ЭЛЕМЕНТЫ

Из солей актинидов(IV) хорошо растворимы в воде нитраты, умеренно – сульфаты, плохо – фосфаты, карбонаты, иодаты. Растворимые соединения сильно гидролизуются. Кристаллогидраты содержат обычно от 4 до 12 молекул воды.

Для актинидов характерны высокие координационные числа от 6 до 12, которые проявляются в координационных соединениях анионного типа, например, К[Th(NО3)5],·K4[Th(SО4)4(Н2О)2], K2[ThF6]. Так в соединении К[Th(NО3)5] координационное число тория равно 10, каждый нитрат-анион является бидентатным.

Соединения америция(IV) и кюрия(IV) – сильные окислители, тогда как соединения урана(IV) – восстановители. Например:

2Am+4O2 + 8HCl = 2Am+3Cl3 + Cl2 + 4Н2О;

3U+4O2 + 8HNO3 = 3U+6O2(NO3)2 + 2NO + 4Н2О

Соединения со степенью окисления +5. Степень окисления +5 более устойчива для протактиния и нептуния, реже проявляется у плутония. Соединения актинидов(V) ведут себя как d- элементы и обнаруживают сходство с соединениями элементов подгруппы ванадия. В отличие от последних соединения актинидов(V) в большей степени проявляют основные свойства, например, Pa2O5 заметно растворяется в горячей серной кислоте:

Ра2О5 + H2SO4 = (PaO2)2SО4 + H2O

сульфат протактинила

При действии щелочей на соли протактинила образуется гидроксид состава PaO2(ОН), проявляющий основные свойства.

Из других производных актинидов(V) выделены в свободном состоянии фториды, хлориды и бромиды. Все соединения летучи, в водных растворах практически полностью гидролизуются:

РаCl5 + 3H2O = HPaO3 + 5НCl

Соединения со степенью окисления +6. Степень окисления +6 наиболее характерна для урана и может проявляться у нептуния, плутония и реже у америция. При этой степени окисления актиниды напоминают d-элементы подгруппы хрома.

В ряду U – Np – Pu – Am устойчивость соединений в степени окисления +6 понижается. Так, для урана получен устойчивый оксид оранжевого цвета UO3, для нептуния известен лишь смешанный оксид Np3O8, оксид плутония не получен. Аналогично меняется устойчивость фторидов: UF6 и NpF6 более или менее устойчивые летучие соединения, фторид плутония(VI) неустойчив. Хлорид получен только для урана(VI).

Для актинидов в степени окисления +6 характерны соли катиона AnО22+ - уранил, нептунил, плутонил. Например, наиболее распространенный препарат урана, нитрат уранила, можно получить при действии азотной кислоты на оксид UO3:

UO3 + 2HNO3 = UO2(NO3)2 + Н2О

Большинство производных AnО22+ хорошо кристаллизуются, легко растворяются в воде, являются солями или солеподобными соединениями. Гидролиз соединений обратим:

UO2Сl2 + 2H2O		UO2(OH)2 + 2НCl

Гидроксид уранила - UO2(OH)2 или H2UO4 – соединение амфотерное с преобладание основных свойств. Кислотные признаки проявляются лишь при сплавлении, получаемые при этом уранаты (нептунаты или плутонаты) нестойчивы и разрушаются водой.

t

H2UO4 + 2КOН = К2UO4 + 2Н2О

Производные нептуния(VI), а в особенности плутония и америция, – сильные окислители:

2Np+6O2Cl2 + Sn+2Cl2 = 2Np+5O2Cl + Sn+4Cl4

Соединения со степенью окисления +7. При действии активных окислителей, таких как озон, гипохлориты или гипобромиты, на щелочные растворы нептунатов или плутонатов(VI) образуются соединения нептуния и плутония в степени окисления +7. Например:

2BaNp+6O4 + О3 + Ba(ОН)2 = 2BaNp+7O5 + О2 + Н2О

Производные нептунатов(VII) имеют темно-зеленую окраску, плутонатов(VII) - темно-коричневую. Получен гидроксид состава NpO2(OH)3, обладающий амфотерными свойствами.

91

Лекция № 13. Инертные газы

В главную подгруппу VIII группы входят гелий He, неон Ne, аргон Ar и элементы подгруппы криптона – криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn. Их атомы имеют завершенную электронную конфигурацию внешнего электронного слоя 1s2 (He) и ns2np6. Поэтому молекулы простых веществ этих элементов одноатомны. В обычных условиях простые вещества представляют собой газы, их называют благородными или инертными.

13.1. Гелий. Неон. Аргон

Гелий – наиболее распространенный после водорода элемент космоса, присутствует в атмосфере солнца, звезд, в метеоритах. Состоит из двух стабильных изотопов – 4Не и 3Не. В земной коре гелий накапливается за счет -распада радиоактивных элементов, содержится в минералах, в самородных металлах в растворенном виде.

По физическим свойствам гелий наиболее близок к водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов у него самые низкие температуры кипения (-269 ºС). У гелия самая низкая из газов растворимость в воде, например, при 0 ºС в 1 л воды растворяется менее 10 мл гелия, что в два с лишним раза меньше, чем растворимость водорода.

По сравнению с другими инертными газами гелий обладает особо устойчивой электронной конфигурацией 1s2, и как следствие наибольшей энергией ионизации атома – 24,59 эВ. В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении он может образовывать молекулярные ионы Не2+.

В промышленности гелий в основном выделяют из природных газов методом глубокого охлаждения. Газообразный гелий применяется для создания инертной атмосферы. Жидкий гелий применяется в лабораторных экспериментах в качестве хладагента для создания низких температур.

Неон в природе имеет три стабильных изотопа – 20Ne, 21Ne, 22Ne. Неон, как и гелий, обладает высокой энергией ионизации – 21,57эВ, поэтому химических соединений не образует. При сильном возбуждении неон образует молекулярные ионы типа Ne2+. Основное отличие неона от гелия обусловлено большей поляризуемостью атома (большей склонностью к образованию межмолекулярных связей), отсюда у неона большая растворимость и способность адсорбироваться. Температура кипения неона составляет -245,9 ºС.

Неон получают совместно с гелием в процессе сжижения и разделения воздуха. Разделение гелия и неона осуществляется за счет адсорбции последнего активированным углем при охлаждении жидким азотом. Неон применяется в электровакуумной технике. Различные типы неоновых ламп с характерным красным свечением применяют в маяках, рекламах и т.п.

Аргон значительно более распространен на Земле, чем остальные инертные газы. Его объемная доля в атмосфере составляет 0,93 %. Он находится в виде трех изотопов 40Ar (99,6 %), 38Ar (0,063 %), 36Ar (0,337 %).

Энергия ионизации атома аргона составляет 15,76 эВ, химические соединения для аргона не получены. Аргон имеет больший размер атома и более, чем гелий и неон, склонен к образованию межмолекулярных связей. Он характеризуется более высокой температурой кипения (-189,3 С), лучше адсорбируется.

Аргон образует молекулярные соединения включения – клатраты - с водой, фенолом, толуолом и др. Гидрат аргона примерного состава Ar·6H2O представляет собой кристаллическое вещество, разлагающееся при атмосферном давлении и температуре –42,8 С. Аргон образует смешанные клатраты с H2S, SO2, CO2, HCl.

Аргон получают при разделении жидкого воздуха. Он применяется в металлургических и химических процессах, требующих инертной атмосферы, в светотехнике (флуоресцентные лампы, лампы накаливания), в ядерной энергетике (ионизационные счетчики и камеры).

13.2. Элементы подгруппы криптона

Элементы подгруппы криптона имеют меньшие значения энергии ионизации, чем типические элементы VIII группы, поэтому элементы образуют соединения валентного типа. Так, ксенон проявляет в соединениях степени окисления +2, +4, +6 и +8.

Криптон, ксенон и радон имеют большие размеры атомов и соответственно, большую поляризуемость, чем другие инертные газы. Так поляризуемость ксенона в 20 раз выше, чем у гелия. Рост поляризуемости сказывается на увеличении температур кипения и плавления простых веществ:

Элемент	He	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
Радиус, нм	0,122	0,160	0,192	0,198	0,218	0,220
Т.кип., ºС	-269	-246	-186	-153	-108	-62
Т.пл., ºС	-272	-249	-189	-157	-112	-71

92

В ряду инертных газов возрастает устойчивость их клатратов. Различие в устойчивости соединений включения используется для разделения газов. Криптон извлекают вместе с ксеноном при ректификации жидкого воздуха. Смесь криптона и ксенона применяют в вакуумной электротехнике. Радиоактивный радон находит применение в медицине.

Соединения криптона, ксенона и радона

Соединения со степенями окисления +2, +4, +6. Основными соединениями, из которых получают многочисленные производные инертных газов, являются фториды. Кроме того, фториды инертных газов используются в качестве фторирующих агентов и окислителей.

Ксенон горит в атмосфере фтора ярким пламенем, состав продуктов окисления зависит от соотношения реагентов, времени и условий синтеза:

Xe + F2 = XeF2;		Xe + 2F2	= XeF4;		Xe + 3F2 = XeF6
	Соединение	XeF2		XeF4		XeF6
	Плотность, кг/м3	4,32		4,04		-
	Т.пл., ºС	140		114		46

С ростом степени окисления ксенона у соединений ослабляются основные свойства и усиливаются кислотные. Так, XeF2 является типичным основным соединением и может образовывать катионные комплексы, например:

XeF2 + SbF5 = [XeF][SbF6]

Кроме того, XeF2 вступает в реакции обмена, образуя солеподобные соединения:

XeF2 + HClO4 = [XeF][ClO4] + HF;

XeF2 + 2HClO4 = Xe[ClO4]2 + 2HF;

Фторид ксенона(VI) – белое кристаллическое вещество, устойчивое при комнатной температуре, чрезвычайно химически активное, например:

2XeF6 + SiO2 = 2XeOF4 + SiF4

XeF6 проявляет амфотерные свойства. При взаимодействии с кислыми фторидами, образуются производные катионного комплекса [XeF5]+, например:

XeF6 + HSO3F = [XeF5][SO3F] + HF

При взаимодействии с основными фторидами образуются гепта- и октафтороксенаты(VI):

СsF + XeF6 = Cs[XeF7];

2СsF + XeF6 = Cs2[XeF8]

Фтороксенаты цезия и рубидия устойчивы, разлагаются при температуре выше 400 ºС. Оксофторид ксенона(VI) - XeOF4 – бесцветная жидкость, замерзающая при –28 ºС. Молекула

имеет геометрию тетрагональной пирамиды:

O

F Xe F

F F

Оксид ксенона(VI) – ХеО3 - белое, нелетучее вещество, чрезвычайно взрывчатое соединение. Молекула оксида имеет геометрию тригональной пирамиды. Образуется в результате гидролиза фторида и оксофторида ксенона(VI):

XeF6 + Н2О = XeOF4 + 2НF; XeОF4 + 2Н2О = XeO3 + 4НF

Соединения со степенями окисления +8. Производные ксенона(VIII) – оксид XeO4 и ок-

софторид XeO3F2 - преимущественно кислотные соединения.

Молекула XeO4 имеет геометрию тетраэдра с атомом ксенона в центре. Оксид получают действием безводной серной кислоты на гексаоксоксенат(VIII) бария при комнатной температуре:

Ва2XeО6 + 2H2SO4 = XeО4 + 2ВаSO4 + 2H2О

В обычных условиях XeO4 газ, медленно разлагается даже при температуре –40 С: 3XeО4 = 2XeО3 + Xe + 3O2

93

Гексаоксоксенат(VIII)-анион (перксенат-анион - XeО64-) имеет геометрию октаэдра с атомом ксенона в центре. Соли - гексаоксоксенаты(VIII) Nа4XeО6·6H2О, Nа4XeО6·8H2О, Ва2XeО6·1,5H2О – устойчивые соединения, в воде практически не растворяются.

Все соединения ксенона – сильные окислители. Так, анион XeО64- в кислой среде более сильный окислитель, чем перманганат-анион и фтор, Еº(XeО64-/Хе) = 3,0 В. С помощью соединений ксенона удалось перевести в высшую степень окисления практически все элементы. Например с помощью XeF2 получены AuF5, BrF7.

Список рекомендуемой литературы

1.Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1985.

2.Общая химия / Под ред. Е.М. Соколовской и Л.С. Гузея. М.: Из-во МГУ, 1989.

3.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1988.

4.Хомченко Г.П., Цитович И.К. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1987.

5.Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность. М.: Мир, 1987.

6.Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. М.: Мир, 1979.

94

	СОДЕРЖАНИЕ
		стр.
	Введение	3
Лекция № 1	Водород……………………………………………………….......................................….	3
Лекция № 2	Элементы VII-A-подгрупы (галогены)………….……......................................………	7
Лекция № 3	Элементы VIA-подгруппы………………………….………..….....................................
3.1	Кислород ………………………………………….……….......................................……	14
3.2	Сера ………………….………………………………………………......…..................…	17
3.3	Элементы подгруппы селена......................................................................….......…	23
Лекция № 4	Элементы VA-подгруппы……………………….………….....................…..............….

4.1Азот …………………….…………………………..……………………..……................... 25

4.2Фосфор ……………………….………………………………………………..................... 32

4.3 Элементы подгруппы мышьяка………………………………………...........…......…... 35 Лекция № 5 Элементы IVA-подгруппы………………………………...........................................….

5.1Углерод ……………………………………………………..........................................…. 38

5.2 Кремний ………………………………………………………………….....…............……

43

5.3Германий, олово, свинец……………………………………………….....................….. 46

Лекция № 6	Элементы IIIA-подгруппы……………………………………................…...............…..
6.1	Бор …………………….…………….………………..........................…...........…...........	50
6.2	Алюминий ……………………..……..…….……….............................................…..….	53
6.3	Подгруппа галлия………………………………............................................................	55
Лекция № 7	Элементы IIA-подгруппы…………………..................................….............................

7.1Бериллий …………………………………………….............................…...................... 56

7.2Магний …………………………………………………........................................…........ 57

7.3	Щелочноземельные металлы..........…….……………...............................................	58
7.4	Элементы IA-подгруппы (щелочные металлы)………………………..………….......	59
Лекция № 8	Общая характеристика d-элементов.
	Элементы IIIВ – VB подгрупп (подгруппы скандия, титана и ванадия)..................
8.1	Общая характеристика d-элементов………………………………......…...............….	61
8.2	Элементы IIIВ подгруппы (подгруппа скандия)…………………….................….….	62
8.2	Элементы IVВ подгруппы (подгруппа титана)……………………....................….....	63
8.3	Элементы VB подгруппы (подгруппа ванадия)	64
Лекция № 9	Элементы VIВ и VII подгрупп (подгруппы хрома и марганца)………………….......
9.1	Элементы VIВ-подгруппы (подгруппа хрома)…………......................................…...	66
9.2	Элементы VIIВ-подгруппы (подгруппа марганца)……......................................……	70
Лекция № 10	Элементы VIIIB-подгруппы ……………………………..........................................…..
10.1	Элементы триады железа…………….……………..........................................….......	73

10.2Платиновые металлы…………………….......…...................................................…... 78

Лекция № 11	Элементы IB- и IIB-подгрупп (подгруппы меди и цинка)…….……………………….
11.1	Элементы IB-подгруппы (подгруппа меди)…………………………..................……	81
11.2	Элементы IIB-подгруппы (подгруппа цинка)……………………….......................….	85
Лекция № 12	Химия f-элементов
12.1	Лантаниды..................................................................................................................	87
12.2	Актиниды.....................................................................................................................	89
Лекция № 13	Инертные газы...........................................................................................................
13.1	Гелий. Неон. Аргон.....................................................................................................	92
13.2	Элементы подгруппы криптона...............................................................................	92
	Список рекомендуемой литературы…………………….....................................……	94

95

Лекции по химии элементов / Учебное пособие для студентов I курса направления подготовки 6.040101 - химия. Симферополь: Таврический национальный университет имени В.И. Вернадского,

2010. - 95 с.; ил.

Авторы-составители: Э.А. Гюннер В.Ф. Шульгин, Н.С. Певзнер

Рецензент: доктор химических наук, профессор А.М. Федоренко (ТНУ)

Редактор: Н.А. Василенко

____________________________________________________________________________________

Подписано к печати	2010 г.	Формат 60x84/8	Бумага	тип. ОП
Объем 4,0 п.л.	Тираж: 50 экз.	Заказ - №	Цена договорная

____________________________________________________________________________________

95007, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4 Таврический национальный университет имени В.И. Вернадского

96