алюминия в избытке раствора гидроксида натрия выделилось 2,14 л газа (при н. у.). Какой процент примесей содержался в этом образце алюминия?

Ответ: 4,46 %.

14.25. Смесь порошка алюминия с оксидом железа (II и III) Fe₃O₄ называется термитом. Написать уравнение реакции горения термита и рассчитать, сколько образуется железа, если в реакцию вступило 5,4 кг алюминия.

Ответ: 12,6 кг.

14.26. Сколько потребуется термита (см. задачу 14.25) для сварки стальной детали, если объем выбоины 50 см³, а плотность стали 7,86 г/см³?

Ответ: 711 г.

14.27. Написать уравнения химических реакций взаимодействия железа с кислородом, серой, хлором, водой, с растворами серной и соляной кислот, сульфатом меди.

14.28. Написать уравнения реакций, при помощи ко­торых можно осуществить превращения:

Al ® Al₂O₃ ® AlCl₃ ® Al(OH)₃ ® Al₂O₃ ® Al₂(SO₄)₃ ® Al(OH)₃ ® Na₃[Al(OH)₆] ® AlCl₃

14.29. Алюминиевая бронза, используемая в машиностроении, содержит 11 % мас. алюминия и представляет собой твердый раствор алюминия в меди. Сколько 60 %-ной азотной кислоты потребуется для растворения 1 г этой бронзы?

Ответ: 11,2 г.

14.30. Хлорид железа (III), применяемый для травления медных форм глубокой печати и печатных радиосхем, получают окислением хлорида железа (II) хлором. Написать уравнение реакции и рассчитать, какой объем хлора (при н. у.) потребуется для получения 3,25 кг хлорида железа (III), если выход продукта составляет 80 %.

Ответ: 0,28 м³.