Вопрос 30. Общая характеристика s-, р-, d - металлов (на конкретных примерах)

Вопрос 30. Общая характеристика s-, р-, d - металлов (на конкретных примерах).

Металлы – химические элементы, атомы которых склоны отдавать свои электроны. К металлам относятся все s-, d - и f-элементы, а также некоторые р-элементы.

Все металлы в свободном состоянии – восстановители, в соединениях их степени окисления всегда положительны. Химическая активность металлов, т. е. их способность отдавать электроны может быть охарактеризована с помощью двух величин: энергии ионизации I и стандартного электродного потенциала цо. Различие между этими величинами состоит в том, что энергия ионизации характеризует процесс отрыва электронов от атомов металла в газовой фазе, а электродные потенциалы измеряют в растворах.

s-элементы

В периодической таблице s-элементы находятся в  IА и IIA-группах. Все элементы IА-группы называются щелочными металлами, находящиеся во IIA-группе – щелочноземельными металлами. Все s-элементы обладают высокой химической активностью.

В свободном состоянии металлы IА группы характеризуются низкими температурами плавления и кипения, малой твердостью и плотностью. Кристаллические решетки IIA группы являются более прочными.

Электронная конфигурация элементов IА группы ns1, а металлов IIA группы – ns2. Первые во всех соединениях имеют степень окисления +1, а вторые +2. Внешние электроны легко отрываются, поэтому се указанные металлы являются сильными восстановителями. Ввиду высокой химической активности в природе в свободном состоянии не встречаются, а находятся в виде солей: хлоридов, сульфатов, карбонатов.

Химические свойства s-элементы

1. Взаимодействие с неметаллами (кислородом, водородом, углеродом)

1.1. С кислородом взаимодействуют с образованием трех видов оксидов.

а) Литий при нагревании образует нормальный оксид Li2O:

4Li + O2 = 2Li2O2−

б) Натрий и металлы IIA группы, соединяясь с кислородом, образуют пероксиды:

Ba + O2 = BaO2−

в) Калий, рубидий и цезий дают супероксиды, содержащие молекулярный ион О−2.

K + O2 = KO2

Указанные оксиды разлагаются водой:

2Li2O(тв) + Н2О(ж) = 2LiOH(водн)

Na2O2(тв) + 2Н2О(ж) = 2NaOH(водн) + H2O2 (водн)

2KO2 (тв) + 2Н2О(ж) = 2KOH(водн) + H2O2 (водн) + O2 (г)

1.2. При взаимодействии с водородом образуются гидриды:

Ca + H2 = CaH2

1.3. Металлы IIA группы при нагревании с углеродом образуют карбиды, например, карбид кальция СаС2, который применяют для получения ацетилена:

СаС2(тв) + 2Н2О(ж) = Са(ОН)2 (тв) + С2Н2(г)

2. Взаимодействие с водой

2Na(тв) + 2H2O(ж) = 2NaOH(водн) + H2(г)

3. Взаимодействие с аммиаком

2Na(тв) + 2NH3(ж) = 2NaNH2(тв) + H2(г)

Амиды разлагаются водой, образуя аммиак:

2NaNH2(тв) + H2O(ж) = NaOH(водн) + NH3(г)

Получение s-элементов

Наиболее распространенный метод получения активных металлов – электролиз расплавленных соединений. Путем электролиза получают литий, натрий, бериллий, магний, кальций.

Применение s-элементов

1. В металлургии для производства сплавов (Mg, Be, Ca, Li, Na).

2. В металлотермии в качестве восстановителей при получении свободных металлов (Na,  K, Mg, Ca).

3. Натрий и калий применяют в производстве различных видов каучука.

4. KCl, KNO3, NaNO3 применяют в качестве удобрений.

5. Хлорид натрия используется в производстве хлора и щелочи, пластмасс и других органических соединений.

6. Пероксид натрия для отбеливания и дезинфекции.

7. Оксиды бериллия и магния в производстве огнеупорных материалов.

р-элементы

Среди р-элементов металлами являются: алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, сурьма, висмут. р-элементы обладают большим числом валентных электронов по сравнению с s-элементами, и их металлическая активность выражена слабее.

Рассмотрим химические свойства р-элементов на примере алюминия

1. Взаимодействие с неметаллами

С фтором, хлором и бромом алюминий реагирует при обычных условиях. При нагревании с серой образует сульфид Al2S3, с азотом – нитрид AlN, с углеродом – карбид Al4C3.

4Al + 3O2 2Al2O3;

2Al + 3Cl2 2AlCl3

2Al + 3S   Al2S3

2Al + N2 2AlN

4Al + 3C Al4C3

2. Взаимодействие с кислотами

В соляной и разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с выделением водорода. В концентрированных растворах серной и азотной кислот алюминий покрывается пассивной пленкой.

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

2Al + 3H2SO4(р) → Al2(SO4)3 + 3H2

3. Взаимодействие с водой (реакция идет, если снять пленку Al2O3)

2Al + 6Н2О → 2Al(OH)3 + 3H2

4. Взаимодействие с раствором щелочи

2Al + 2NaOH + 6Н2О → 2Na[Al(OH)4] + 3H2

5. Взаимодействие с оксидами металлов

2Al + Fe2O3 2Fe + Al2O3 + Q (реакция Бекетова)

Способ получения алюминия

Электролиз расплава оксид алюминия в криолите Na3AlF6

В расплавленном криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al2O3 ↔ Al3+ + AlO33−

Условия электролиза подбираются такими, чтобы на катоде разряжались катионы Al3+. При этом на аноде будут окисляться ионы AlO33−.

Уравнения электродных процессов:

Катод (−)	Al3+ + 3 → Al	4
Анод (+)	4AlO33− − 12 → 2Al2O3 + 3O2	1
4Al3+ + 4AlO33− 4Al + 2Al2O3 + 3O2
или
2Al2O3 4Al + 3O2

Образующийся кислород сжигает графитовые аноды:

С + O2 = CO2 или 2С + О2 = 2СО

Применение алюминия, его сплавов

Таблица 1

Применение алюминия, его сплавов

Вещество	Область примеения
Алюминий как простое вещество	Электротехника (провода), металлургия (алюминотермия), машиностроение, в быту (посуда)
Сплавы алюминия	Судостроение, ракето - и авиастроение, автомобиле - и приборостроение, строительство зданий, военная техника
Оксид алюминия	Для получения алюминия и абразивных изделий, драгоценных камней (рубин, сапфир)
Гидроксид алюминия	Для очистки воды
Al2(SO4)3∙18H2O	В производстве бумаги, для очистки воды

d-элементы

d-элементы (переходные металлы) в Периодической системе занимают побочные подгруппы всех восьми групп. На внешнем электронном уровне в атомах этих элементов находятся два (или один) s-электрон, а на предпоследнем происходит заполнение d-орбиталей.

Особенностями электронного строения обусловлены:

а) большое разнообразие проявляемых степеней окисления;

б) способность к образованию многочисленных комплексных соединений.

Физические свойства d-элементов

В свободном состоянии все d-элементы характеризуются металлическим блеском, значительной тепло - и электропроводностью. Скандий и титан относятся к легким металлам – их плотность равна соответственно 3,0 и 4,5 г/см3. Остальные элементы имеют плотность свыше 6 г/см3 и отнесены к тяжелым металлам. Все d-элементы четвертого периода, кроме цинк, являются достаточно тугоплавкими.

Рассмотрим химические свойства d-элементов на примере хрома

Хром химически мало активен при обычных условиях и почти не подвергается коррозии, поскольку его поверхность покрыта тонкой и прочной пленкой оксида хрома (III).

1. Взаимодействие с простыми веществами (неметаллами):

2Cr + 3F2 → 2CrF3 (при комнатной температуре);

2Cr + 3Сl2 2CrCl3

4Cr + 3O2 2Cr2O3

2Cr + 3S Cr2S3

2Cr + N2 2CrN

2. Взаимодействие с кислотами

Сr + 2HCl → CrCl2 + H2

Холодные H2SO4(к) и HNO3 пассивируют хром:

2Cr + 2HNO3(хол)→Сr2O3 + 2NO + H2O

Только при нагревании Cr реагирует с концентрированными серной H2SO4(к) и азотной HNO3(к) кислотами:

2Cr + 6H2SO4(к) Сr2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

3. Взаимодействие с водой

Раскаленный хром реагирует с парами воды

2Cr + 3H2O → Cr2O3 + 3H2

Способы получения хрома:

a) метод алюминотермии: Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3

б) электролиз концентрированных растворов солей хрома или Cr2O3 в H2SO4 с выделением (осаждением) хрома на катоде;

Область применения хрома

1. В металлургии в производстве специальных сортов сталей для придания им высокой коррозионной стойкости, износоустойчивости, твердости и жаропрочности.

2. Для получения гальванических защитных покрытий (хромирование металлов).