Презентация "d — элементы" по химии – проект, доклад

Лекция №16 ХИМИЯ d -ЭЛЕМЕНТОВ

Химия металлов

ОСОБЕННОСТИ ХИМИИ d -ЭЛЕМЕНТОВ

Cодержание 1. Общая характеристика d - элементов 2. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов 3. Восстановительные и окислительные свойства d-элементов 4. d-элементы - хорошие комплексообразователи 5. Физические свойства. Руды. Способы получения. 6. Ряд напряжения металлов. Химические свойства металлов.

Общая характеристика d - элементов

Валентными электронами являются от 1 до 10 d-е, а также 2, реже 1 s-е на внешнем уровне

d-элементы образуют три переходных ряда: в 4, 5, 6 периодах соответственно.

Все d-элементы являются металлами с характерным металлическим блеском

d-элементы и их соединения имеют характерные свойства: переменные СО, способность к образованию комплексных соединений, образование окрашенных соединений

(n-1)d1-5 ns2

Две группы d-элементов

(n-1)d6-10 ns2

Свойственно проявление высших СО. В высших СО d-элементы III, IV, V, VI, VII групп проявляют кислотные свойства, как р- элементы.

Проявление высших СО маловероятно. d-элементам VIII, I, II групп характерны СО от I до III. В них проявляются металлические свойства.

Cr [Ar] 3d54s1 Mn [Ar] 3d54s2 Fe [Ar] 3d64s2 Co [Ar] 3d74s2 Ni [Ar] 3d84s2 Cu [Ar] 3d104s1 Zn [Ar] 3d104s2 Ag ЭО 1,6 1,5 1,8 1,9 1,7 1,9  7,19 7,44 7,87 8,96 7,13 10,5 t пл. 1857 1244 1535 1083 420 962 t кип. 2672 1962 2750 2567 907 2212

d-элементы характеризуются большой твердостью и высокими t пл. и t кип.

d-элементы характеризуются высокой плотностью, что объясняется малыми радиусами их атомов

d-элементы - хорошие проводники электрического тока, особенно те из них, в атомах которых имеется только один внешний s-электрон

Электроотрицательности возрастают от хрома к цинку, значит ослабевают металлические свойства

Химические свойства d-элементов

Сравнение d- и р-элементов в высших СО

Группа р-элементы d-элементы

VII VI V HClO4 H2SO4 HPO3 (HNO3) HMnO4 H2CrO4 HVO3

На d-подуровне наблюдается повышенная устойчивость конфигурации d0, d5, d10

Ti:[Ar]3d24s2 Ti+IV: [Ar]3d04s0 Ti: (II),III,IV Fe:[Ar]3d64s2 Fe: II, III, (VI) Fe+III: [Ar]3d54s0 Zn+II: [Ar]3d104s0 Zn: II Zn:[Ar]3d104s2

VIIB Mn: II, IV, VI, VII TcRe (IV,V) VII VIB Cr: II, III, VI MoW (IV, V), VI VB V: II, III, IV, V Nb Ta (III,IV), V

Устойчивость высшей степени окисления в В-подгруппах

В отличии от s- и p-элементов у d-элементов устойчивость высшей СО возрастает вниз по подгруппе:

Изменение кислотно-основных свойcтв оксидов и гидроксидов

CrO Cr(OH)2 основные Cr2O3 Cr(OH)3 CrO3 H2CrO4 амфотерные кислотные Низшие СО Высшие СО

Кислотные свойства

MnO Mn(OH)2 MnO2 Mn(OH)4 MnO(OH)2 Mn2O7 HMnO4 FeO Fe(OH)2 Fe2O3 Fe(OH)3, FeOOH

FeO3, неуст. H2FeO4, не получ.

амфотерные, но в жестких условиях

Cr(OH)3 + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + H2O

Cr(OH)3 + NaOH = Na[Cr(OH)4]

тетрагидроксохромит натрия

Cr2O3 + NaOH = NaCrO2 + H2O хромит натрия t СrO3 - кислотный оксид CrO3 + KOH = K2CrO4 + H2O хромат калия

В кислой среде хроматы переходят в дихроматы:

СrO42- + H+ = Cr2O72- + H2O

Fe2O3

- обладает амфотерными свойствами, но в жестких условиях:

Fe2O3 + HCl = FeCl3 + H2O Fe2O3 + KOH = KFeO2 + H2O феррит калия

Ферриты - соли железистой кислоты HFeO2

Zn + HCl = ZnCl2 + H2

Амфотерными являются оксид и гидроксид цинка: ZnO, Zn(OH)2

Zn + NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

ZnO + NaOH = Na2[Zn(OH)4]

V2+, Cr2+… Ni2+…. Zn2+

Энергичные восстановители

Окисляется только сильными окислителями

V2+ Cr2+ Mn2+ Fe2+ … Ni2+ …Zn2+

Восстановительные свойства

Изменение восстановительных свойств d-элементов

Восстановителем не является

Лабораторный опыт

Fe(OH)2  + O2 + H2O  FeOOH  Co(OH)2  + H2O2  CoOOH  Ni(OH)2  +Br2 +NaOH NiOOH +NaBr+…

Fe(OH)2 Co(OH)2 Ni(OH)2

Восстановительные свойства усиливаются

Сила окислителя

Cr(OH)2 + H2O + O2 = Cr(OH)3

В степени +II соединения хрома являются сильными восстановителями:

Cоли Fe(II) легко окисляются и переходят в Fe(III)

FeSO4 + Cl2 = FeCl3 + Fe2(SO4)3

Окисление солей железа (III) в щелочной среде приводит к образованию ферратов - соединений железа (VI)

Fe2O3 + Cl2 + KOH = K2FeO4 + KCl + H2O

окислительно-щелочное плавление

Изменение окислительных свойств d-элементов

В рамках одной декады:

TiIV VV CrVI MnVII FeVI

Усиление окислительных свойств

K2Cr2O7+H2O2+H2SO4 = CrO5+ K2SO4+…

KMnO4+H2O2+H2SO4 = MnSO4 + O2 +…

эфир пероксид хрома

K2FeO4 + Mn(NO3)2 + HNO3 Fe(NO3)3 + KMnO4 + …

Дихроматы и хроматы являются сильными окислителями:

K2Cr2O7 + KJ + H2SO4 = J2 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O

Перманганаты - сильнейшие окислители:

MnO4- Mn2+ MnO2 MnO42- (pH  7) (pH  7) (pH  7)

Ферраты - сильнейшие окислители

CoCl2 + 4KSCN  K2[Co(SCN)4] + 2KCl

Эту способность используют:

1) для очистки d-элементов от примесей

Ni + 4CO = [Ni(CO)4]

Тетракарбонил никель

Для d-элементов характерно образование комплексных соединений.

Карбонилы являются особым типом комплексных соединений.

[Fe(CO)5] [Co(CO)4]

тетракарбонил кобальта

пентакарбонил железа

2) Для разделения близких по свойствам элементов:

ZnSO4CdSO4 + NaOHизбыток Na2[Zn(OH)4]раствор Cd(OH)2 + Na2SO4

AgCl  + 2Na2S2O3 = Na3[Ag(S2O3)2] + NaCl

3) для перевода малорастворимых соединений в раствор:

Fe2+ + K3[Fe(CN)6] = KFeFe(CN)6 + …

III II III Fe3+ + 6 SCN- = [Fe(SCN)6]3-

CoSO4+ KNO2 = K3[Co(NO2)6] + NO +...

Для обнаружения ионов калия

4) обнаружение ионов металлов в растворе:

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

- высокая электропроводность

- высокая теплопроводность

- пластичность - твердость - тугоплавкость

Руды – это природные соединения металлов.

1 Оксидные руды: 2 Сульфидные руды:

- FeS2 – пирит (железный колчедан) - CuFeS2 – халькопирит - MoS2 – молибденит - ZnS – сфалерит (цинковая обманка) - PbO - галенит (свинцовый блеск)

Fe2O3 -гематит; Al2O3 -корунд; MnO2 -пиролюзит TiO2 – рутил FeO·Cr2O3 - хромистый железняк

Природные руды металлов

Галогенидные руды (в основном щелочных и щелочноземельных металлов):

3 4

NaCl – галит (поваренная соль) KCl – сильвин KCl·MgCl2·6H2O -карналит

Сульфатные, фосфатные и карбонатные руды:

CaSO4·2H2O – гипс Ca3(PO4)2 – фосфорит CaCO3 – мрамор, известняк CuCO3·Cu(OH)2 - малахит MgCO3 - магнезит

Промышленно перерабатываются в основном оксидные, сульфидные и галогенидные руды.

РУТИЛ TiO2

Пиролюзит MnO2

Пирит FeS2

1. Пирометаллургия – окислительный обжиг сульфидов и восстановление металлов из оксидов при высокой температуре.

Fe2O3 + CO Fe + CO2 FeS2 + O2 = Fe2O3 + SO2

Cпособы получения металлов

Определяются характером сырья (рудой)

2. Электрометаллургия - электролиз расплавов или растворов солей

ZnSO4 + H2O Zn + O2  + H2SO4

электролиз

3. Гидрометаллургия - выделение металлов из растворов их солей более активными металлами

CdSO4 + Zn Cd+ ZnSO4 цементация

Au + KCN + O2 + H2O = K[Au(CN)2] + KOH

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

цементация золота

Гидрометаллургический способ извлечения золота

2. Растворение золота в ртути с последующей разгонкой амальгамы.

Амальгама – сплав Hg с металлами (Zn, Cu, щелочные металлы).

ПОЛУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

1 Доменный процесс:

Руда чугун сталь Fe3O4 CO, t FeO Fe(C) Чугун: Fe+ C (1,7-5%)

1. Разложение карбонильных комплексов (Ni, Co, Cr…)

Fe + 5CO = Fe(CO)5 Порошок желтая жидкость пентакарбонил железо

Pt, t

Получение металла высокой чистоты

[Fe(CO)5] Fe + 5CO 160-200оС

Железо высокой чистоты

2. Иодидное рафинирование.

3. Электролиз водных растворов солей.

РЯД НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ

Li Cs Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Pb H2 Cu Ag Hg Au

Усиление восстановительной способности атомов

Усиление окислительной способности ионов

Li+Ca2+Na+Mg2+Al3+Zn2+Fe2+Ni2+Pb2+H+Cu2+Ag+Hg2+Au3+

Растворение металлов в кислотах и щелочах

1. Кислоты неокислители: HCl, H2SO4, HBr…

Zn + HCl = H2 + ZnCl2

2. Кислоты окислители: HNO3, H2SO4конц, …

Hg + HNO3изб = Hg(NO3)2 + NO + H2O

Cd + H2SO4конц = CdSO4 + SO2 + H2O

Sn + HNO3конц = H2SnO3 + NO2 + H2O

Fe + HCl = H2+ FeCl2

 - оловянная кислота

3. Смеси кислот: HNO3 + HCl – «царская водка»

HNO3 + HF

Nb + HNO3 + HF = H2[NbF7] + NO + H2O

4. Взаимодействие с щелочами:

Ge + O2 + 2NaOH + 2H2O = Na2[Ge(OH)6]

Ag + HNO3 + HCl = H[AgCl2] + NO + H2O

5. Взаимодействие с гидратом аммиака:

Zn + NH3·H2O = [Zn(NH3)4](OH)2 + H2↑

Cd + O2 + NH3· H2O = [Cd(NH3)4](OH)2 + H2O

6. Окислительное щелочное плавление (V,Nb, Ta, Cr, MO, W…):

V + O2 + Na2CO3 = Na3VO4 + CO2 

Cr + O2 + NaOH = Na2 Cr O4 + H2O

Полученные соли легко растворяются в воде