- •Часть 2.
- •Список сокращений и обозначений
- •Глава 1. Введение
- •1.1. Периодическая система
- •1.2. Основные свойства элементов
- •1.2.1. Характеристики изолированных атомов
- •1.2.2. Характеристики элементов в составе соединений
- •1.3. Нахождение в природе. Способы получения простых веществ
- •Глава 2.Водород
- •2.1. Распространенность водорода
- •2.2. Сходство водорода с другими элементами
- •2.2.1. Сходство с галогенами
- •2.2.2. Сходство со щелочными металлами
- •2.3. Особенности водорода
- •2.4. Получение водорода. Водородная энергетика
- •Глава 3. Галогены
- •3.1. Общая характеристика. Нахождение в природе
- •3.2. Получение простых веществ.
- •3.3. Физические свойства г2
- •3.4. Химические свойства галогенов
- •3.4.1. Галогены как окислители
- •3.4.2. Взаимодействие г2 с водородом. Получение hCl и ее свойства. Галогеноводородные кислоты
- •3.4.3. Окислительно-восстановительные реакции в водных растворах. Кислородосодержащие соединения хлора
- •Глава 4. Халькогены
- •4.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •4.2. Структура и физические свойства простых веществ
- •4.3. Химические свойства и применение простых веществ
- •4.4. Вода и сероводород. Сульфиды
- •4.5. Перхалькогениды
- •4.6. Кислородосодержащие соединения серы
- •4.7. Экологический аспект переработки сульфидных руд
- •Глава 5. Азот и фосфор
- •5.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •5.2. Простые вещества
- •5.2.1. Структура и физические свойства
- •5.2.2. Химические свойства
- •5.3. Аммиак и соли аммония
- •5.3.1. Получение аммиака
- •5.3.2. Физические и химические свойства
- •5.3.3. Соли аммония
- •5.4. Оксиды и гидроксиды азота. Соли
- •5.4.1. Получение оксидов и кислот
- •5.4.2. Свойства и применение
- •5.4.3. Нитраты и нитриты
- •5.5. Кислородосодержащие соединения фосфора
- •5.6. Минеральные удобрения
- •Глава 6. Углерод и кремний
- •6.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •6.2. Структура и физические свойства простых веществ
- •6.3. Химические свойства простых веществ
- •6.4. Метан
- •6.5. Кислородосодержащие соединения углерода
- •6.5.1. Общая характеристика и свойства
- •6.5.2. Токсичность оксидов
- •6.5.3. Синтез и обнаружение диоксида углерода
- •6.5.4. Применение со2 и проблемы его утилизации
- •6.6. Кислородосодержащие соединения кремния. Стекло. Цемент
- •6.6.1. Оксид. Гидроксид. Соли
- •6.6.2. Нерастворимые стекла
- •6.6.3. Цемент
- •6.7. Уголь и силикагель как сорбенты
- •Глава 7. Металлы
- •7.1. Общая характеристика
- •7.2.2. Жесткость воды и способы ее устранения
- •7.2.3. Получение и свойства s-металлов
- •7.2.4. Сложные вещества s-элементов. Производство соды
- •7.3.1. Общая характеристика. Степени окисления
- •7.3.2. Природные соединения алюминия
- •7.3.3. Физические свойства
- •7.3.4. Химические свойства
- •7.3.5. Оксиды и соли p-элементов
- •7.3.6. Производство алюминия
- •7.4.1. Общая характеристика
- •7.4.2. Нахождение d-элементов в природе
- •7.4.3. Получение d-металлов
- •7.4.4. Физические свойства
- •7.4.5. Химические свойства d-металлов
- •7.4.6. Сложные соединения d-элементов. Сплавы
- •Рекомендуемая литература.
- •Содержание
- •Глава 1. Введение 4
7.3.1. Общая характеристика. Степени окисления
К р-металлам, наиболее применяемым на практике, относятся алюминий, олово и свинец. Электронная конфигурация валентного слоя Al: s2p1, поэтому для него характерна ст.ок. +3. Олово и свинец проявляют ст.ок. +2 и +4, однако для Sn более устойчива +4, а для Pb – +2. Кроме того, значение потенциала ионизации атома свинца (несмотря на больший радиус) выше, чем олова. В IVА подгруппе при переходе от 5-го периода (т.е. от олова) к 6-му (к свинцу) заряд ядра (Z) возрастает очень резко – на 32 единицы, а случае s-элементов при аналогичном переходе – лишь на 18 единиц.Дополнительный прирост Z (на 14 единиц) объясняется тем, что при движении по периоду от бария к таллию заполняется не только d-подуровень (это d-Э от La до Hg ), но и впервые дополнительно четырнадцатью электронами заселяются семь f-орбиталей (это f-элементы от церия до лютеция).
Резко возросший заряд ядра сильнее притягивает электроны, вследствие чего дополнительно сжимаются (становятся меньше по размерам) атомы р-элементов 6-го периода, в том числе и свинца. А поскольку такое явление произошло в результате заполнения f-подуровня, то оно называется f-сжатием.
Именно в результате f-сжатия атом Pb отдает е труднее, чем Sn; особенно s-электроны (при окислении до +4), т.к. они расположены ближе к ядру, чем р-е, из-за чего гораздо сильнее испытывают на себе столь резко возросшее притяжение ядром. Этим и объясняется бóльшая устойчивость свинца (II), чем Pb(IV); а у олова – наоборот. Поэтому и в земной коре Sn и Pb присутствуют в ст.ок.: +4 (SnO2) и +2 (PbS), как наиболее для них стабильных.
7.3.2. Природные соединения алюминия
По запасам на Земле Al (его кларк 6,6%) среди М занимает 1-ое место, а среди всех Э – 3-е после O и Si. Так что основу земной коры составляют кислородные соединения кремния и алюминия.
Природные соединения алюминия содержат Al лишь в ст.ок. +3 34 и, в основном, это кислородосодержащие вещества, в частности, глинозем Al2O3. Его гидратная форма (бурого цвета из-за примеси оксида железа) называется бокситом, а безводная – корундом.
Корунд очень прочен (почти как алмаз) и имеет высокую т.пл. (2050°С). Поэтому применяется в качестве абразивного материала и для изготовления подшипников. В ювелирном деле широко используются (как драгоценные камни) природные образцы корунда с примесями некоторых металлов, придающих им красивую окраску (чистые кристаллы корунда бесцветны). Это синие сапфиры (примесь Ti и Fe), красные рубины (Cr), зеленые изумруды (Be) и др.
Введением соответствующих соединений в расплав оксида алюминия научились получать искусственные драгоценные камни35, которые внешне часто красивее естественных и не уступают им по прочности и другим свойствам, но стоят значительно дешевле. Поэтому их применяют и в технике, например, искусственные рубины используются в лазерах или в качестве опорных камней в часах.
Другой формой нахождения алюминия в природе (наряду с Al2O3) являются разнообразные алюмосиликаты36, в частности, глины. Глина, благодаря слоистой структуре, представляет собой мягкую массу, пластичную во влажном состоянии. Но при прокаливании она приобретает координационную структуру, и, как следствие, затвердевает необратимо. Поэтому применяется в производстве строительных материалов (кирпичи, черепица и др.) и в гончарном деле. Белую глину (каолин) используют для изготовления фарфоровой посуды. Кстати, пластилин – это смесь глины, воска, вазелина и сала.
Ученые считают, что будущее за керамическими материалами, т.е. полученными на основе оксидов металлов (в том числе Al2O3).
В природных соединениях алюминий связан очень прочно, вследствие чего в гидросфере Земли его концентрации, как и кремния, ничтожны – менее 10-6%. Поэтому и в организмах они находятся в качестве микроэлементов, причем чем более развит организм, тем больше в нем алюминия, но даже в человеке его всего лишь 10-4%. Для растений повышенное содержание катионов Al3+ в природной воде вредно, т.к. они связывают фосфат-анионы в прочное соединение AlPO4. (Фосфат алюминия практически нерастворим не только в воде, но и в в органических кислотах почвы, и т.о. фосфор становиться недоступным для растений.)
Кроме того, Al3+ снижает активность азобактерий. От его избытка гибнут водные организмы и птицы из-за т.н. алюминиевой болезни. Причем кислотные дожди значительно повышают содержание Al3+ (как и ионов других металлов) в природных водах. Правда, для человека алюминий в ряду токсичных М занимает последнее место (установлено, что небольшое его содержание в организме даже полезно, т.к. он участвует в регенерации костей и активирует некоторые ферменты). Не слишком токсично и олово, а свинец очень вреден (отравление им приводит к нервным болезням и слабоумию). Однако ничтожные его количества необходимы для поддержания иммунитета, при бесплодии, болезни крови и др.