Обзор свойств элементов металлов и неметаллов

Обзор свойств элементов металлов и неметаллов. Обзор свойств элементов III-VIIA групп, обладающих полупроводниковыми свойствами.

Все элементы таблицы Менделеева по своим физическим свойства делятся  на металлы и неметаллы.  Если в этой таблице провести диагональ из верхнего левого угла,  то окажется, что в верхней половине таблицы  для главных подгрупп элементов расположатся все неметаллы, а в нижней половине - все металлы.  Все элементы, находящиеся в побочных подгруппах таблицы являются металлами.  Примерно 80 %  химических элементов приходится на металлы и только 20 % на неметаллы. Из 105 элементов ядра  атомов 18 из них нестабильны и подвержены радиоактивному распаду (атомные веса таких элементов в таблице приводятся в квадратных скобках).  Если из общего числа элементов вычесть 6 инертных газов и 18 радиоактивных элементов, то в распоряжении химиков окажется 81 элемент, из которых формируется все многообразие веществ.

 Общее число неорганических веществ вместе со всеми солями насчитывается не более 500 000.

К неметаллам относятся все химически неактивные элементы-инертные газы (6 элементов), а также химически активные элементы: H-водород, B-бор, C-углерод, N-азот, O-кислород, F-фтор, Si-кремний, P-фосфор, S-сера, Cl-хлор, As-мышьяк,  Se-селен,  Br-бром, Sb-сурьма, Те-теллур, I-иод (16 элементов).  Неметаллы плохо проводят тепло и электрический ток (исключение-графит). В противоположность этому все металлы хорошо проводят тепло и электрический ток.

Свойства элементов  группы IIIA

К элементам III группы главной подгруппы относятся: бор, алюминий, галлий, индий, таллий.  В представленной ниже таблице суммированы данные об электронном строении атомов этих элементов и температурах плавления и кипения (^оС)

B                 Al                         Ga                  In                   Tl

2р³             3р³                          4р³                 5р³                 6р³

Рекомендуемые материалы

~2200         660.2                      30                    158                303

>2500         2270                        ~2000             >1450           1650

 (возг)

Из таблицы видно,  что все перечисленные элементы являются p-элементами.  Три валентных электрона располагаются соответственно на 2.3, 4,5 и 6  энергетических уровнях, которые совпадают с номером периода этих элементов.  Максимальная валентность этих элементов в соединениях (3) определяется числом валентных электронов и равна номеру группы. С возрастанием атомного номера появляются и более низкие валентности.  Так, у галлия может быть валентность 3 и 2,  у индия 3, 2, 1, а у таллия 1 и 3. У таллия наиболее устойчивы соединения, в которых его валентность равна 1.

С увеличением порядкового номера металлические свойства рассматриваемых элементов, как и в других главных подгруппах,  заметно усиливаются.  Так, оксид бора имеет кислотный характер, оксиды алюминия, галлия и индия-амфотерны, а оксид таллия в высшей валентности имеет основной характер.

Бор и его соединения

Бор сравнительно мало распространен в природе. К главным природным соединениям бора относятся борная кислота H₃BO₃  и  бура-соль борной кислоты Na₂B₄O₇×10H₂0.   Борная кислота-очень слабая кислота, слабее угольной. Получение элементарного бора в чистом виде сопряжено с большими трудностями вследствие склонности этого элемента реагировать при высокой температуре с материалом  емкостей, в которых его получают.  При восстановлении окиси бора B₂O₃ такими металлами, как натрий, калий, магний и алюминий, получают так называемый аморфный бор в виде черновато-коричневого порошка.  Кристаллы чистого бора непрозрачны, имеют серо-черный цвет, металлический блеск. Их плотность при комнатной температуре равна 2.33, а твердость-9.  Бор является полупроводником.

Бор химически весьма инертен.  С кислородом воздуха он реагирует только при 700⁰, сгорая красноватым пламенем. При нагревании  бор непосредственно реагирует с хлором, бромом и серой. Выше 900⁰ он реагирует с азотом, образуя нитрид бора BN.

Вода не действует на бор, однако концентрированные серная или азотная  кислоты окисляют его в борную кислоту

B + 3HNO₃ = H₃BO₃ + 3NO₂­

Как и остальные элементы второго периода, бор проявляет склонность к образованию ковалентных связей.  Не известно ни одно соединение, которое содержало бы ион В³⁺.  Галогениды бора являются ковалентными соединениями, а такие соли бора, как  сульфаты и нитраты, не существуют.

При нагревании бура Na₂B₄O₇×10H₂0 теряет кристаллизационную воду и плавится. В расплавленном состоянии она растворяет оксиды различных металлов с образованием двойных солей метаборной кислоты, из которых многие окрашены в цвета, характерные для каждого металла.  На этом свойстве буры основано ее применение при сварке,  резании и паянии металлов. Бура широко применяется в производстве легкоплавкой глазури для фаянсовых и фарфоровых изделий и, особенно для чугунной посуды (эмаль). Кроме того, она используется при изготовлении специальных сортов стекла и в качестве удобрения, поскольку бор в малых количествах  необходим растениям.

Карбид бора В₄С получают сплавлением окиси бора с углем  в электрической печи. При этом образуются черные блестящие кристаллы, очень устойчивые к действию кислорода, хлора и кислот. Карбид бора - самый твердый из известных соединений (температура плавления 2350⁰), он царапает даже алмаз.

Алюминий и его соединения

Алюминий по распространенности  в земной коре занимает третье место после кислорода и кремния. В очень больших количествах алюминий содержится во многих силикатах и в глинах. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60 %  глинозема-Al₂O₃.

В настоящее время алюминий в громадных количествах получают электролизом расплава смеси криолита Na₃[AlF₆]  и оксида алюминия Al₂O₃.

Одинаковое строение внешнего электронного слоя атомов бора и алюминия обусловливает сходство в свойствах этих элементов. Так, для алюминия, как и для бора, характерна степень окисленности +3. Однако при переходе от бора к алюминию  сильно возрастает радиус атома (от 0.091 до 0.143 нм) и, кроме того,  появляется еще один промежуточный восьмиэлектронный слой, экранирующий ядро. Поэтому у алюминия металлические свойства выражены гораздо сильнее, чем у бора. Тем не менее, химические связи, образуемые алюминием с другими элементами, имеют в основном ковалентный характер.

Алюминий-серебристо-белый металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Тонкая пленка оксида алюминия на поверхности металла защищает его от окисления.

 Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий с выделением водорода, особенно при нагревании.  Холодная концентрированная азотная кислота алюминий не растворяет, поэтому для хранения и транспортировки этой кислоты используют емкости и цистерны из алюминия.

При растворении алюминия в щелочах образуется соль-алюминат натрия и выделяется большое количество водорода

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

Основное применение алюминия-производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности.

Широкое применение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после чугуна и стали. Важным является применение алюминия для алитирования, которое заключается в насыщении поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании.  В металлургии алюминий применяют для получения кальция, бария, лития и некоторых других металлов методом алюминотермии.

Оксид алюминия Al₂O_3,, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью.  Его прозрачные кристаллы, окрашенные примесями в красный (из-за примеси Cr₂O₃) ,   или в синий (из-за примеси окиси титана) цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир.  Эти драгоценные камни могут быть получены и искусственно. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь оксида хрома Cr₂O₃, применяют в лазерах.

 Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей,- наждак, применяются как абразивные материалы. 

Гидроксид алюминия-Аl(OH)₃- типичный амфотерный гидроксид (со щелочами он ведет себя как кислота, а с кислотами как основание).

Все соли алюминия сильно гидролизованы (взаимодействуют со следами влаги).  Хлорид алюминия широко используется в качестве катализатора в органической химии.

  Галлий, индий, таллий.

Эти элементы принадлежат к числу редких.  Получают их главным образом из цинковых концентратов после выплавки из них цинка. В свободном состоянии эти элементы представляют собой серебристо-белые мягкие металлы с низкими температурами плавления. На воздухе они довольно стойки, воду не разлагают, но легко растворяются в кислотах, а галлий и индий-также и в щелочах. Кроме максимальной степени окисленности, равной +3, они могут проявлять и меньшую. 

Оксиды и гидроксиды галлия (III) и индия (II) амфотерны; гидроксид же таллия Tl(OH)₃ обладает только основными свойствами.

СольTlCl подобно AgCl почти нерастворима в воде и отличается светочувствительностью.

Металлическим галлием пользуются для наполнения кварцевых термометров, служащих для измерения высоких температур до 1000⁰ С.

Добавление галлия к алюминию получают сплавы, хорошо поддающиеся горячей обработке; сплавы галлия с золотом применяют в ювелирном деле.

Индий используют вместо серебра для покрытия рефлекторов, которые со временем не тускнеют, и потому их коэффициент отражения остается постоянным.  Индий применяется также для покрытия вкладышей подшипников и в качестве одного из компонентов сплава для плавких предохранителей.

Галлий и индий применяются в полупроводниковой электронике в качестве присадок к германию и в виде интерметаллических соединений.

Галогениды таллия хорошо пропускают инфракрасные лучи. Поэтому они используются в оптических приборах, работающих в инфракрасной области спектра. Карбонат таллия служит для изготовления стекол с высокой преломляющей способностью.  Сульфид таллия используется в фотоэлементах.  

Металлический таллий-компонент многих свинцовых сплавов: подшипниковых, кислотоупорных, легкоплавких.

Таллий и его соединения весьма токсичны.

Свойства элементов  группы IVA

К элементам IV группы главной подгруппы относятся: углерод, кремний, германий, олово, свинец.  В представленной ниже таблице суммированы данные об электронном строении атомов этих элементов и температурах плавления и кипения (^оС)

С           Si          Ge         Sn             Pb

2s²2p²   3s²3p²    4s²4p²    5s²5p²        6s²6p²

3750      1420       936        231.9         327.4

              3300       2850       2620          1745

Из таблицы видно,  что все перечисленные элементы также являются p-элементами, но в отличие от элементов третьей группы их валентные электроны размещаются на двух подуровнях последнего уровня. Когда в образовании химической связи этих элементов участвуют два электрона с р-подуровня, то они проявляют валентность, равную 2. Когда в образовании химической связи участвуют еще два электрона  с s-подуровня, то эти элементы проявляют максимальную для них валентность, равную 4. Соединения углерода и кремния, в которых степень окисленности этих элементов равна +2, немногочисленны и сравнительно мало стойки.

С увеличением порядкового номера металлические свойства рассматриваемых элементов, как и в предыдущей группе,  заметно усиливаются.  Так, углерод является неметаллом, германий занимает промежуточное положение, а олово и свинец - металлы.

Углерод и его соединения

Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и виде соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Некоторые из ископаемых углей содержат до 99 % углерода. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющие собой в основном смесь углеводородов.  Хотя содержание углерода в земной коре мало (0.09 %) , этот элемент, наряду с азотом, серой и фосфором является основой жизни на Земле.  По разнообразию своих соединений углерод занимает особое место в химии. В настоящее время число изученных соединений углерода оценивается примерно в 2 млн, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые,  исчисляются лишь сотнями тысяч.

Алмаз-бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Из всех простых веществ он имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. С этим,  а также с большой прочностью связи между атомами углерода связано то, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок, и его можно растереть в порошок в стальной ступке. Отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Алмаз имеет низкую реакционную способность. Он горит в кислороде только при 800⁰, превращаясь в двуокись углерода с сильным выделением света (Лавуазье).  Кислоты, основания и галогены не реагируют с алмазом, но раствор  хлорки (гипохлорита кальция) его окисляет.

При низких температурах уголь и графит относительно инертны, хотя известны случаи самовозгорания больших масс угля.  При нагревании их активность  увеличивается. Уголь служит хорошим восстановителем, отнимая кислород у оксидов металлов.  Таким образом, выплавляют многие металлы

Me_mO_n  + n/2C = mMe + n/2CO₂

При сгорании на воздухе углерод образует два соединения: углекислый газ CO₂ при избытке кислорода

C + O₂ = CO₂

и угарный газ СО при его недостатке

C + 1/2O₂ = CO

Угарный газ не имеет цвета и запаха. При его вдыхании кровь человека насыщается этим газом, что приводит к сильному снижению концентрации кислорода в крови, человек при этом засыпает,  и во сне наступает смерть от удушья.   Подобные случаи известны жителям загородных домов, где есть печка или банька. 

На солнечном свету или в присутствии активного угля (катализатор) оксид углерода непосредственно соединяется с хлором, образуя чрезвычайно ядовитый газ-фосген

СO + Cl₂ = COCl₂

При пожарах в помещениях из-за недостатка кислорода образуется  угарный газ, а из полимерных материалов, содержащих хлор,  может выделяться  молекулярный хлор. При взаимодействии этих газов при пожаре может образовываться фосген.

При очень высоких температурах углерод соединяется с водородом, серой, кремнием, бором и многими металлами. Соединения металлов с углеродом называются карбидами.

Карбиды - кристаллические тела. Природа химической связи в них может быть различной. Так, многие карбиды металлов главных подгрупп I, II и III групп периодической системы представляют собой солеобразные соединения с преобладанием ионной связи. К их числу относятся карбиды алюминия Al₄C₃ и кальция СаС₂.  При взаимодействии с водой эти карбиды (неорганические соединения) дают метан и ацетилен (органические соединения)

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄­

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂­

При взаимодействии карбида магния  Mg₂C₃  с водой получается более сложное органическое соединение пропин (метилацетилен) СH₃-CºCH.

В карбидах кремния SiC и бора B₄C связь меду атомами ковалентная. Эти вещества характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и химической инертностью.

Большинство металлов побочных подгрупп IV-VIII групп образуют карбиды, связь в которых близка к металлической, вследствие чего эти карбиды в некоторых отношениях сходны с металлами, например, обладают значительной электрической проводимостью. Они характеризуются также высокой твердостью и тугоплавкостью; карбиды этой группы применяются в ряде отраслей промышленности.

Большинство ценных свойств чугунов и сталей обусловлены присутствием в них карбида железа Fe₃C.

При растворении углекислого газа в воде образуется очень слабая  угольная кислота

CO₂ + H₂O = H₂CO₃

Равновесие этой реакции сильно сдвинуто влево, лишь очень небольшое количество растворенного углекислого газа превращается в угольную кислоту.

Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли. Встречающийся в природе минерал - (CuOH)₂CO₃    (основная соль), называется малахитом. Из солей угольной кислоты в природе распространен карбонат кальция CaCO₃. Он встречается в виде известняка, мела и мрамора. В быту хорошо известен карбонат натрия-сода Na₂CO₃.  Сода - один из главных продуктов химической промышленности. Она в больших количествах потребляется стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной и другими отраслями промышленности.  Карбонат калия, или поташ, К₂СО₃ применяется для получения мыла, при изготовлении тугоплавкого стекла, в фотографии.

При взаимодействии углекислого газа с аммиаком под давлением получают  карбамид (мочевину)

СO₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)₂ + H₂O

Он используется в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения. На основе карбамида получают карбамидные пластики.

Соединения углерода с серой и азотом

Из соединений углерода с серой и азотом большое практическое значение имеют сероуглерод CS₂ и синильная кислота HCN.

Сероуглерод получают пропусканием паров серы сквозь слой раскаленного угля.  Это бесцветная жидкость с температурой кипения 46⁰.  Широко используется в органической химии качестве растворителя.

Синильная кислота HCN - сильнейший яд. Цианиды натрия и калия NaCN, KCN  способны растворять в присутствии кислорода воздуха золото и серебро.  На этом основано их широкое применение при добыче этих металлов из руд.

Кремний и его соединения

Кремний - один из самых распространенных элементов земной коры.  В природе встречается только в виде двуокиси кремния SiO₂ (кремнезем)  и виде солей кремниевых кислот (силикатов). Наиболее широко распространены алюмосиликаты, в их состав входит алюминий. К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др. Кристаллический диоксид кремния находится главным образом в виде минерала кварца. Прозрачные, бесцветные кристаллы кварца, имеющие форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами на концах, называются горным хрусталем.

Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называется аметистом, а в буроватый-дымчатым топазом. К мелкокристаллическим разновидностям кварца относятся агат и яшма. Одной из разновидностей кварца является кремень.  Из мелких зерен кварца состоит обычный песок.  Чистый песок-белого цвета, но чаще он бывает окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.  

Свободный кремний можно получить  в результате реакции

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

В промышленности его получают в электрических печах

SiO₂ + 2C = Si + 2CO­

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния. Кремний не растворяется ни в одном растворителе, кроме расплавленных металлов. При медленном охлаждении раствора кремния в цинке или в алюминии кремний выделяется в виде хорошо образованных кристаллов октаэдрической формы.  Кремний проявляет полупроводниковые свойства.

При нагревании аморфный кремний легко соединяется с кислородом, галогенами и серой.

Кислоты, кроме смеси HF и HNO₃ , не действуют на кремний, но щелочи энергично реагируют с ним

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂­

Карбид кремния SiC, называемый карборундом, в больших количествах получают в электрической печи по схеме

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO­

По внутреннему строению карборунд представляет собой как бы алмаз, в котором половина атомов углерода равномерно заменена атомами кремния. Этим объясняется его большая твердость.

Из порошка карборунда изготавливают шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. На его основе производят плиты для сооружения полов, платформ и переходов в метро и на вокзалах.  Из него готовят муфели и футеровку для различных печей.

Хлорид кремния SiCl₄  получают при нагревании

SiO₂ + 3C + 2Сl₂= SiCl₄ + 2CO­

который используется для синтеза кремнийорганических соединений.

Диоксид кремния - кислотный окисел. Ему соответствуют слабые малорастворимые в воде кремниевые кислоты.  Их соли - силикаты - в большинстве своем нерастворимы в воде; растворимы лишь силикаты натрия и калия. Они получаются сплавлением диоксида кремния с едкими щелочами

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O

Благодаря внешнему сходству со стеклом силикаты натрия и калия получили название растворимого стекла.

При нагревании смесей многих силикатов получаются аморфные сплавы, называемые стеклами. Состав обычного оконного стекла, а также “бутылочного” стекла  приблизительно выражается формулой  Na₂O×CaO×6SiO₂.

К важнейшим материалам, изготавливаемых силикатной промышленностью,  относится цемент.

Германий

Минералы, содержащие германий  в сколько-нибудь значительных количествах, крайне редки.  В компактном состоянии германий имеет серебристый цвет и по внешнему виду похож на металл. 

При комнатной температуре он устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот.

Азотная и концентрированная серная кислоты окисляют его до диоксида

              Ge + 2H₂SO₄ = GeO₂¯ + 2SO₂ + 2H₂O

Германий взаимодействует также со щелочами в присутствии перекиси водорода.  При этом образуются соли германиевой кислоты-германаты

Ge + 2H₂O + 2H₂O₂ = Na₂GeO₃ + 3H₂O

Германий обладает полупроводниковыми свойствами  и с этим связано его основное применение.

Олово

Олово встречается в виде кислородного соединения SnO₂-оловянного камня, из которого его получают при нагревании восстановлением углем.

С концентрированными кислотами при нагревании протекают реакции растворения олова

                    Sn + 2HCl=SnCl₂ + H₂­

           Sn + H₂SO₄ = Sn(SO₄)₂ + 2SO₂­ + 4H₂O

С азотной кислотой олово взаимодействует тем интенсивнее,чем выше концентрация кислоты и температура.  В разбавленной кислоте образуется растворимый нитрат олова (II)

4Sn + 10HNO₃  = 4Sn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

а в концентрированной - соединения олова (IV), главным образом нерастворимая b- кислота

Sn + 4HNO₃ = H₂SnO₃ ¯  + 4NO₂­ + H₂O

Концентрированные щелочи также растворяют олово. В этом случае получаются станниты-соли оловянистой кислоты

Sn + 2NaOH  = Na₂SnO₃ + H₂­

На воздухе олово покрывается тонкой оксидной пленкой, обладающей защитным действием. Около 40 %  всего выплавляемого олово расходуется для покрытия им изделий из железа, соприкасающихся с продуктами питания, прежде всего-консервных банок.

Олово образует устойчивые соединения, в которых имеет степень окисленности +2 и +4.

Свинец

Наиболее важная руда, из которой добывают свинец, - свинцовый блеск PbO₂.  Вначале свинцовый блеск подвергают обжигу

PbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂

при этом образуется оксид свинца в котором свинец двухвалентен (хотя свинец может иметь максимальную валентность, равную 4, т.к.  находится в IV группе).  Затем полученный оксид восстанавливают путем его плавки с коксом

2PbO + C = 2Pb + CO₂

Свинец-голубовато-белый тяжелый металл. Для него характерны степени окисленности +2 и +4.  Значительно более устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисленности свинца +2.    На воздухе он быстро покрывается тонким слоем оксида, который защищает металл от дальнейшего окисления

2Pb + O₂ = 2PbO

Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха  свинец постепенно разрушается в результате реакции

2Pb + O₂ + 2H₂O = 2Pb(OH)₂

При нагревании в концентрированной серной кислоте свинец интенсивно растворяется с образованием растворимой кислой соли

Pb + 3H₂SO₄ = Pb(HSO₄)₂ + SO₂ + 2H₂O

тогда как в разбавленной серной кислоте на поверхности свинца образуется нерастворимая пленка соли PbSO₄,  которая защищает металл от дальнейшего растворения. 

В щелочах свинец тоже растворяется, хотя и с небольшой скоростью

Pb + 4KOH + 2H₂O = K₄[Pb(OH)₆] + H₂­

Все растворимые соединения свинца ядовиты.

Свинец широко используется в технике. Наибольшее его количество расходуется на изготовление оболочек кабелей и пластин аккумуляторов. Свинец идет на изготовление боеприпасов, он входит в состав многих сплавов.

Свойства элементов  группы VA

К элементам V группы главной подгруппы относятся:  азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.  В представленной ниже таблице суммированы данные об электронном строении атомов этих элементов и температурах плавления и кипения (^оС)

 N             P           As          Sb             Bi

2s²2p³   3s²3p³    4s²4p³    5s²5p³        6s²6p³

-210       44.1       615_(субл)  630.5         271.3

-195.8     257                       1634         1550

Эти элементы имеют по пять валентных электронов в наружном слое (по 2 электрона на s- подуровне  и по 3 электрона на р-подуровне) и характеризуются в целом как неметаллы. Высшая положительная окисленность этих элеменов равна +5, а отрицательная -3.  При переходе от азота к висмуту связь валентных электронов с ядром атома должна ослабевать, так как валентные электроны все более удаляются от ядра, поэтому  в ряду элементов пятой группы металлические свойства нарастают по мере увеличения порядкового номера элемента (сверху  вниз в таблице Менделеева). Так, азот является типичным неметалом, а висмут - металл.

Азот и его соединения

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии, в атмосфере его 78.2 % (об.). и только в Чили обнаружена натриевая селитра NaNO₃.  В виде сложных органических соединений-белков - азот входит в состав всех живых организмов.   Молекула азота характеризуется очень низкой реакционной способностью, так как в ней атомы азота связаны тройной связью NºN, которую необходимо разорвать, чтобы атомы азота могли  образовать соединение с другими элементами.  Для разрыва этой тройной связи требуются  большие затраты энергии. Так, с углеродом азот соединяется  при пропускании электрического разряда  между угольными электродами в атмосфере азота

N₂ + 2C = (CN)₂

 в результате образуется газообразное соединение дициан NºC-CºN.

С некоторыми металлами азот образует соединения, называемые нитридами. Нитриды магния

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

и других металлов II группы образуются при относительно низких температурах, нитрид лития LiN₃ - даже при комнатной температуре, а остальные нитриды- при 100-500⁰ . Нитриды алюминия AlN, некоторых других металлов, а также бора BN и кремния Si₃N₄  образуются лишь при красно-белом калении. Нитриды бора и кремния  очень тугоплавки (т. пл. 3000 и 1900⁰). Нитриды лития и щелочноземельных металлов (II группы)  разлагаются водой  с выделением аммиака

Mg₂N₃ + H₂O = 3Mg(OH)₂ + 2NH₃

Может быть в атмосфере планет-гигантов нашей Солнечной системы аммиак возник в результате подобных реакций?

Аммиак может быть получен также в результате двух последовательных реакций: сначала при температуре 800-900⁰ в присутствии CaCl₂  в качестве катализатора проводят синтез цианамида кальция из карбида кальция

CaC₂ + N₂ = CaCN₂ + C

который затем разлагают парами воды

CaCN₂ + H₂O = CaCO₃ + NH₃

В настоящее время в промышленности аммиак получают прямым синтезом из азота и водорода при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора (железа)

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

С кислородом азот образует ряд оксидов, в которых азот имеет валентность от 1 до 5.  Так, при нагревании  аммиачной селитры образуется оксид азота (I) -закись азота (веселящий газ)

NH₄NO₃ = N₂O­ + 3H₂O

При взаимодействии разбавленной (30% ) азотной кислоты   с медью в лаборатории получают бесцветный газ оксид азота (II)

3Сu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO­ + 4H₂O

На воздухе бесцветный оксид азота NO превращается в бурый газ-двуокись азота

2NO + O₂ = 2NO₂

где азот имеет валентность IV.

Взаимодействием оксидов азота (II)  и (IV)  можно получить оксид промежуточной валентности (III)

NO + NO₂ = N₂O₃

Высший оксид азота (V) получают в результате реакции

2HNO₃ + P₂O₅ = N₂O₅ + 2HPO₃

Азотная кислота получается в результате окисления диоксида азота кислородом воздуха в присутствии воды

4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃

Азотная кислота-очень сильный окислитель.  При ее действии на металлы водород не выделяется.  В зависимости от концентрации азотной кислоты получаются различные продукты реакции

Cu + HNO₃ (конц.)® Cu(NO₃)₂ + NO₂­ + H₂O

Cu + HNO₃ (разб.)® Cu(NO₃)₂ + NO­ + H₂O

Mg + HNO₃ (разб.)® Mg(NO₃)₂ + N₂O­ + H₂O

Zn + HNO₃ (очень разб.)® Zn(NO₃)₂ + NH₄ NO₃ + H₂O

Такие неметаллы, как фосфор, мышьяк и сера окисляются концентрированной кислотой до соответствующих кислородных кислот (H₃PO₄, H₃AsO₄, H₂SO₄).  В качестве окислителя концентрированная азотная кислота используется в ракетной технике (топливом является керосин).  Азотная кислота широко применяется в органической химии для получения различных нитросоединений, например, нитрокрасок, взрывчатых веществ и т.д.

Натриевая, калиевая соли азотной кислоты (натриевая и калиевая селитры NaNO₃, KNO₃) широко применяются в качестве удобрений в сельском хозяйстве. К важнейшим удобрениям относится также аммиачная селитра NH₄NO₃.

Фосфор и его соединения

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов,  основным минералом, содержащим этот элемент является апатит, в состав которого, помимо фосфата кальция Ca₃(PO₄)₂ , входит CaF₂ или СаСl₂. Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ - они составляют основу всех белковых тел.

Фосфор получают при высоких температурах в результате двух последовательных реакций

 Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + P₂O₅

P₂O₅  + 5C = 2P + 5CO

Фосфор выделяется в виде паров, которые конденсируются в приемнике с водой. Фосфор образует несколько аллотропических модификаций: белый фосфор, красный фосфор и черный фосфор.

Свободный фосфор чрезвычайно активен. Он непосредственно взаимодействует со многими простыми веществами с выделением большого количества теплоты.  Легче всего фосфор соединяется с кислородом, затем с галогенами, серой и со многими металлами, причем в последнем случае образуются фосфиды, аналогичные нитридам,-например Ca₃P₂, Mg₃P₂  и др.

При горении фосфора на воздухе образуется его высший оксид

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

Водородное соединений фосфора PH₃-фосфин можно получить в результате реакции

 Ca₃P₂ + 6HCl = 3CaCl₂ + 2PH₃­

Фосфин-это бесцветный газ с чесночным запахом.

Оксиду фосфора (V) отвечает несколько кислот, простейшая из которых-ортофосфорная кислота H₃PO₄. Другие фосфорные кислоты представляют собой полимерные соединения простейшей кислоты. Фосфорная кислота является трехосновной кислотой и образует три типа соответствующих солей

Na₃PO₄- трехзамещенный фосфат натрия

Na₂HPO₄- двухзамещенный фосфат натрия

NaH₂PO₄- однозамещенный фосфат натрия

Соли фосфорных кислот широко применяются в сельском хозяйстве в качестве фосфорных удобрений. Фосфаты кальция и аммония применяются при производстве эмалей и получении лекарственных препаратов.

Мышьяк, сурьма, висмут

Мышьяк встречается  в природе большей частью в соединениях с металлами или серой и лишь изредка в свободной состоянии. Обычно мышьяк получают из мышьяковистого колчедана FeAsS. Подобно фосфору мышьяк существует в нескольких аллотропических модификациях. Наиболее устойчив при обычных условиях  металлический, или серый, мышьяк.  В отличие от других модификаций, серый мышьяк обладает металлической электрической проводимостью.  На воздухе при нагревании он сгорает, образуя белый оксид As₂O₃ c характерным чесночным запахом. При высокой температуре мышьяк непосредственно взаимодействует со многими элементами. Как свободный мышьяк, так и все его соединения- сильные яды. Оксид мышьяка As₂O₃ применяется как яд для уничтожения грызунов.

Сурьма и ее соединения.

Сурьма обычно встречается в природе в соединениях с серой - в виде сурьмяного блеска Sb₂S₃.  В свободном состоянии сурьма образует серебристо-белые кристаллы, обладающие металлическим блеском, но она отличается хрупкостью и значительно хуже проводит тепло и электрический ток, чем обычные металлы.  Сурьму вводят в некоторые сплавы для придания им твердости. Сплав, состоящий из сурьмы, свинца и небольшого количества олова, называется типографским металлом или гартом и служит для изготовления типографского шрифта. Из сплава сурьмы со свинцом (5-15%  Sb) изготовляют пластины свинцовых аккумуляторов, листы и трубы для химической промышленности.  Сурьму применяют также как добавку к германию для придания ему определенных полупроводниковых свойств.  Сурьма образует соединения с металлами-антимониды. Некоторые из антимонидов, в частности AlSb, GaSb, InSb, обладают полупроводниковыми свойствами и используются в электронной промышленности. Сульфиды сурьмы As₂S₃  и As₂S₅ используются при производстве спичек и в резиновой промышленности.

Висмут и его соединения. 

Висмут - блестящий розовато-белый металл. В чистом виде используется главным образом в качестве теплоносителя в энергетических ядерных реакторах. Сплав висмута со свинцом, оловом и кадмием плавится при 70⁰С. Эти сплавы применяют, в частности, в автоматических огнетушителях, действие которых основано на расплавлении пробки, изготовленной из такого сплава. Кроме того, они используются как припои.

На воздухе при нагревании висмут сгорает, образуя оксид Bi₂O₃.  В концентрированных азотной и серной кислотах  он растворяется

Bi + 4HNO₃ = Bi(NО₃)₃ + NO­ + 2H₂O

 2Bi + 6H₂SO₄  = Bi₂(SO₄)₃ + 3SO₂­ + 6H₂O

Соединения висмута применяются в медицине и ветеринарии.                      

Свойства элементов  группы VIA

К элементам VI группы главной подгруппы относятся:  кислород, сера, селен, теллур и полоний (радиоактивен).  В представленной ниже таблице суммированы данные об электронном строении атомов этих элементов и температурах плавления и кипения (^оС)

 O             S            Se          Te           

2s²2p⁴   3s²3p⁴    4s²4p⁴    5s²5p⁴       

-218.8    119.3       217      449.8        

             -183      444.6       685       990

Кислород и его соединения.

 Кислород - сильный окислитель и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона и аргона.  С большинством элементов он взаимодействует непосредственно (кроме галогенов, золота и платины). Кислород применяют для интенсификации химических процессов во многих производства (например, в производстве серной и азотной кислот,  в доменном процессе).  Его используют для получения высоких температур (водородная или ацетиленовая горелки).  Смесь жидкого кислорода с твердыми горючими веществами (древесная мука, угольный порошок) используется при подрывных работах.

Сера и ее соединения

Сера встречается в природе как свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях (PbS, ZnS, Cu₂S, FeS₂).  Cера- типичный неметалл. Со многими металлами, например с медью, цинком, железом, сера соединяется непосредственно. Она соединяется также непосредственно почти со всеми неметаллами.  Сера широко используется  в резиновой промышленности для превращения каучука в резину (вулканизация каучука). Она применяется также для приготовления спичек, получения сероуглерода (растворитель) и т.д.  К важнейшим соединениям серы относится серная кислота (H₂SO₄).

 

Селен и теллур и их соединения

Селен и теллур мало распространены в природе.

Селен-типичный полупроводник. Особенно важным свойством его как полупроводника является резкое увеличение электропроводности при освещении. На границе селена с металлическим проводником образуется запорный слой- участок цепи, способный пропускать электрический ток только в одном направлении. Теллур - тоже полупроводник, но его применение более ограничено. Селениды и теллуриды некоторых металлов также обладают полупроводниковыми свойствами и применяются в электронике.  Все соединения селена и теллура ядовиты.

Свойства элементов  группы VIIA

К элементам VII группы главной подгруппы относятся галогены:  фтор, хлор, бром, иод и астат (радиоактивен, в природе практически не встречается).  В представленной ниже таблице суммированы данные об электронном строении атомов этих элементов и температурах плавления и кипения (^оС)

 F             Cl          Br          I          

2s²2p⁵   3s²3p⁵    4s²4p⁵    5s²5p⁵       

-219.6    -101        -7.3        113.6     

             -188.1     -34.1       59.2       185.5

В отличие от других галогенов, фтор в своих соединения всегда находится в степени окисленности -1.  Остальные галогены проявляют различные степени окисленности от -1 до +7.

Все галогены обладают очень резким запахом. Вдыхание их даже в небольших количествах вызывает сильное раздражение дыхательных путей и воспаление слизистых оболочек, а более значительные количества галогенов могут вызвать тяжелое отравление. Галогены, вследствие их большой химической активности, находятся в природе исключительно в связанном состоянии - главным образом в виде солей галогеноводородных кислот.

Фтор встречается в природе чаще всего в виде минерала плавикового шпата CaF₂, а также в минералах криолите Na₃AlF₆ (3NaF×AlF₃) и фторапатите Сa₅F(PO₄)₃.

Важнейшим природным соединением хлора является хлорида натрия (поваренная соль) NaCl, а также минералы карнолит KCl×MgCl₂×6H₂O и сильвин KСl.

 Подобно хлору бром находится в природе преимущественно в виде солей калия, натрия и магния.

Люди также интересуются этой лекцией: 17 Пиелит.

Иод добывают в основном из водорослей.

Свободные галогены проявляют чрезвычайно высокую химическую активность. Они вступают во взаимодействие почти со всеми  простыми веществами.

Из всех элементов таблицы Менделеева самую высокую химическую активность проявляет фтор. Со многими неметаллами (H, I, Br, S, P, As, Sb, C, Si,B)  фтор взаимодействует на холоду; реакции протекают со взрывом или с образованием пламени. Во фторе горят даже пары воды

2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂

 Непосредственно фтор не реагирует только с кислородом, азотом и углеродом (в виде алмаза). 

Свободный хлор тоже проявляет очень высокую химическую активность, хотя и меньшую, чем фтор. Он непосредственно взаимодействует со всеми простыми веществами, за исключением кислорода и азота. Медь, железо, олово и многие другие металлы сгорают в хлоре, образуя соответствующие соли. Химическая активность брома и иода меньше, чем хлора, но все же велика.