Физические и химические свойства

В виде простых веществ элементы подгруппы скандия - белые металлы (см. табл.3.45)

Tаблица 3.5.

Некоторые свойства элементов подгруппы скандия

Металл	Rат, нм	Плотность, г/см3	Jион., эВ	Стандартный элект-родный потенциал процесса: Э+3 +3е- = Э, В	Tпл.,0С	Tкип.0C	Содержание в земной коре, %
Sc	0,164	3,02	6,56	- 2,08			3·10-4
Y	0,181	4,47	6,21	- 2,37			2,6·10-4
La	0,187	6,17	5,57	- 2,52			2,5·10-4
Ac	0,203	10,1	5,12	- 2,6			5·10-15

Это весьма активные металлы, уступая по химической активности только щелочным и щелочноземельным металлам. При более сильном нагревании они все реагируют с большинством неметаллов, а при сплавлении - с металлами. Эти реакции можно представить в виде схемы:

В ряду Sc -Y- La - Ас активность заметно возрастает, о чем свидетельствует значения их электродных потенциалов (см. табл.3.4.).

Скандий вследствие пассивирования с водой не реагирует, а лантан уже при обычных условиях медленно разлагает воду:

2 La + 6 H₂O = 2 La(OH)₃ + 3H₂­

С основными кислотами (HF, H₂SO₄, HNO₃, CH₃COOH) металлы реагируют уже на холоде, медленно окисляются на воздухе,- резко увеличивают свою активность при нагревании.

Все металлы легко взаимодействуют с разбавленными кислотами (HCL, H₂SO₄, HNO₃) причем в разбавленной азотной кислоте выделяется нитрат аммония:

8Sc + 30 HNO₃ = 8 Sc (NO₃)₃ + 3 NH₄NO₃ + 9 H₂O

Химически инертны в растворах щелочей.

Соединения металлов

Практически во всех своих соединениях элементы группы III B проявляют степень окисления +3. При этом устойчивость бинарных соединений от Sc к Ас растет. Соединения Э³+ чаще всего белые кристаллические вещества.

Соединения с неметаллами. Скандий и его аналоги образуют с бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором, серой тугоплавкие соединения, часто с металлическими свойствами, например ScN, LaC₂, Sc₅Si₃, Sc₃Si₅, ScSi₂,YB₂, YB₆,LaB₆. Многие из них не обладают стехиометрическим составом.

Гидриды.Это в основном твердые соединения типа ЭН₂ (при недостатке водорода) и ЭН₃ (при избытке); электропроводны. Гидриды ЭН₂ легко окисляются кислородом и реагируют с водой:

ЭН₂ + 6Н₂О = 2Э (ОН)₃ + 5Н₂

Галогениды. При обычных условиях это— твердые вещества, причем температура плавления фторидов (~1400°С) существенно выше, чем остальных галогенидов (от 700 до 1000 °С). Фториды в отличие от остальных соединений этого типа негигроскопичны и нерастворимы в воде. Устойчивость соединений в ряду ЭГ₃, ЭСI ₃, ЭВг₃, ЭI₃ убывает.

Галогениды ЭГ₃ (Г = СI^-, Вг^-, I^-) гидролизуются обычно по схеме:

ЭГ₃ + 3Н₂О = Э(ОН)₃ + 3НГ

При нагревании образуются оксогалогениды типа ЭОГ.

Оксиды.Все оксиды - тугоплавкие белые кристаллические вещества, плохо растворимые в воде и щелочах и хорошо — в разбавленных кислотах, особенно при нагревании. Некоторые свойства оксидов приведены ниже:

С водой оксиды взаимодействуют по схеме:

Э₂О₃ + 3Н₂О = 2Э(ОН)₃, DH<0

Это взаимодействие усиливается в ряду Sc₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Ac₂O₃.

Гидроксиды. При обработке солей Э+³ растворами щелочей (или водным аммиаком) получаются белые студнеобразные осадки Э(ОН)₃, трудно растворимые в воде, но растворимые в минеральных кислотах. При нагревании они постепенно теряют воду и превращаются в оксиды:

2Э(ОН)₃ 2ЭООН Э₂О₃

-2Н₂О -Н₂О

Исключая амфотерный Sc(OH)₃, гидроксиды являются довольно сильными основаниями, причем основные свойства усиливаются от Sc(OH)_a до Ас(ОН)₃.

При обработке оксидов и гидроксидов минеральными кислотами образуются соответствующие соли Э⁺³. Многие из них выделяются в виде различных кристаллогидратов.

Применение

Sc, Y, La используются как легирующие добавки при изготовлении специальных сплавов, стойких к высоким температурам и коррозии.

Оксиды Э₂О₃ применяются в качестве катализаторов в производстве огнеупорной керамики, ферритов, лазерных материалов. Y₂О₃ является одной из составляющих высокотемпературных сверхпроводящих материалов. La и его оксид широко используются при изготовлении оптических приборов.

В радиотехнике и радиоэлектронике нашли применение халькогениды скандия. В последнее время получены высокотемпературные проводники на основе оксидов стронция и лантана.

Вопросы и упражнения

1. Напишите уравнение образования двойных солей лантана типа М¹⁺[Э(SO₄)₂], М₂¹⁺[Э(NO₃)₅], М¹⁺[Э(CO₃)₂].

2. Как получают гидроксиды Sс, La. Составьте уравнения их получения.

3. Какой из гидроксидов подгруппы скандия обладает амфотерными свойствами. Докажите их с помощью соответствующих уравнений.

4. Составьте уравнения реакций растворения скандия в азотной и серной концентрированных кислотах.

5. Как растворяется лантан во фтористоводородной кислоте?

6. Приведите примеры получения лантана.

7. Кто из металлов подгруппы скандия будет более активно растворяться в разбавленных кислотах (HCL, H₂SO₄)? Составьте уравнения реакций.

8. Сколько скандия выделится на катоде при пропускании через расплав SсС1₃ тока силой 10А в течение 20ч?

9. При работе гальванического элемента Sc|Sc(NO₃)₃||Cr₂(SO₄)₃|Cr восстановилось до свободного металла 31,2г хрома. На сколько уменьшилась масса скандиевого электрода.

10. Имеются растворы одинаковой молярности Sc(NO₃)₃ и Lа(NO₃)₃. Для какого из этих растворов значение рН больше и почему?

Элементы подгруппы IVB

Побочную подгруппу 4 группы Периодической системы образуют элементы: Ti, Zr, Hf, Ku. Это полные аналоги с конфигурацией валентного слоя nS²(n-1) d². Наиболее характерная степень окисления элементов подгруппы титана: +4. Титан может проявлять дополнительно с.о. +2, +3. Координационные числа Ti –6, реже 4; Zr и Hf –6, 7 и 8.