Вопрос 2. Оксид, гидроксид кальция, хлорная известь

Оксид кальция получают в лаборатории термическим разложением соответствующих карбонатов или нитратов:

СаСО₃ ↔ СаО + СО₂

В промышленности – термическим разложением природных карбонатов. Оксид энергично взаимодействуют с водой образуя частично растворимые основания и выделяя большое количество теплоты (т.н. процесс «гашения» извести).

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Гидроксид кальция является довольно сильным основанием, из-за чего водный раствор имеет щелочную реакцию. Растворимость падает с ростом температуры.

Как и все основания, вступает в реакции:

1) нейтрализации с образованием соответствующих солей кальция:

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + 2H₂O,

2) реагирует с углекислым газом

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

3) реагирует с угарным газом

Ca(OH)₂ + CO (t°) → CaCO₃ + H₂↑

4) реагирует с солями при условии, что в результате реакции выпадает осадок

Ca(OH)₂ + Na₂SO₃→CaSO₃↓ + 2NaOH

Широко используется в строительстве для приготовления специальных видов бетона; для устранения жесткости воды, для производства хлорной извести, известковых удобрений, дубления кож и т.д.

Хлорная известь Ca(Cl)OCl — смесь гипохлорита, хлорида и гидроксида кальция. Получают взаимодействием хлора с гашеной известью (гидроксидом кальция):

Реально продукт, получаемый хлорированием гидроксида кальция, является смесью соединений, образованных молекулами Ca(OCl)₂, CaCl₂, Ca(OH)₂ и кристаллизационной воды. Формально его состав выражают формулой Ca(Cl)OCl.

На воздухе хлорная известь медленно разлагается по схеме

В основном хлорная известь используется для отбеливания и дезинфекции.

Вопрос 3. Бор, борная кислота; алюминий, оксид и гидроксид алюминия

Свободный бор представляет собой кристаллическое вещество чёрного цвета, по твёрдости уступающее лишь алмазу. Бор можно получить в виде аморфного порошка восстановлением борного ангидрида магнием:

B2O3 + 3 Mg 2 B + 3 MgO

а также термическим разложением галогенидов и водородных соединений бора.

Бор, как неметалл, при высокой температуре взаимодействует со многими металлами, образуя бориды, например, Mg3B2. При действии соляной кислоты на Mg3B2 получаются различные бороводороды (бораны) B2H6 (газ), B4H10 (жидкость), B10H14 (твёрдое вещество) и другие. Пары тетраборана (B4H10) воспламеняются на воздухе; диборан (B2H6) более устойчив. Водой все бороводороды гидролизуются с образованием водорода и борной кислоты:

B2H6 + 6 H2O 2 H3BO3 + 6 H2

Для бора характерны солеобразные соединения типа Li[BH4], Na[BH4] – тетрагидридобораты (другие названия – боргидриды, боранаты). Эти соединения по своему строению аналогичны фтороборатам Li[BF4], Na[BF4]. Водород в анионе [BH4]– имеет степень окисления минус 1, вследствие чего все боргидриды – сильные восстановители.

Оксид бора представляет собой бесцветную, хрупкую, стеклообразную массу; может быть получен непосредственным соединением бора с кислородом или прокаливанием борной кислоты. С водой борный ангидрид взаимодействует с образованием метаборной и ортоборной кислот

При нагревании ортоборная кислота теряет воду, превращаясь в метаборную кислоту и далее – в оксид бора. H3BO3 – очень слабая кислота (K1 = 6*10^–10 , K2 = 2*10^–13 , K3 = 2*10^–14); она представляет собой белые кристаллы, растворимые в горячей воде.

Особенностью борной кислоты является то, что при её нейтрализации раствором щёлочи образуется соль не ортоборной, а тетраборной кислоты H2B4O7 , являющейся представителем полиборных кислот:

4 H3BO3 + 2 NaOH Na2B4O7 + 7 H2O .

Соли тетраборной кислоты называются тетрабораты. Графическую формулу тетрабората натрия можно представить следующим образом:

Десятиводный кристаллогидрат тетрабората натрия Na2B4O7*10H2O называется бура.

В основном бор - компонент коррозионностойких и жаропрочных сплавов, которые применяют также как нейтронопоглощающие материалы для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов.

Борная кислота используется в ядерных реакторах в качестве поглотителя нейтронов, растворённого в теплоносителе; как удобрение; в лабораториях применяют для приготовления буферных растворов; в медицине — как самостоятельное дезинфицирующее средство.

Алюминий – очень активный серебристо-белый металл. Поверхность алюминия покрыта прочной оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего окисления. Алюминий, лишённый оксидной плёнки, способен вытеснять водород даже из воды:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(ОН)₃↓ + 3Н₂↑ ,

но реально такие реакции протекают в щелочных средах.

Кроме окисления, алюминий вступает в реакции:

1) с галогенами, образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

2Al + 3Hal₂ → 2AlHal₃ (Hal = Cl, Br, I)

2) с другими неметаллами реагирует при нагревании:

с фтором, образуя фторид алюминия:

2Al + 3F₂ → 2AlF₃

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S → Al₂S₃

с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N₂ →= 2AlN

с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С → Al₄С₃

3) со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H₂O→ 2Na[Al(OH)4] + 3H₂

2(NaOH•H₂O) + 2Al → 2NaAlO₂ + 3H₂

4) легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄(разб) → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

5) при нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al + 15H₂SO₄(конц) → 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O

Al + 6HNO₃(конц) → Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

6) восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe

2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr

Оксид алюминия Al2O3 и его гидроксид Al(OH)3 растворяются в кислотах с образованием катионов Al³⁺ и взаимодействуют со щелочами. При сплавлении со щелочами образуются метаалюминаты – производные метаалюминиевой кислоты:

Al2O3 + 2 KOH → 2 KAlO2 + H2O ;

при взаимодействии с раствором щёлочи образуются гидроксокомплексы

Na[Al(OH)4] или Na3[Al(OH)6]:

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O 2 Na[Al(OH)4];

Al(OH)3 + NaOH Na[Al(OH)4];

Al(OH)3 + 3 NaOH Na3[Al(OH)6] .

Гидроксокомплексы также образуются при окислении металлического алюминия водными растворами щелочей:

2 Al + 2 NaOH + 6 H2O 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений.

Оксид алюминия используется при производстве керамики, которая обладает высокой твёрдостью, огнеупорностью и антифрикционными свойствами, а также является хорошим изолятором. Она используется в горелках газоразрядных ламп, подложек интегральных схем, в запорных элементах керамических трубопроводных кранов, в зубных протезах и т.д.

Гидроксид алюминия используется при очистке воды, так как обладает способностью поглощать (адсорбировать) различные вещества; в медицине, в качестве антацидного средства, а также при изготовлении вакцин. Применяется в качестве антипирена (подавителя горения) в пластиках и других материалах.