Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

«царской водке») и термической устойчивостью. Ведутся работы по замене серебра в светочувствительных композициях. Новейшие сведения в этой области химии в рамках нового научного направления представлены в нашей монографии (см. список литературы).

ЛЕКЦИЯ 14

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

ПЕРСПЕКТИВЫ ЗАМЕНЫ МЕТАЛЛОВ

План:

1.Расположение в таблице, нахождение в природе, получение и химические свойства металлов. Технологии обработки металлов.

Пластики и полимеры.

Новые методы синтеза.

Заключение.

1. Расположение в периодической системе.

1 – щелочные

nS1

C.O+1S-металлы

II – Ве, Мо, щелочно-

nS2

+2

земельные

III – Al , п/ер,

nS2np 1

+3

nS2np 2

+2,+4

IV – п – гр. Уе

nS2np 3

+3,+5

V – Sb, Bi

nS2(n-1)d1-10

+2

до Comax = N гр D

III-VIII -II B

nS2(n-1)d1(n14-2)f1-14

+3

до +7 – f металлы

2. Нахождение в природе.

Аl(8,45 % по массе)-Fе (4,4 %-Са(3,3 %)-Nа(2,6 %)-К(2,5%)-Mg(2,1 %).

Благородные – в самородном состоянии; остальные в виде руд:

оксиды – Fe 3O4, Al2O3, TiO2, MnO2 сульфиды – Cu2S, ZnS, FeS2, PbS

3. Способы получения.

Пирометаллургические:

I. Собственно пирометаллургия

1. обжиг      2Сu S + 3O2 = 2CuO + 2SO2

2. восстановление      СиО + C = Cu ↑ + CO (карботермия)

CuO + CO = Cu + CO2

CuO + H2 = Cu + H2O (гидротермия)

3СuO + 2Al = 3Cu + Al2O3 (металлометрия)

II. Пироэлектрометаллургия

K(-)А13+ + 3ē → Аl° (расплав).

III. Хлорная металлургия: ТiС14 + 2Мg = 2MgCl2 + Ti

IV. Термический диссоциация летучих соединений

Ni(CO)4 = Ni + 4CO; TiJ4 = Ti° + 2J2

Гидрометаллургические:

I. Химический способ

Ag2S + 4KCN = 2K[Ag(CN )2] + K2S

2K [Ag(CN )2] + Zn = K2[Zn(CN )4] + 2Ag

II. Пироэлектрометаллургия

К(-)Ni2+ + 2ē → Ni°(раствор)

Физические свойства.

I. Три типа кристаллических решеток:

гексагональная (к.ч. = 12)

кубическая гранецентрированная (к.ч. = 12)

кубическая объемноцентрированная (к.ч. = 8)

Электропроводность (Ag – Hg)

Отражение света и радиоволн (Ag)

Ковкость пластичность (Au, Cu )

Твердость (твердые (Cr), мягкость (Cs)

Плотность (легкие с ρ < 5 г/см3, Be, Mg, Аl, Тi,)

тяжелые с ρ > 5 г/см3, W, Os

7. Плавкость (тугоплавкие с tпл> 1500° С с W, Mo, Nb, Ta легкоплавкие с tпл < 1000° С c S-металлы)

5. Химические свойства.

Все металлы – восстановители: M° – nē → Mn+ Отношение к агрессивным средам (окислителям) определя-

ется:

φ°, B – станд.электр.лотенциалом

«J», кДж/моль энергией ионизации

Наличием на поверхности металла защитной оксидной пленки

Агрессивные среды

1. Неметаллы – Э (галогены, кислород)

Mo – nē + Эо → Мn+ + Эn-

Вода (М с φ° < 0)

+ n НОН = Me(OH ) n + n/2(H2)

Кислоты

• кислоты не окислители (Мe, φ° <0)

HCl, H2SO4 разб.

М° + НА → МА + n/2(H2)

n + → min C.O.

• к-ты окислители (все М)

HNO3, H2SO4 конц.

M со С.О. ≥ 4 с HNO3 образуют свои кислоты С.О. мах)

3Rе + 7HNO3 = 3HReO4 + 7NO + 2H2O

царская водка:

3 об. HCl конц. + I об. HNO3 конц.

А + 3НСl + HNO3 = АuСl3 + NO + 2H2O HCl + AuCl3 = H[AuCl4]

(Пассивирование металлов – HNO3, H2SO4 к)

4. Щелочи (для амфотерных металлов)

M + H2O + KOH – KX [M(OH )У ] + n/2(H2)

Cоединения металлов

хим. активны

неактивны

твердые, тугоплавкие

карбиды

электропроводны

ацетилениды

WC, W2C, TaB

CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2

не действуют даже

метаниды

сильные окислители

Be2C+4HCl=2BeCl2+CH4

коррзионностойкие

Кислотно-основные свойства кислородных соединений

с ростом С.О. основные

амфотерные

кислотные

СrO

Cr2O3

C2O3

Cr(OH)2

Cr(OH)3

H2CrO4

Окислительно-восстановительные свойства соединений

соединения со С.О мин.

– восстановители

со С.О макс.

– окислители

Mn+2

со С.О. пром. – и восстановители и окислители

– восстановитель

Mn+7

– окислитель

Mn+4

– восстановитель и окислитель

ПЛАСТИКИ И ПОЛИМЕРЫ

Простые элемент – ИДЫ)

М+Э – Мn+ + Эn-(«ЭО»)

Гидриды (Н-) Галиды (Г-) Оксиды (О-2) Нитриды (N-3) Карбиды (С– 4) Бориды (В-3)

Комплексные

4FeCl3+3K4[Fe(CN)4]=Fe4 [Fe(CN)6]3 + 12KCl

3FeCl2+2K3[Fe(CN)6]=Fe3[Fe(CN)6]2+6KCl

Природные полимеры распространены достаточно широко, это, например, белки и целлюлозы. Полимеры представляют собой соединения с длинными молекулами, построенными как последовательность повторяющихся идентичных химических единиц, связанных в цепи ковалентными связями. Возможно, основные сведения о способах синтеза полимеров химии приобрели, пытаясь получить синтетический аналог натурального каучука» Сегодня химики создали так много полимеров столь разнообразного целевого назначения, что уже трудно пред-ставить себе современное общество лишенным возможности

Ионные

Ковалентные

Интерметаллиды

(Δ«ЭО» – max)

( «ЭО» – min)

(d-металлы)

(S – металлы,

(р-металлы)

донорно-акцепторная

хим.св.-ионная

ковалентная

со структурой

кристал.

атомная

внедрения

Реш.– ионная)

пользоваться полимерными материалами» Ярким свидетельством важности полимеров является 100-кратный рост их производства в США за последствие 40 лет. В объемных показателях их производится больше, чем стали, выпуск которой за тот же период увеличился лишь вдвое. Совершенно ясно, какие экономические выводы следуют из этого сравнения.

Химия полимеров определяется многими параметрами. Контроль над ними – искусство, которым химики овладевают все в большей степени и большей степени. Чрезвычайно важны тщательный подбор условий реакции (температуры, давления, инициатора полимеризации, концентрации, растворителя, эмульгатора и т.д.) и структур реагентов (мономеров), которые могут существенно влиять на целый ряд различных свойств полимерных продуктов. Мы можем предопределить среднюю длину цепи (молекулярную массу), степень ее разветвленности, число поперечных связей между полимерными цепями и физические и химические свойства конечного продукта (путем ввода специально подобранных функциональных групп).

Целенаправленно манипулируя этими факторами, химик может конструировать полимеры с заданными свойствами, такими как пластичность или жесткость, прочность при растяжении, гибкость или эластичность, термопластичность или термическая устойчивость, химическая инертность или растворимость, притягивание или отталкивание растворителей (смачиваемость или несмачиваемость для воды, чувствительность к свету (фото-деструкция) и микроорганизмам (биодеградация) и способность изменять вязкость при течении (тиксотропия). Именно этим объясняется продолжающийся рост производства пластиков и увеличение их присутствия в предметах, которыми мы пользуемся , которые носим, на которых сидим, в которых ездим, которые, как или иначе, входят в наш обиход.

Полиэтилен: химическая цепочка из многих идентичных фрагментов

НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Оптические волокна

Подобно тому, как в современной электронике транзисторы вытеснили электронные лампы, тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволоку, традиционно использовавшуюся для изготовления кабелей. Импульс электронов, посылаемый по медной проволоке, заменил световой импульс, посылаемый по светопроводящим волокнам. Решающую роль в практическом осуществлении этого нового подхода сыграло то обстоятельство, что технологи сумели разработать эффективный способ получения высокопрозрачных кварцевых нитей путем химической конденсации пара (ХКП). Суть его состоит в следующем: соединение, диоксида, кремния, который на внутренней поверхности стеклянной трубки. Трубку с нанесенным слоем диоксида кремния размягчают и вытягивают нить. Толщина получаемой таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса. ХКП позволила менее чем за десятилетие в 100 раз сократить потери света в волокнах. Новый класс материалов, фторидные стекла, возможно позволит получить еще более прозрачные нити. В отличие от обычных стекол, представляющих собой смеси оксидов металлов, фторидные стекла – это смеси фторидов металлов. Многие практические проблемы, связанные с использованием таких стекол, еще не решены, но в принципе, используя фторидные стекла, можно было бы передавать оптические сигналы через Тихий океан без помощи релейных станций.