Химические свойства металлов коррозия металлов. Неорганическая химия. Что будем делать с полученным материалом

28.03.2024

При взаимодействии металлов с веществами окружающей среды на их поверхности образуются соединения, обладающие совершенно иными свойствами, чем сами металлы. В обычной жизни мы часто повторяем слова «ржавчина››, «ржавление», видя коричнево-желтый налет на изделиях из железа и его сплавах.
Ржавление — это частный случаи коррозии.
Коррозия — это процесс самопроизвольного разрушения металлов под влиянием внешней среды.
Однако разрушению подвергаются практически все металлы, в результате чего многие их свойства ухудшаются (или совсем теряются): уменьшаются прочность, пластичность, блеск, снижается электропроводность, а также возрастает трение между движущимися деталями машин, изменяются размеры деталей и т. д.
По своей химической природе коррозия — это окислительно-восстановительный процесс. В зависимости от среды, в которой он протекает, различают два вида коррозии.

Виды коррозии

1. Химическая коррозия происходит в не проводящей электрический ток среде.
Такой вид коррозии проявляется в случае взаимодеиствия металлов с сухими газами или жидкостями-неэлектролитами (бензином, керосином и др.). Такому разрушению подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок. Химическая коррозия часто наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах.

3 Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
4 Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные пленки появляются у Zn, AI, Сг, Ni, Sn, Pb, Nb, Та и др. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности и потому не способна защитить металл от дальнейшего разрушения.

II. Электрохимическая коррозия происходит в токопроводящей среде (в электролите) с возникновением внутри системы электрического тока. Электрохимической коррозии подвергаются подводные части судов, паровые котлы, подземные трубопроводы, металлические конструкции, находящиеся во влажном воздухе. Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат включения различных примесей. При контакте их с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие - роль катода (принимают электроны).

Для защиты железа от коррозии используются всевозможные покрытия: краска, слой металла (олова, цинка). При этом краска и олово предохраняют от коррозии до тех пор, пока защитный слой цел. Появление в нем трещин и царапин способствует проникновению влаги и воздуха к поверхности железа, и процесс коррозии возобновляется, причем в случае оловянного покрытия он даже ускоряется, поскольку олово служит катодом в электрохимическом процессе.
Оцинкованное железо ведет себя иначе. Поскольку цинк выполняет роль анода, то его защитная функция сохраняется и при нарушении цинкового покрытия. Катодная защита широко используется для уменьшения коррозии подземных и подводных трубопроводов и стальных опор высоковольтных передач, нефтяных платформ и причалов.

Некоторые металлы в природе могут встречаться в самородном состоянии. Это в основном благородные металлы, например золото. Его извлекают путем механического отмывания от окружающих пород. Однако подавляющее большинство металлов (те, которые находятся в левой части ряда напряжений) находятся в природе в виде соединений.

Природные минералы, содержащие в своем составе металлы и пригодные для промышленного получения металлов, называют рудами. При получении любого металла необходимо:

1) отделить руду от пустой породы;

2) восстановить металл из соединения.

В зависимости от способа получения металл различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из их оксидов. В тех случаях, когда руда представляет собой соль, например сульфид цинка, ее предварительно переводят в оксид:

2ZnS+3O 2 =2ZnO+2SO 2

В качестве восстановителей металлов из их оксидов используют углерод, оксид углерода (II), водород, метан:

Cu 2 O+С=2Cu+СО

Восстановление углем (коксом) проводят обычно тогда, когда получаемые металлы совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды; таковы железо и многие цветные металлы.

Восстановление металлов из их соединений другими металлами называют металлотермией. Эти процессы протекают также при высоких температурах. В качестве восстановителей используют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний.

Если восстановителем является алюминий, то процесс называется алюмотермией, если магний - магнийтермией:

Cr 2 О 3 +2Аl=2Cr+Аl 2 O 3 ТiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2

Металлотермией обычно получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карбиды. Это - марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.

Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (водородотермия):

МоO 3 +3Н 2 =Мо+3Н 2 О

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из их солей. В этом случае элемент металла, входящего в состав руды, сначала переводят в растворимую соль с помощью соответствующего реагента и только после этого из раствора непосредственно извлекают металл.

В настоящее время гидрометаллургическим способом добывают такие металлы, как медь, серебро, цинк, уран и др. Многие медные руды содержат оксид меди. Такую руду обрабатывают

разбавленной серной кислотой и переводят в сульфат меди, растворимый в воде:

CuO+H 2 SO 4 =CuSO 4 +Н 2 О

После этого из сульфата меди медь извлекают либо электролизом, либо вытесняют с помощью железа: CuSO 4 +Fe=Cu+FeSO 4

Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза. Этим способом получают главным образом легкие металлы - алюминий, натрий и другие - из их расплавленных оксидов или хлоридов.

Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной активности металлов отражает ряд напряжений.

Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют водород из воды при обычных условиях с образованием щелочи:

2Na+2Н 2 O=2NaOH+H 2

Менее активные металлы вытесняют водород из воды в виде перегретого пара и образуют оксиды:

2Fe+4H 2 O=Fe 3 O 4 +4H 2

Реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:

Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2

Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами-окислителями в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:

Cu+2H 2 SO 4 ( конц ) = CuSO 4 +SO 2 +Н 2 O

Все предшествующие металлы вытесняют последующие за ними в ряду напряжений из их солей: Fe+CuSO 4 =FeSO 4 +Cu

Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаимодействии металлов с неметаллами:

2Na+S=Na 2 S 2Fe+3Cl 2 =2FeCl 3

Большинство металлов активно реагируют с кислородом, образуя оксиды разного состава.

Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией. Различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химической коррозией называется разрушение металла окислением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. При этом происходит взаимодействие металла с составными частями среды - с газами и неэлектролитами.

Так, железо на воздухе ржавеет - покрывается тонкой пленкой оксидов (FeO, Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4 в зависимости от условий). Еще более энергично происходит окисление железа в присутствии воды:

4Fe+3O 2 +6Н 2 O = 4Fe(OH) 3

С повышением температуры химическая коррозия увеличивается.

Большой вред различным сооружениям приносит коррозия под действием веществ при высоких температурах в технике (в металлургии, сопла ракетных двигателей, в газовых турбинах). Некоторые металлы, например алюминий, при действии на них кислорода или других окислителей (концентрированной HNO 3) образуют защитную пленку, которая препятствует дальнейшему контакту металла с окислителем и предохраняет таким образом металл от дальнейшей коррозии.

Электрохимической коррозией называется разрушение металла в результате возникновения гальванической пары и появления внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов посредством электролита, электродами при этом являются сами металлы.

При возникновении гальванической пары появляется электрический ток тем большей силы, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений. При этом поток электронов идет от более активного металла к менее активному; более активный металл в этом случае разрушается (корродирует).

Например, при возникновении гальванической пары цинк - медь корродирует цинк.

Возьмем цинковую и медную пластинки и опустим их в раствор серной кислоты, которая содержится в растворе в виде ионов:

Атомы цинка, отдавая электроны в виде ионов, переходят в раствор:

Zn°-2e - ®Zn +2

Электроны через проводник переходят на медь, а с меди - на ионы водорода:

Н + +e - ®Н°

Водород в виде нейтральных атомов выделяется на медной пластинке, а цинк постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттягивая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т.е.

способствует окислению (см. рис. 25).

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии как сильных, так и слабых электролитов, однако в присутствии сильных электролитов скорость коррозии выше.

С точки зрения электрохимической коррозии становится понятным, почему коррозия увеличивается в том случае, если в металле присутствуют примеси. Металл и примесь образуют гальваническую пару, в результате чего разрушается металл. Именно в тех случаях, когда требуется очень высокая химическая устойчивость металлов, добиваются их высокой чистоты.

Вследствие того, что коррозия наносит народному хозяйству огромный ущерб, разрабатываются различные методы защиты от коррозии. В настоящее время применяются следующие основные методы защиты от коррозии.

1. Поверхностное покрытие металлов, которое изолирует металл от внешней среды.

Покрытия могут быть металлические (цинк, медь, никель, хром) и неметаллические (лаки, краски, эмали).

Воронение - это процесс, при котором железо подвергается действию сильных окислителей, в результате чего металл покрывается непроницаемой для газов оксидной пленкой, предохраняющей его от воздействия внешней среды.

2. Создание сплавов, стойких к коррозии, введение в состав стали хрома, марганца, никеля дает возможность получить нержавеющую сталь, находящую широкое применение в промышленности.

Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами - замедлителями. Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды.

Сплавы

Сплавами называют системы, состоящие из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов. Свойства сплавов самые разнообразные и отличаются от исходных компонентов. Химическая связь в сплавах металлическая. Поэтому они обладают металлическим блеском, электрической проводимостью и другими свойствами металлов.

Сплавы получают смешением металлов в расплавленном состоянии, они затвердевают при последующем охлаждении. При этом возможны следующие типичные случаи.

1. Металлы смешивают и расплавляют с последующим затвердеванием. При этом составляющие сплав компоненты ограниченно или неограниченно растворяются друг в друге. Сюда относятся металлы, кристаллизующиеся в однотипных решетках и имеющие близкие по размерам атомы, например Ag-Cu, Cu-Ni, Ag-Au и другие. При охлаждении таких расплавов получаются твердые растворы. Кристаллы последних содержат атомы обоих металлов, чем обуславливается их полная однородность. По сравнению с истинными металлами твердые растворы характеризуются более высокой прочностью, твердостью и химической стойкостью; они пластичны и хорошо проводят электрический ток.

2. Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых отношениях, однако при охлаждении твердый раствор не образуется. При затвердевании таких сплавов получается масса, состоящая из мельчайших кристалликов каждого из металлов. Это характерно для сплавов Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb и др.

3. Расплавленные металлы при смешении взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллиды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na 3 Sb, Ca 3 Sb 2 , NiSb и т.д.

В настоящее время некоторые сплавы готовят методом порошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой тем-

пературе в восстановительной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы.

Элементы с металлическими свойствами расположены вIA – VIA группах Периодической системы (табл. 7).

Металлами являются также все элементы, расположенные вIБ – VIIIБ ‑группах (переходные металлы).

В настоящее время в Периодической системе 92 металла.

Типичными металлами являются s‑элементы (элементы IA‑группы от Li до Fr, элементы IIA‑группы от Mg до Ra). Общая электронная формула их атомов ns 1–2 . Для них характерны степени окисления +I и +II соответственно.

Небольшое число электронов (1–2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.

Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами – это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Br ‑ , Са 2+ O 2‑ . Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами – гидроксидов и солей, например Mg 2+ (OH ‑) 2 , (Li +) 2 CO 3 2‑ .

Металлы А‑групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Be‑Al‑Ge‑Sb‑Po, а также примыкающие к ним металлы (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0–4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры – соединения Тl III , Pb IV , Bi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства d‑элементов, т. е. элементов Б‑групп Периодической системы (типичные примеры – амфотерные элементы Cr и Zn).

Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути(II) AlCl 3 и HgCl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе AlCl 3 диссоциирует почти полностью, a HgCl 2 – в очень малой степени (да и то на ионы HgCl + и Cl ‑).

В свободном виде все металлы – твердые вещества, кроме одного – ртути Hg, которая при обычных условиях жидкость. В кристаллах металлов преобладает особый вид связи (металлическая связь); валентные электроны слабо связаны с конкретным атомом в решетке, и внутри металла существует так называемый электронный газ. Все металлы обладают высокой электропроводимостью (наибольшая y Ag, Cu, Аи, Al, Mg) и теплопроводностью. Встречаются низкоплавкие металлы (цезий Cs с температурой плавления 28,7 °C плавится от тепла руки) и, наоборот, весьма тугоплавкие (вольфрам W плавится лишь при 3387 °C). Отличительным свойством металлов служит их пластичность (ковкость), вследствие чего они могут быть прокатаны в тонкие листы – фольгу (Sn, Al, Au) или вытянуты в проволоку (Cu, Al, Fe), однако встречаются и очень хрупкие металлы (Zn, Sb, Bi).

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси – сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем – дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) – это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями . Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из‑за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка {ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Be, Bi, Со, Fe, Mg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте – металлы Al, Be, Bi, Со, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Na + , Са 2+ , Al 3+ , Fe 2+ и Fe 3+).

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Cu, Ag и Hg – только серной (концентрированной) и азотной кислотами, a Pt и Аи – «царской водкой».

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из‑за присутствия растворенных газов СO 2 и SO 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия).

Особенно коррозионно‑опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fe, и другим металлом, например Sn или Cu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Fe), к менее активному металлу (Sn, Cu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из‑за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов в промышленности:

электрометаллургия, т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;

пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);

гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора CuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).

В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры – Ag, Au, Pt, Hg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных – Al, Na, Са, Fe, Mg, К, Ti до самых редких – Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Элементы с металлическими свойствами расположены вIA – VIA группах Периодической системы (табл. 7).

Металлами являются также все элементы, расположенные вIБ – VIIIБ ‑группах (переходные металлы).

В настоящее время в Периодической системе 92 металла.

Общие способы получения металлов в промышленности:

Примеры заданий части A

1. В железосодержащих продуктах реакций между железом и разбавленными кислотами HCl, H 2 SO 4 и HNO 3 общая сумма числа атомов всех элементов равна

2. В уравнениях реакций

Fe + O 2 → (Fe II Fe III 2)O 4

Fe + Cl 2 → FeCl 3

Fe + Н 2 O (пар) → (Fe II Fe III 2)O 4 + Н 2

3. Соль NaCrO 2 получают при взаимодействии между

1) CrO 3 и Na 2 O

2) Cr 2 O 3 и Na 2 CO 3

4) CrO 2 и NaHCO 3

4. Будет протекать реакция при внесении меди в разбавленные растворы

1) бромоводорода

2) нитрата ртути(II)

3) серной кислоты

4) азотной кислоты

5. Протекают реакции

1) H 2 SO 4 + FeCO 3 →…

2) AgNO 3 + HI (p‑p) →…

3) K 2 Cr 2 O 7 (p‑p) + PbO 2 →…

4) AgNOg (p‑p) + Au →…

6–9. Масса тигля из

6. платины

8. серебра

при прокаливании на воздухе

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) не знаю

10–11. В молекулярных уравнениях реакций

10. Fe 2 O 3 + HNOg →…, Fe(OH) 2 + O 2 → FeO(OH) +…

11. CuO + С → CO 2 + Cu, Fe 2 O 3 + CO → Fe +…

общая сумма коэффициентов равна

12. Сплав, оба компонента которого реагируют с концентрированной азотной кислотой, – это

13. He протекает реакция замещения между реагентами

2) Pb(NO 3) 2 и Cr

4) Cd и Hg(NO 3) 2

14. Для удаления примеси NiSO 4 из раствора FeSO 4 надо добавить

1) хлорид бария

2) нитрат серебра(I)

3) гидроксид калия

15. Пластинка металла окажется покрытой другим металлом, взятым в виде раствора соли, в наборах

1) Zn и Pb(NO 3) 2

2) Cu и Hg(NO 3) 2

3) Со и MnSO 4

16–17. Коррозия стального изделия, склепанного с

16. хромом

17. никелем

во влажном воздухе

1) усиливается

2) ослабевает

3) не изменяется

4) не знаю

7. Неметаллы главных подгрупп IV–VII групп

Водород

Водород – первый элемент Периодической системы (1‑й период, порядковый номер 1). Не имеет полной аналогии с остальными химическими элементами и не принадлежит ни к какой группе (в таблицах условно помещается в IA– и/или в VIIA‑группу).

Атом водорода наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов. Электронная формула атома 1s 1 , характерные степени окисления 0, +I и реже – I. Состояние H I считается устойчивым (соединения с H ‑I – сильные восстановители).

Шкала степеней окисления водорода:

По электроотрицательности (2,10) водород занимает промежуточное положение между типичными металлами и типичными неметаллами. Проявляет амфотерные свойства – металлические и неметаллические. Входит в состав катионов (катионы оксония Н 3 O + и аммония NH 4+ , аквакатионы металлов) и многочисленных анионов – кислых кислотных остатков (HS ‑ , HCO 3 ‑ и др.).

Природный водород содержит изотоп 1Н – протий с примесью стабильного изотопа 2 H(D) – дейтерия и следами радиоактивного изотопа 3 Н(Т) – трития (на Земле всего 2 кг трития). В химии символом Н в формулах веществ обозначается содержащаяся в них природная смесь изотопов с преобладанием изотопа протий, а сами вещества рассматриваются как почти изотопночистые соединения протия.

Водород – наиболее распространенный элемент в космосе (Солнце, большие планеты Юпитер и Сатурн, звезды, межзвездная среда, туманности); в состав космической материи входит 63 % Н, 36 % Не и 1 % всех остальных элементов.

В природе – третий по химической распространенности элемент (после О и Si), основа гидросферы. Встречается в химически связанном виде (вода, живые организмы, нефть, природный уголь, минералы), содержится в верхних слоях атмосферы.

Водород Н 2 . Простое вещество. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Молекула содержит ковалентную σ‑связь Н – Н. Очень легкий, термически устойчивый до 2000 °C. Весьма мало растворим в воде. Хемосорбируется металлами Fe, Ni, Pd, Pt, где находится в атомном состоянии.

Водород Н 2 может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще), в других – окислительные свойства (реже):

восстановитель Н 2 0 – 2е ‑ = 2Н I

окислитель Н 2 0 + 2е ‑ = 2Н ‑I

Сильный восстановитель при высоких температурах, водород реагирует с неметаллами и оксидами малоактивных металлов, выполняет роль окислителя в реакциях с типичными металлами:

Очень высокой восстановительной способностью обладает атомарный водород Н 0 (водород in statu nascendi, лат., – в момент возникновения), который получают непосредственно в зоне проводимой реакции (время жизни Н 0 0,5 с); например, гранулы магния вносят в подкисленный раствор переманганата калия, протекают реакции:

а) образование атомарного водорода

Mg + 2Н + = Mg 2+ + 2Н 0

б) восстановление перманганат‑иона атомарным водородом

5Н 0 + 3H + + MnO 4 ‑ = Mn 2+ + 4Н 2 O

Другой пример – восстановление нитробензола в анилин (реакция Зинина):

а) Fe + 2Н + = Fe 2+ + 2Н 0

б) C 6 H 5 NO 2 + 6Н 0 = C 6 H 5 NH 2 + 2Н 2 O

Получить атомарный водород можно также пропусканием водорода Н 2 над никелевым катализатором.

Атомарный водород легко восстанавливает при комнатной температуре весьма устойчивые соединения, например KNO 3 и O 2:

2Н 0 (Zn, разб. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O

2H 0 (Zn, разб. HCl) + O 2 = Н 2 O 2

Аналогично протекают реакции при использовании амфигенов (Zn, Al) в щелочной среде:

а) Zn + 2OH ‑ + 2H 2 O = 2‑ + 2Н 0

б) 8Н 0 + KNO 3 = NH 3 + КОН + 2Н 2 O (кипячение)

Качественная реакция – сгорание собранного в пробирку водорода с «хлопком» («гремучая» смесь с воздухом при содержании Н 2 4–74 % по объему).

Применяется водород как восстановитель и гидрирующий агент в синтезе технически важных продуктов (редкие металлы, NH 3 , НCl, органические вещества).

Вода Н 2 O. Бинарное соединение. Бесцветная жидкость (слой более 5 м толщиной окрашен в голубой цвет), без вкуса и запаха. Молекула имеет строение дважды незавершенного тетраэдра [:: ОН 2 ] (sр 3 ‑гибридизация). Летучее вещество, термически устойчивое до 1000 °C.

В обычных условиях полярные молекулы воды образуют между собой водородные связи. Это обусловливает аномалию температур плавления и кипения воды – они значительно выше, чем у ее химических аналогов (H 2 S и других). Затвердевание воды в лед сопровождается увеличением объема на 9 %, т. е. лед легче жидкой воды (вторая аномалия воды). Наибольшую плотность вода имеет не при 0 °C, а при 4 °C (третья аномалия воды). Твердая вода (лед) легко возгоняется.

Природная вода по изотопному составу водорода в основном 1 Н 2 O с примесью 1 Н 2 НО и 2 Н 2 O, по изотопному составу кислорода в основном Н 2 16 O с примесью Н 2 18 O и Н 2 17 O. В малой степени подвергается диссоциации до Н + , или, точнее, до Н 3 O + , и ОН; очень слабый электролит. Катион оксония Н 3 O + имеет строение незавершенного тетраэдра [: O(Н) 3 ] (sр 3 ‑гибридизация). Образует кристаллогидраты со многими солями, аквакомплексы – с катионами металлов. Реагирует с металлами, неметаллами, оксидами. Вызывает электролитическую диссоциацию кислот, оснований и солей, гидролизует многие бинарные соединения и соли. Подвергается электролизу в присутствии сильных электролитов. Почти универсальный жидкий растворитель неорганических веществ.

Для химических целей природную воду очищают перегонкой (дистиллированная вода), для промышленных целей умягчают, устраняя «временную» и «постоянную» жесткость, или полностью обессоливают, пропуская через иониты в кислотной Н + ‑форме и щелочной ОН ‑ – форме (ионы солей осаждаются на ионитах, а ионы Н + и ОН ‑ переходят в воду и взаимно нейтрализуются). Питьевую воду обеззараживают хлорированием (старый способ) или озонированием (современный, но дорогой способ; озон не только окисляет вредные примеси подобно хлору, но и увеличивает содержание растворенного кислорода).

Уравнения важнейших реакций:

Примеры гидролиза бинарных соединений:

6H 2 O + Al 2 S 3 = 2Al(ОН) 3 ↓ + 3H 2 S

2H 2 O + SF 4 = SO 2 + 4HF (40–60 °C)

6H 2 O + Mg 3 N 2 = 3Mg(OH) 2 ↓ + 2NH 3 (кипячение)

2H 2 O + CaC 2 = Ca(OH) 2 ↓ + C 2 H 2

Вода – окислитель за счет H I:

Электролиз воды:

Электропроводность чистой (дистиллированной) воды весьма мала, поэтому электролиз проводят в присутствии сильных электролитов.

а) в нейтральном растворе (электролит Na 2 SO 4)

катод 2H 2 O + 2е ‑ = H 2 + 2OH

анод 2Н 2 O – 4е ‑ = O 2 + 4H +

раствор ОН ‑ + Н + = Н 2 O

б) в кислом растворе (электролит H 2 SO 4)

катод 2Н + + 2е ‑ = Н 2

анод 2Н 2 O – 4е ‑ = O 2 + 4Н +

в) в щелочном растворе (электролит NaOH)

катод 2Н 2 O + 2е ‑ = Н 2 + 2OН ‑

анод 4OН ‑ – 4е ‑ = O 2 + 2Н 2 O

Один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди(II) CuSO 4 в голубой медный купорос CuSO 4 5Н 2 O.

Известна изотопная разновидность воды – тяжелая вода D 2 O (2 Н 2 O); в природных водах массовое отношение D 2 O: Н 2 O = 1: 6000.

Плотность, температуры плавления и кипения тяжелой воды выше, чем у обыкновенной. Растворимость большинства веществ в тяжелой воде значительно меньше, чем в обычной воде. Она ядовита, так как замедляет биологические процессы в живых организмах. Тяжелая вода накапливается в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Используется как теплоноситель и замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Гидрид кальция СаН 2 . Бинарное соединение. Белый, имеет ионное строение Са 2+ (Н ‑) 2 . При плавлении разлагается. Чувствителен к кислороду воздуха. Сильный восстановитель, реагирует с водой, кислотами. Применяется как твердый источник водорода (1 кг СаН 2 дает 1000 л Н 2), осушитель газов и жидкостей, аналитический реагент для количественного определения воды в кристаллогидратах.

Уравнения важнейших реакций:

СаН 2 = Н 2 + Са (особо чистый) (выше 1000 °C)

СаН 2 + 2Н 2 O = Са(ОН) 2 + 2Н 2

СаН 2 + 2НCl (разб.) = СаCl 2 + 2Н 2

СаН 2 + O 2 = Н 2 O + СаО (особо чистый) (300–400 °C)

ЗСаН 2 + N 2 = ЗН 2 + Ca 3 N 2 (выше 1000 °C)

ЗСаН 2 + 2КClO 3 = 2КCl + ЗСаО + ЗН 2 O (450–550 °C)

СаН 2 + H 2 S = CaS + 2Н 2 (500–600 °C)

Получение : обработка нагретого кальция водородом.

Галогены

Хлор. Хлороводород

Хлор – элемент 3‑го периода и VII А‑группы Периодической системы, порядковый номер 17. Электронная формула атома [ 10 Ne]3s 2 3p 5 , характерные степени окисления 0, ‑I, +I, +V и +VII. Наиболее устойчиво состояние Cl ‑I . Шкала степеней окисления хлора:

Хлор обладает высокой электроотрицательностью (2,83), проявляет неметаллические свойства. Входит в состав многих веществ – оксидов, кислот, солей, бинарных соединений.

В природе – двенадцатый по химической распространенности элемент (пятый среди неметаллов). Встречается только в химически связанном виде. Третий по содержанию элемент в природных водах (после О и H), особенно много хлора в морской воде (до 2 % по массе). Жизненно важный элемент для всех организмов.

Хлор Cl 2 . Простое вещество. Желто‑зеленый газ с резким удушливым запахом. Молекула Cl 2 неполярна, содержит σ‑связь CI–Cl. Термически устойчив, негорюч на воздухе; смесь с водородом взрывается на свету (водород сгорает в хлоре):

Хорошо растворим в воде, подвергается в ней дисмутации на 50 % и полностью – в щелочном растворе:

Раствор хлора в воде называют хлорной водой, на свету кислота НClO разлагается на НCl и атомарный кислород О 0 , поэтому «хлорную воду» надо хранить в темной склянке. Наличием в «хлорной воде» кислоты НСlO и образованием атомарного кислорода объясняются ее сильные окислительные свойства: например, во влажном хлоре обесцвечиваются многие красители.

Хлор очень сильный окислитель по отношению к металлам и неметаллам:

Реакции с соединениями других галогенов:

а) Cl 2 + 2KBr (p) = 2КCl + Br 2 (кипячение)

б) Cl 2 (нед.) + 2KI (p) = 2КCl + I 2 ↓

3Cl 2 (изб.) + ЗН 2 O + KI = 6НCl + КIO 3 (80 °C)

Качественная реакция – взаимодействие недостатка Cl 2 с KI (см. выше) и обнаружение иода по синему окрашиванию после добавления раствора крахмала.

Получение хлора в промышленности :

и в лаборатории :

4НCl (конц.) + MnO 2 =Cl 2 + MnCl 2 + 2Н 2 O

(аналогично с участием других окислителей; подробнее см. реакции для НCl и NaCl).

Хлор относится к продуктам основного химического производства, используется для получения брома и иода, хлоридов и кислородсодержащих производных, для отбеливания бумаги, как дезинфицирующее средство для питьевой воды. Ядовит.

Хлороводород НCl. Бескислородная кислота. Бесцветный газ с резким запахом, тяжелее воздуха. Молекула содержит ковалентную σ‑связь Н – Cl. Термически устойчив. Очень хорошо растворим в воде; разбавленные растворы называются хлороводородной кислотой, а дымящий концентрированный раствор (35–38 %) – соляной кислотой (название дано еще алхимиками). Сильная кислота в растворе, нейтрализуется щелочами и гидратом аммиака. Сильный восстановитель в концентрированном растворе (за счет Cl ‑I), слабый окислитель в разбавленном растворе (за счет Н I). Составная часть «царской водки».

Качественная реакция на ион Cl ‑ – образование белых осадков AgCl и Hg 2 Cl 2 , которые не переводятся в раствор действием разбавленной азотной кислоты.

Хлороводород служит сырьем в производстве хлоридов, хлорорганических продуктов, используется (в виде раствора) при травлении металлов, разложении минералов и руд.

Уравнения важнейших реакций:

НCl (разб.) + NaOH (разб.) = NaCl + Н 2 O

HCl (разб.) + NH 3 H 2 O = NH 4 Cl + Н 2 O

4HCl (конц., гор.) + МО 2 = МCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O (М = Mn, Pb)

16HCl (конц., гор.) + 2КMnO 4(т) = 2MnCl 2 + 5Cl 2 + 8H 2 O + 2КCl

14HCl (конц.) + К 2 Cr 2 O 7(т) = 2CrCl 3 + ЗCl 2 + 7H 2 O + 2КCl

6HCl (конц.) + КClO 3(т) = КCl + ЗCl 2 + 3H 2 O (50–80 °C)

4HCl (конц.) + Са(ClO) 2(т) = СаCl 2 + 2Cl 2 | + 2Н 2 O

2HCl (разб.) + М = МCl 2 + H 2 (М = Fe, Zn)

2HCl (разб.) + МСO 3 = МCl 2 + СO 2 + H 2 O (М = Са, Ва)

HCl (разб.) + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Получение НCl в промышленности – сжигание Н 2 в Cl 2 (см.), в лаборатории – вытеснение из хлоридов серной кислотой:

NaCl (т) + H 2 SO 4 (конц.) = NaHSO 4 + НCl (50 °C)

2NaCl (т) + H 2 SO 4 (конц.) = Na 2 SO 4 + 2НCl (120 °C)

Хлориды

Хлорид натрия NaCl. Бескислородная соль. Бытовое название поваренная соль. Белый, слабогигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, растворимость мало зависит от температуры, раствор имеет характерный соленый вкус. Гидролизу не подвергается. Слабый восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена. Подвергается электролизу в расплаве и растворе.

Применяется для получения водорода, натрия и хлора, соды, едкого натра и хлороводорода, как компонент охлаждающих смесей, пищевой продукт и консервирующее средство.

В природе – основная часть залежей каменной соли, или галита, и сильвинита (вместе с КCl), рапы соляных озер, минеральных примесей морской воды (содержание NaCl = 2,7 %). В промышленности получают выпариванием природных рассолов.

Уравнения важнейших реакций:

2NaCl (т) + 2H 2 SO 4 (конц.) + MnO 2(т) = Cl 2 + MnSO 4 + 2Н 2 O + Na 2 SO 4 (100 °C)

10NaCl (т) + 8H 2 SO 4 (конц.) + 2КMnO 4(т) = 5Cl 2 + 2MnSO 4 + 8Н 2 O + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 (100 °C)

6NaCl (т) + 7H 2 SO 4 (конц.) + К 2 Cr 2 O 7(т) = ЗCl 2 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7Н 2 O + 3Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 (100 °C)

2NaCl (т) + 4H 2 SO 4 (конц.) + РЬO 2(т) = Cl 2 + Pb(HSO 4) 2 + 2Н 2 O + 2NaHSO 4 (50 °C)

NaCl (разб.) + AgNO 3 = NaNO 3 + AgCl↓

Хлорид калия KCl. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, раствор имеет горький вкус, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется как калийное удобрение, для получения К, КОН и Cl 2 . В природе основная составная часть (наравне с NaCl) залежей сильвинита.

Уравнения важнейших реакций одинаковы с таковыми для NaCl.

Хлорид кальция СаCl 2 . Бескислородная соль. Белый, плавится без разложения. Расплывается на воздухе за счет энергичного поглощения влаги. Образует кристаллогидрат СаCl 2 6Н 2 O с температурой обезвоживания 260 °C. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется для осушения газов и жидкостей, приготовления охлаждающих смесей. Компонент природных вод, составная часть их «постоянной» жесткости.

Уравнения важнейших реакций:

СаCl 2(т) + 2H 2 SO 4 (конц.) = Ca(HSO 4) 2 + 2НCl (50 °C)

СаCl 2(т) + H 2 SO 4 (конц.) = CaSO 4 ↓ + 2НCl (100 °C)

СаCl 2 + 2NaOH (конц.) = Ca(OH) 2 ↓ + 2NaCl

ЗСаCl 2 + 2Na 3 PO 4 = Са 3 (РO 4) 2 ↓ + 6NaCl

СаCl 2 + К 2 СO 3 = СаСO 3 ↓ + 2КCl

СаCl 2 + 2NaF = CaF 2 ↓ + 2NaCl

Получение:

СаСO 3 + 2HCl = СаCl 2 + СO 3 + Н 2 O

Хлорид алюминия AlCl 3 . Бескислородная соль. Белый, легкоплавкий, сильнолетучий. В паре состоит из ковалентных мономеров AlCl 3 (треугольное строение, sр 2 ‑гибридизация, преобладают при 440–800 °C) и димеров Al 2 Cl 6 (точнее, Cl 2 AlCl 2 AlCl 2 , строение – два тетраэдра с общим ребром, sр 3 ‑гибридизация, преобладают при 183–440 °C). Гигроскопичен, на воздухе «дымит». Образует кристаллогидрат, разлагающийся при нагревании. Хорошо растворим в воде (с сильным экзо ‑эффектом), полностью диссоциирует на ионы, создает в растворе сильнокислотную среду вследствие гидролиза. Реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается при электролизе расплава. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион Al 3+ – образование осадка AlРO 4 , который переводится в раствор концентрированной серной кислотой.

Применяется как сырье в производстве алюминия, катализатор в органическом синтезе и при крекинге нефти, переносчик хлора в органических реакциях. Уравнения важнейших реакций:

Получение AlCl 3 в промышленности – хлорирование каолина, глинозёма или боксита в присутствии кокса:

Al 2 O 3 + ЗС (кокс) + ЗCl 2 = 2AlCl 3 + ЗСО (900 °C)

Хлорид железа(Н) FeCl 2 . Бескислородная соль. Белый (гидрат голубовато‑зеленый), гигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. При сильном нагревании летуч в потоке HCl. Связи Fe – Cl преимущественно ковалентные, пар состоит из мономеров FeCl 2 (линейное строение, sp‑гибридизация) и димеров Fe 2 Cl 4 . Чувствителен к кислороду воздуха (темнеет). Хорошо растворим в воде (с сильным экзо ‑эффектом), полностью диссоциирует на ионы, слабо гидролизуется по катиону. При кипячении раствора разлагается. Реагирует с кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Типичный восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена и комплексообразования.

Применяется для синтеза FeCl 3 и Fe 2 O 3 , как катализатор в органическом синтезе, компонент лекарственных средств против анемии.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие Fe с соляной кислотой:

Fe + 2НCl =FeCl 2 + Н 2

(в промышленности используют хлороводород и ведут процесс при 500 °C).

Хлорид железа(III) FeCl 3 . Бескислородная соль. Черно‑коричневый (темно‑красный в проходящем свете, зеленый в отраженном), гидрат темно‑желтый. При плавлении переходит в красную жидкость. Весьма летуч, при сильном нагревании разлагается. Связи Fe – Cl преимущественно ковалентные. Пар состоит из мономеров FeCl 3 (треугольное строение, sр 2 ‑гибридизация, преобладают выше 750 °C) и димеров Fe 2 Cl 6 (точнее, Cl 2 FeCl 2 FeCl 2 , строение – два тетраэдра с общим ребром, sр 3 ‑гибридизация, преобладают при 316–750 °C). Кристаллогидрат FeCl 3 6Н 2 O имеет строение Cl 2Н 2 O. Хорошо растворим в воде, раствор окрашен в желтый цвет; сильно гидролизован по катиону. Разлагается в горячей воде, реагирует со щелочами. Слабый окислитель и восстановитель.

Применяется как хлорагент, катализатор в органическом синтезе, протрава при крашении тканей, коагулянт при очистке питьевой воды, травитель медных пластин в гальванопластике, компонент кровоостанавливающих препаратов.

Уравнения важнейших реакций:

Хлорид аммония NH 4 Cl. Бескислородная соль, техническое название нашатырь. Белый, летучий, термически неустойчивый. Хорошо растворим в воде (с заметным эндо ‑эффектом, Q = ‑16 кДж), гидролизуется по катиону. Разлагается щелочами при кипячении раствора, переводит в раствор магний и гидроксид магния. Вступает в реакцию конмутации с нитратами.

Качественная реакция на ион NH 4 + – выделение NH 3 при кипячении со щелочами или при нагревании с гашёной известью.

Применяется в неорганическом синтезе, в частности для создания слабокислотной среды, как компонент азотных удобрений, сухих гальванических элементов, при пайке медных и лужении стальных изделий.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие NH 3 с HCl в газовой фазе или NH 3 Н 2 O с HCl в растворе.

Гипохлориты. Хлораты

Гипохлорит кальция Са(СlO) 2 . Соль хлорноватистой кислоты HClO. Белый, при нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в холодной воде (образуется бесцветный раствор), гидролизуется по аниону. Реакционноспособный, полностью разлагается горячей водой, кислотами. Сильный окислитель. При стоянии раствор поглощает углекислый газ из воздуха. Является активной составной частью хлорной (белильной) извести – смеси неопределенного состава с СаCl 2 и Са(ОН) 2 . Уравнения важнейших реакций:

Са(ClO) 2 = СаCl 2 + O 2 (180 °C)

Са(ClO) 2(т) + 4НCl (конц.) = СаCl 2 + 2Cl 2 + 2Н 2 O (80 °C)

Са(ClO) 2 + Н 2 O + СO 2 = СаСO 3 ↓ + 2НClO (на холоду)

Са(ClO) 2 + 2Н 2 O 2 (разб.) = СаCl 2 + 2Н 2 O + 2O 2

Получение:

2Са(ОН) 2 (суспензия) + 2Cl 2(г) = Са(ClO) 2 + СаCl 2 + 2Н 2 O

Хлорат калия КСlO 3 . Соль хлорноватой кислоты НСlO 3 , наиболее известная соль кислородсодержащих кислот хлора. Техническое название – бертоллетова соль (по имени ее первооткрывателя К.‑Л. Бертолле, 1786). Белый, плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворим в воде (образуется бесцветный раствор), гидролиза нет. Разлагается концентрированными кислотами. Сильный окислитель при сплавлении.

Применяется как компонент взрывчатых и пиротехнических смесей, головок спичек, в лаборатории – твердый источник кислорода.

Уравнения важнейших реакций:

4КClO 3 = ЗКClO 4 + КCl (400 °C)

КClO 3(т) + 6НCl (конц.) = КCl + ЗCl 2 | + ЗН 2 O (50–80 °C)

ЗКClO 3(т) + 2H 2 SO 4 (конц., гор.) = 2ClO 2 | + КClO 4 + Н 2 O + 2KHSO 4

(диоксид хлора на свету взрывается: 2ClO 2(г) = Cl 2 + 2O 2)

2КClO 3 + Е 2 (изб.) = 2КЕO 3 + Cl 2 (в разб. HNO 3 , Е = Br, I)

Получение КClO 3 в промышленности – электролиз горячего раствора КCl (продукт КClO 3 выделяется на аноде):

Бромиды. Иодиды

Бромид калия КBr. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный, плавится без разложения. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Восстановитель (более слабый, чем KI).

Качественная реакция на ион Br – вытеснение брома из раствора КBr хлором и экстракция брома в органический растворитель, например СCl 4 (в результате водный слой обесцвечивается, органический слой окрашивается в бурый цвет).

Применяется как компонент травителей при гравировке по металлам, составная часть фотоэмульсий, лекарственное средство.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

K 2 CO 3 + 2HBr = 2KBr + CO 2 + H 2 O

Иодид калия KI. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный. При хранении на свету желтеет. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Типичный восстановитель. Водный раствор KI хорошо растворяет I 2 за счет комплексообразования.

Качественная реакция на ион I – вытеснение иода из раствора KI недостатком хлора и экстракция иода в органический растворитель, например СCl 4 (в результате водный слой обесцвечивается, органический слой окрашивается в фиолетовый цвет).

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

K 2 CO 3 + 2HI = 2KI + СO 2 + Н 2 O

Халькогены

Кислород

Кислород – элемент 2‑го периода и VIA‑группы Периодической системы, порядковый номер 8, относится к халькогенам (но чаще рассматривается отдельно). Электронная формула атома [ 2 He]2s 2 2p 4 , характерные степени окисления чаще 0 и – II, реже – I и +II, состояние О II считается устойчивым.

Шкала степеней окисления кислорода:

Кислород обладает высокой электроотрицательностью (3,50, второй элемент после фтора), проявляет типичные неметаллические свойства. Образует соединения со всеми элементами, кроме Не, Ne и Ar, входит в состав многочисленных оксидов, гидроксидов, солей кислородсодержащих кислот.

Природный кислород содержит изотоп 16 O с примесью изотопов 17 O и 18 O. В химии большинство соединений природного кислорода рассматривается как изотопно‑чистые соединения кислорода‑16.

Кислород – самый распространенный элемент в земной коре (55 %) и природных водах, встречается в свободном и связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Кислород O 2 . Простое вещество. Состоит из неполярных молекул О 2 (дикислород ) с σπ‑связью O=O, устойчивая аллотропная форма существования элемента в свободном виде. Бесцветный газ, в жидком состоянии – светло‑голубой, в твердом – синий.

Составная часть воздуха: 20,94 % по объему, 23,13 % по массе. Из жидкого воздуха кислород выкипает после азота N 2 . Малорастворим в воде (31 мл/1 л Н 2 O при 20 °C), но несколько лучше, чем N 2 . При комнатной температуре обладает малой химической активностью из‑за прочности двойной связи в молекулах.

Кислород поддерживает горение многих веществ. Сильный окислитель при высоких температурах, реагирует с большинством металлов и неметаллов:

Кислород вызывает ржавление (медленное окисление) железа, уравнения реакций см. в 11.3. Особенно активен атомарный кислород О 0 (активность выше, чем у озона O 3), обычно получаемый непосредственно в зоне реакции при термическом разложении многих веществ.

Простейшая качественная реакция – яркое загорание тлеющей древесной лучинки в атмосфере кислорода.

Получение кислорода:

а) в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха, электролиз воды (уравнения реакций см. в разд. 12);

б) в лаборатории – нагревание легко разлагающихся кислородсодержащих веществ:

2HgO = 2Hg + O 2 (450–500 °C)

2КMnO 4 = К 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200–240 °C)

2Na 2 O 2 = 2Na 2 O + O 2 (400–675 °C, вакуум)

2КClO 3 = 2КCl + 3O 2 (150–300 °C, кат. MnO 2)

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2 (400–520 °C)

Кислород является важнейшим продуктом основного химического производства. Применяется как реагент в химической технологии (обжиг сульфидных руд, синтез оксидов), металлургии (производство чугуна и стали) и газификации природного угля, при сварке и резке металлов; жидкий кислород – окислитель топлива в ракетной технике.

Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов горения, гниения и дыхания возмещается растениями при фотосинтезе. При вдыхании человеком и животными воздуха в легкие кислород связывается с гемоглобином крови и переносится в клетки, где органические вещества (в первую очередь глюкоза) с его помощью окисляются и обеспечивают жизненную энергию организмов.

Озон O 3 . Простое вещество (трикислород), неустойчивая аллотропная форма существования элемента. Светло‑синий газ с характерным («озоновым») запахом, тяжелее воздуха. Молекула имеет строение незавершенного треугольника [: O(O) 2 ] (sр 2 ‑гибридизация, валентный угол 117°), содержит ковалентные σπ‑связи O=O. Разлагается под действием ультрафиолетового излучения, катализаторов и оксидов азота (разрушение озонового слоя атмосферы Земли). Устойчив в смеси с O 2 (озонированный кислород). Малорастворим в воде (285 мл/1 л Н 2 O), но значительно лучше, чем O 2 . Сильный окислитель (более сильный, чем O 2 , но более слабый, чем атомарный кислород O 0). Окисляет при комнатной температуре многие металлы и неметаллы до высоких степеней окисления. С надпероксидами щелочных металлов (К, Rb, Cs) образует оранжево‑красные озониды. Не реагирует с Au, Cu, Ni, Pt, Sn. Генерируется из кислорода O 2 в специальном приборе – озонаторе.

Качественная реакция – выделение иода из раствора KI при комнатной температуре (O 2 в реакцию не вступает). Уравнения важнейших реакций:

Получение : под действием электрического разряда в озонаторе:

Применяется для дезинфекции питьевой воды, при отбеливании тканей и минеральных масел, как реагент в

неорганическом и органическом синтезе. В атмосфере Земли озоновый слой (на высоте =25 км) защищает живой мир от воздействия космического ультрафиолетового излучения.

Атомарный кислород О 0 . Третья аллотропная форма кислорода. Более сильный окислитель по сравнению с O 2 и O 3 . Образуется при распаде молекул O 2 и O 3 под действием ультрафиолетового излучения. Возникает при термическом разложении кислородсодержащих веществ (см. выше, получение O 2); при отсутствии восстановителей тут же переходит снова в O 2 и O 3 , в присутствии восстановителей окисляет их:

KNO 3 = KNO 2 + O 0

О 0 + С (графит) = СO 2

Поэтому вещества, легко отщепляющие кислород при нагревании, проявляют сильные окислительные свойства.

Пероксид водорода Н 2 O 2 . Бинарное соединение. Молекула Н 2 O 2 неплоская, имеет строение с σ‑связью О – О на ребре и связями Н – О на плоскостях двугранного угла. Степень окисления кислорода равна – I. Группа – О – О– называется пероксогруппой.

Бесцветная жидкость, вязкая, тяжелее воды, чувствительна к свету и примесям (стабилизатор Н 3 РO 4). Разлагается со взрывом при слабом нагревании, на катализаторе – при комнатной температуре. Неограниченно смешивается с водой. Разбавленными щелочами нейтрализуется не полностью. Сильный окислитель, слабый восстановитель.

Пероксид водорода применяется как отбеливатель текстиля, бумаги, кож, жиров и минеральных масел, окислитель ракетного топлива, реагент в органическом синтезе, при осветлении картин старых мастеров (потемневший красочный слой из‑за перехода белил – гидроксокарбонатов свинца – в черный PbS осветляют переводом в белый PbSO 4). В промышленности обычно используют взрывобезопасный 30 %‑ный раствор Н 2 O 2 (пергидроль), в медицине – 3 %‑ный раствор.

Уравнения важнейших реакций:

2Н 2 O 2 = 2Н 2 O + O 2 (выше 150 °C или на кат. MnO 2)

Н 2 O 2 (разб.) + NaOH (разб.) = NaHO 2 + Н 2 O

Н 2 O 2 (конц.) + 2NaOH (т) = Na 2 O 2 ↓ + 2H 2 O (0 °C)

Н 2 O 2 (3 %) + 2H + + 2I ‑ = I 2 ↓ + 2Н 2 O

5Н 2 O 2 (30 %) + I 2(т) = 2НIO 3 + 4Н 2 O

Н 2 O 2 (10 %) + SO 3 2‑ = SO 3 2‑ + H 2 O

4Н 2 O 2 (30 %) + PbS (черн.) = 4H 2 O + PbSO 4 (бел.)↓

3H 2 O 2 + 2 3‑ = 2CrO 4 2‑ + 8H 2 O + 2OH ‑

2Н 2 O 2 (конц.) + Са(ClO) 2 = СаCl 2 + 2Н 2 O + 2O 2

5H 2 O 2 + 6H + + 2MnO 4 ‑ = 2Mn 2+ + 5O 2 + 8Н 2 O

Получение : в лаборатории

К химическим свойствам следует отнести способность металлов сопротивляться окислению или вступать в соединения с различными веществами: кислородом воздуха, влагой (металлы, соединяясь с кислородом и водой, образуют основания (щелочи)), углекислотой, и д.р. Чем лучше металл вступает в соединения с другими элементами, тем легче он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием окружающей среды при обыкновенной температуре называется коррозией металлов .

К химическим свойствам металлов относится способность образовывать окалину при нагреве в окислительной атмосфере, а также растворяться в различных химически активных жидкостях: кислотах, щелочах и т.п. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называются жаростойкими (окалиностойкими).

Способность металлов сохранять в условиях высоких температур свою структуру, не размягчаться и не деформироваться под воздействием нагрузки называется жароупорностью.

Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяется по изменению веса испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Коррозия металлов . Словом «коррозия» (по-латыни – «разъедание») принято обозначать широко известные явления, заключающиеся в ржавлении железа, покрытие меди зеленым слоем окиси и тому подобных изменениях металлов.

В результате коррозии металлы частично или полностью разрушаются, качество изделий ухудшается, и они могут оказаться непригодными для использования.

Большинство металлов встречается в природе в виде соединений с другими элементами, например, железо – в виде Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeCO 3 , медь – в виде CuFeS 2 , Cu 2 S, алюминий – в виде Al 2 O 3 , и т.д. В результате металлургических процессов устойчивая связь металлов с веществами, имевшаяся в природном состоянии, нарушается, но она восстанавливается в условиях соединения металлов с кислородом и другими элементами. В этом заключается причина возникновения коррозии.

Разработка теории коррозии является заслугой русских ученых В.А.Кистяковского, Г.В.Акимова, Н.А.Изгарышева и д.р. по мнению исследователей явлений коррозии, существуют два вида коррозии: электрохимическая и химическая коррозия.

Электрохимической коррозией (Рис.13.) называется процесс разрушения металлов при соприкосновении с жидкостями, проводящими электрический ток (электролитами), т.е. с кислотами, щелочами, растворами солей в воде, водой с растворенным в ней воздухом. Происходящие здесь явления подобны тем, которые можно наблюдать в гальваническом элементе. В стали, например, гальванический элемент образует карбид железа и феррит. В электролитах карбид остается неизменным, феррит же растворяется и дает с веществом электролита ржавчину – продукт коррозии.

О поведении различных металлов в электролитах можно судить по занимаемому ими месту в ряду напряжений: калий, кальций, магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель, олово, свинец, водород, сурьма, висмут, медь, ртуть, серебро, золото. В приведенном ряду металлы расположены по величине нормального электрического потенциала (т.е. полученного при погружении металла в нормальный раствор его соли) по отношению к водороду. Каждый металл этого ряда в паре с другим в электролитах образует гальванический элемент, причем разрушаться будет тот металл, который в ряду располагается левее. Так, в паре медь – цинке разрушается цинк. Ряд напряжений имеет весьма большое практическое значение: он указывает на опасность располагать в непосредственном соприкосновении разнородные металлы, так как этим создаются условия для образования гальванического элемента и разрушения одного из металлов, левее располагающегося в ряду напряжений.

Рис.13. Схема, иллюстрирующая процесс электрохимической коррозии. На одном полюсе растворяется (корродирует) неблагородный металл, на другом – выделяется водород.

Химической коррозией называется разрушение металлов и сплавов в сухих газах при высокой температуре и в жидкостях, не имеющих свойств электролитов, например, в масле, бензине, расплавленных солях и д.р. При химической коррозии под действием кислорода воздуха металлы покрываются тончайшим слоем окислов. При химической коррозии металл подвергается не всегда только поверхностному разрушению, но коррозия проникает и в глубину металла, образуя очаги или располагаясь по границам зерен. (пример. Серебряные предметы со временем темнеют, потому что в воздухе содержаться газообразные соединения серы, которые вступают в химическую реакцию с серебром. Образующийся при этом сульфид серебра остается на поверхности изделий в виде коричневатой или черной пленки.)

Меры борьбы с коррозией металлов.

металлические покрытия – это нанесение на металле тонкого слоя другого металла, обладающего большой антикоррозионной стойкостью. Металлические покрытия наносят следующими способами: горячим, гальваническим, диффузионным, металлизацией и д.р.

При горячем способе изделие погружают в ванну с расплавленным металлом: цинком (цинкование), оловом (лужение), свинцом (свинцование).

Гальванический способ заключается в том, что на поверхность изделия наносят тонкий слой (от 0,005 до 0,03мм) металла при электролизе раствора солей цинка, олова, никеля, хрома и д.р.

Диффузионный способ состоит в поглощении поверхностью металла защитного металла, проникающего в него при высоких температурах.

Металлизация (распыление) – нанесение тонкого слоя расплавленного металла на изделие специальным пистолетом – электрометаллизатором.

Плакирование – покрытие листов металлав процессе прокатки тонким слоем другого металла, более устойчивого в отношении коррозии.

Химические покрытия (оксидирование или фосфотирование) заключаются в том, что на поверхности металла искусственно создают оксидные плотные пленки, хорошо сопротивляющиеся коррозии, с последующим покрытием маслами или красками.

Окраска (покрытие красками, лаками и эмалями) – самый простой и распространенный способ предохранения изделий от коррозии.

Смазка предохраняет металлические изделия от коррозии. Смазку маслом широко применяют для защиты от коррозии вращающихся и движущихся частей станков и машин.

Электрохимическая защита (Рис.14.) (катодная защита). Коррозионная защита одного металла при помощи «жертвенного» анода-протектора из другого металла (основана на положении металла в электрохимическом ряду напряжения металлов).

Рис.14. Методы катодной защиты от коррозии: с «жертвенным» анодом – протектором (а); с вспомогательным анодом и внешним источником тока (б).

Похожие статьи: