Химия элементов IIIА, VА, VIА, VIIA групп

ЛЕКЦИЯ № 12.
ХИМИЯ ГАЛОГЕНОВ (VII A подгруппа)
Электронная конфигурация атомов галогенов
Элемент
Электронная формула
Степени окисления
F
[He]2s22p5
-I
2
5
Cl
[Ne]3s 3p
-I, +I, +II, +III, +V, +VII, (+IV, +VI)
10 2 5
Br
[Ar]3d 4s 4p
-I, +I, +II, +III, +V, +VII, (+IV, +VI)
I
[Kr]4d105s25p5
-I, +I, +II, +III, +V, +VII, (+IV, +VI)
14
10 2 5
At
[Xe]4f 5d 6s 6p
Cодержание галогенов в земной коре.
F
Содержание,
6,5· 10-2
масс.%
Минералы
Флюорит CaF2
Фторапатит
Ca5F(PO4)3
Cl
0,017
Br
1,6·10-5
I
4·10-5
Галит NaCl,
Сильвин KCl
-
-
Некоторые характеристики галогенов.
F
Cl
Br
I
Радиус атома
0,064
0,099
0,114
0,133
ЭО
4,1
2,8
2,7
2,2
Рост радиуса атома и уменьшение электроотрицательности
увеличивает металлические свойства по подгруппе VIIA
CЭ, кДж/моль
328
325
295
349
ЭИ, кДж/моль
1681
1251
1140
1008
Свойства простых веществ.
F2
Цвет, фазовое
желтоватый газ
состояние при
обычных
условиях
Длина связи, А 1,42
Энтальпия
151
диссоциации,
кДж/моль
toС плавления
-219,6
toC кипения
-188
At
~ 1,9
270
-
Cl2
зеленый газ
Br2
бурая
жидкость
1,98
243
2,27
199
I2
черно-серые
кристаллы,
в парахфиолетовый
2,67
151
-101
-34
-7,3
60
113,6
184,4
CВОБОДНЫЕ ГАЛОГЕНЫ – ОКИСЛИТЕЛИ.
F2 – самый сильный окислитель
F2 > Cl2 > Br2 > I2 > At2 - окислительная способность по подгруппе падает.
1) более легкий галоген вытесняет более тяжелый из галогенидов
ПРИМЕР. Cl2 + 2Br- = 2Cl- + Br2
2) более тяжелый галоген вытесняет более легкий из кислородных соединений
ПРИМЕР.I2 + NaClO3 → NaIO3 + Cl2
ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ ГАЛОГЕНОВ.
Водородные соединения галогенов (галогеноводороды)
HF, HCl, HBr, HI - газы, хорошо растворимые в воде.
HF – слабая кислота, Кд = 7·10-4
Не обладает восстановительными свойствами.
HCl, HBr, HI – сильные кислоты
- сила кислот растет сверху вниз по подгруппе
- в ОВР – восстановители; восстановительная способность
растет сверху вниз по подгруппе
AgCl, CuCl, PbCl2 – труднорастворимые соли соляной кислоты
Кислородные кислоты хлора.
+I
+III
HClO
HClO2
хлорноватистая
хлористая
NaClO
NaClO2
гипохлорит
хлорит
----------------------------------слабые кислоты
Кд = 3,8·10-8
Кд = 1,1·10-2
Кислородные кислоты брома
HBrO
Кислородные кислоты иода
HIO
+V
+VII
HClO3
HClO4
хлорноватая
хлорная
NaClO3
NaClO4
хлорат
перхлорат
------------------------------------сильные кислоты
HBrO3
HIO3
H5IO6= HIO3·2H2O
ортоиодная
кислота
HClO > HBrO > HIO – сила кислот падает
- окислительная способность падает сверху вниз
ЛЕКЦИЯ № 12.
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ VI A подгруппы
S, Se, Te, Po - халькогены
Электронная конфигурация
Элемент
Электронная формула
O
[He]2s22p4
S
[Ne]3s23p4
Se
[Ar]3d104s24p4
Te
[Kr]4d105s25p4
Po
[Xe]4f145d106s26p4
Cодержание элементов в земной коре.
O
Содержание,
47,0
масс.%
Минералы
~21%O2 в воздухе
Степени окисления
-II, 0, +II(OF2)
-II, -I, 0, (+II), +IV, +VI
Аналогично
Аналогично
аналогично
S
0,05
Se
10-4
Te
10-7
Сера самородная
Встречаются в
FeS2 – пирит
ZnS, PbS обманки
Cu2S медный блеск
CuFeS2халькопирит
CaSO4·2H2O -гипс
сульфидных рудах.
Добываются из отходов
и шламов
электролитического
производства меди
Некоторые характеристики элементов.
O
S
Se
Te
Радиус атома
0,066
0б104
0,117
0,137
ЭО
3,5
2,6
2,5
2,1
Рост радиуса атома и уменьшение электроотрицательности
усиливает металлические свойства по подгруппе VIA
Свойства простых веществ.
O2
Цвет, фазовое
Газ, бесцв.
состояние при
обычных
условиях
toС плавления
-219
o
t C кипения
-183
Po
S
Тв,желтый
Se
Тв, серый
Te
Тв, серебрсерый
119
445
217
685
450
990
ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ.
H2S –газ, запах «тухлых яиц», ядовит;
В 1 объеме воды растворяется ~ 3 объема газа.
H2S( раствор) – сероводородная кислота
Слабый электролит ( K1 = 1,7·10-4, KII = 10-11)
Соли сероводородной кислоты:
Сульфиды: Na2S, (NH4)2S, CaS ….. – растворимы в воде
CuS,HgS, PbS ….. труднорастворимы
Гидросульфиды: NaHS, Cu(HS)2…
Н2S и ее соли в ОВР – восстановители.
--------------------------------------------------------------------------------------------------SO2 – сернистый газ
H2SO3 – сернистая кислота, устойчива только в растворе
Слабый электролит(KI = 1,6·10-2, KII = 6,3·10-8)
Соли H2SO3:
сульфиты Na2SO3
гидросульфиты NaHSO3
SO2,H2SO3 и ее соли в ОВР :
1)
Окислители: SO2 + H2S → S + H2O
2)
Восстановители: SO2 + Br2 + H2O → H2SO4 + HBr
(восстановительные свойства преобладают)
3)
Диспропорционирование: Na2SO3 → Na2S + Na2SO4
---------------------------------------------------------------------------------------------------SO3 - серный ангидрид
H2SO4 – серная кислота
Сильный электролит
Соли H2SO4 :
Сульфаты Na2SO4, BaSO4…
Гидросульфаты NaHSO4, Ca(HSO4)2…
H2SO4(конц) - в ОВР окислитель .
---------------------------------------------------------------------------------------------------H2S2O3 - тиосерная кислота ( неустойчива)
Na2S2O3 – тиосульфат натрия ( в ОВР – восстановитель)
---------------------------------------------------------------------------------------------------H2S4O6 – тетратионовая кислота
H2S2O7 –пиросерная (дисерная) ;K2S2O7 = K2SO4· SO3 – пиросульфат калия
Кислотный компонент в металлургии
--------------------------------------------------------------------------------------------------H2S2O8 – пероксодисерная кислота;
(NH4)S2O8 – пероксодисульфат аммония (окислитель)
ЛЕКЦИЯ № 13.
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ V A подгруппы
Электронная конфигурация
Элемент
Электронная формула
N
[He]2s22p3
P
[Ne]3s23p3
As
[Ar]3d104s24p3
Sb
[Kr]4d105s25p3
Bi
[Xe]4f145d106s26p3
Степени окисления
-III(-II,-I), 0, +I,+II,+III,+IV, +V
-III,
0, (+I), +III,
+V
-III,
0,
+III,
+V
-III,
0,
+III,
+V
0,
+III,
+V
Cодержание элементов в земной коре.
N
P
Содержание,
4·10-2
4·10-2
масс.%
Минералы
78%(об) в
Ca3(PO4)2
воздухе
Фосфорит
NaNO3
3Ca3(PO4)2·CaX2
(X = F,Cl,OH)
апатит
As
1,7·10-4
Sb
5·10-5
FeAsS
Арсенопирит
As2S3
аурипигмент
Sb2S3
Bi2S3
антимонит висмутин
Некоторые характеристики элементов.
N
P
As
Sb
Радиус атома,нм
0,71
0,130
0,148
0,161
ЭО
3,1
2,2
2,1
1,8
Рост радиуса атома и уменьшение электроотрицательности
усиливает металлические свойства по подгруппе VIA
Свойства простых веществ.
N2
P
As
Sb
Bi
2·10-5
Bi
0,182
1,7
Bi
Цвет, фазовое
состояние при
обычных
условиях
toС плавления
toC кипения
Плотность,г/см3
Газ, бесцв.
-210
-196
0,81(ж)
44,1(бел.)
257(бел.)
1,83(бел.)
Тв, серый
Тв, серебрсерый
615(возг.)
5,72(сер.)
631
1634
6,68
ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ.
АЗОТ.
СО = -III NH3 –аммиак
NH3 + H2O = NH3·H2O – гидрат аммиака
NH3·H2O = NH4+ + OH- ; Kд = 1,8·10-5
Кислородные соединения.
СО = I N2O
СО = II NO
СО = III N2O3- кислотный
HNO2 – азотистая кислота (слабый электролит)
NaNO2 – нитрит натрия (Ox,Red)
СО = IV NO2↔N2O4 (Ox,Red – диспропорционирует)
СО = V N2O5 – кислотный
HNO3 – азотная кислота ( сильный электролит,Ox)
KNO3 – нитрат калия
ФОСФОР.
PH3 – фосфин
Кислородные соединения .
СО = +III P2O3 – кислотный
H3PO3 – ортофосфористая ( двухосновная)
NaH2PO3, Na2HPO3 ( ортофосфит натрия)
HPO2 – метафосфористая
CO = V
P2O5 – кислотный оксид
H3PO4 – ортофосфорная
H2P2O7- пирофосфорная
HPO3 –метафосфорная
МЫШЬЯК, СУРЬМА
AsH3 –арсин, SbH3 -стибин
Кислородные соединения
СО = +III Э2О3 – амфот.; Э2О3·хН2О
Н3ЭО3 – ортомышьяковистая и ортосурьмянистая
НЭО2 - мета – формы кислот
СО = +V Э2О5 – кислотный
Н3ЭО4 – орто мышьяковая и ортосурьмяная
НЭО3 – мета-формы кислот
ВИСМУТ.
СО = III ( устойчивая)
Bi2O3→Bi(OH)3 → Bi(NO3)3 (Ox,Red)
CО = V ( неустойчивая)
Bi2O5→ HBiO3→KBiO3(Ox)
271
1564
9,8
ЛЕКЦИЯ № 14.
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ IV A подгруппы
Электронная конфигурация
Элемент
Электронная формула
C
[He]2s22p2
Si
[Ne]3s23p2
Ge
[Ar]3d104s24p2
Sn
[Kr]4d105s25p2
Pb
[Xe]4f145d106s26p2
Степени окисления
-IV, +II, +IV
+II, +IV
+II, +IV
+II, +IV
+II, +IV
Cодержание элементов в земной коре.
C
Si
Содержание,
0,14
27,6
масс.%
Минералы
CaCO3
SiO2
кальцит
кремнезем,
MgCO3
Силикаты
магнезит
алюмосиликаты
Ge
1·10-4
Sn
4·10-3
-
SnO2
PbS
касситерит галенит
Некоторые характеристики элементов.
C
Si
Ge
Sn
Радиус атома,нм
0,077
0,134
0,139
0,158
ЭО
2,5
2,25
2,02
1,7
Рост радиуса атома и уменьшение электроотрицательности
усиливает металлические свойства по подгруппе IVA
Свойства простых веществ.
C
Цвет, фазовое
Тв.
состояние при
Алмаз
обычных
Графит
условиях
Карбин
фуллерены
o
t С плавления
Возг.3700
o
t C кипения
Плотность,г/см3
3,52 алмаз
2,26 графит
Si
Тв, чер.
Аморф.,
Кристалл.
Ge
Тв,
Хрупкий, с
мет.блеском
1415
3250
2,33(кр)
937
2850
5,32
ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ IVA подгруппы.
Водородные соединения.
CH4
SiH4
GeH4
SnH4
Метан
силан
герман
станнан
Термическая устойчивость падает,
Восстановительные свойства растут.
Кислородные соединения углерода.
СО
СО2
PbH4
плюмбан
Pb
1·10-4
Pb
0,175
1,6
Sn
Тв,
α-олово
(серое) – п/п
β-олово
(белое) металл
232
2620
5,85(сер)
7,29 (бел)
Pb
Тв,
т/серый
металл
327
1745
11,34
Монооксид углерода
(угарный газ)
Несолеобр.
Ядовит
ПДК(СО) = 0,02мг/л
В ОВР = Red
диоксид углерода
Н2CO3 –угольная кислота
( слабый электролит)
Na2CO3 – карбонат натрия (сода)
NaHCO3 – гидрокарбонат натрия
Кислородные соединения кремния.
SiО – неустойчив;
SiО2 -кремнезем
Н2SiO3 – метакремниевая кислота
Н4SiO4 – ортокремниевая кислота
уSiO2· xH2O – поликремниевые кислоты
Кислородные соединения Ge, Sn, Pb
CO = +II
GeO
SnO
Ge(OH)2
Sn(OH)2
----------------------------Амфотерны(преобл. кисл. св.)
Сильные восстан.
PbO
Pb(OH)2
амф.(преобл. осн. св.)
устойчивы
CO = +IV
GeO2
SnO2
Ge(OH)4
Sn(OH)4
Амфотерны( осн. св-ва усиливаются → )
Окислительные св-ва усиливаются →
PbO2 – сильный окислитель.
ЛЕКЦИЯ № 15.
PbO2
Pb(OH)4
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ III A подгруппы
Электронная конфигурация
Элемент
Электронная формула
B
[He]2s22p1
Al
[Ne]3s23p1
Ga
[Ar]3d104s24p1
In
[Kr]4d105s25p1
Tl
[Xe]4f145d106s26p1
Степени окисления
+III
+III
+III, +I
+III, +I
+III, +I
Cодержание элементов в земной коре.
B
Al
-3
Содержание,
5·10
8,13
масс.%
Минералы
Соли
Алюмосиликаты,
полиборных
бокситAl2O3·xH2O
кислот
~ 250 минералов
Некоторые характеристики элементов.
B
Al
Радиус атома,нм
0,091
0,143
ЭО
2,01
1,47
Ga
0,139
1,82
Ga
1,5·10-3
In
1,4·10-5
Tl
4,5·10-5
Встречаются в сульфидных
полиметаллических рудах
In
0,166
1,49
Tl
0,171
1,44
Рост радиуса атома и уменьшение электроотрицательности
усиливает металлические свойства по подгруппе IVA
Свойства простых веществ.
B
Цвет, фазовое
Неметалл,
состояние при
черн.(кр)
обычных
коричн(аморфн)
условиях
toС плавления
2300
o
t C кипения
3700
3
Плотность,г/см
2,34
Al
Сереб.-бел
металл,
мягкий
Ga
Серый
металл,
мягкий
In
Серый
металл,
мягкий
Tl
Серый
металл,
мягкий
660
2500
2,7
29,8
2237
5,9
156,6
2075
7,31
303
1460
11,85
ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ IIIA подгруппы.
Бор В
B2H6 – диборан (димер BH3) = Red
MexBy – бориды металлов( жаропрочные, твердые )
BN – нитрид бора (инертный, очень твердый, тугоплавкий, алмазоподобная кр.решетка)
B2O3 – оксид бора ( борный ангидрид) – кислотный оксид.
H3BO3 – ортоборная кислота
Na3BO3 – ортоборат натрия
НВО2 – метаборная кислота
NaBO2 – метаборат натрия
Н2В4О7 – тетраборная кислота
Na2B4O7 –тетраборат натрия
Алюминий Al
(AlH3)n – гидрид алюминия (полимер)
Li[AlH4] – алюмогидрид лития (сильный Red)
Al2O3 – оксид алюминия ( амфотерный) | Растворимы
Al(OH)3 – ортогидроксид алюминия
| в кислотах
AlOOH – метагидроксид алюминия
| и щелочах
Соли: сульфаты, нитраты – растворимы в воде;
AlPO4 ↓, Al2(SiO3)3↓ - нерастворимы в воде.
KAl(SO4)2·12H2O – алюмокалиевые квасцы.
Галлий Ga, индий In, таллий Tl
Ga2O3, In2O3, Tl2O3 амфотерны, в воде не растворимы
Ga(OH)3↓, In(OH)3↓ Tl(OH)3↓ - студенистые осадоки, амфотерны ( раств. в кислотах и
щелочах)
GaAs – арсенид галлия,( лидер полупроводников); ΔЕ = 1,45 эВ
используют в сотовых телефонах(56%), светодиодах(17%),
накопителях информации(8%),сплавы(6%),
солнечных элементах(2%), прочее-(11%)
InSb – антимонид индия, полупроводник;ΔЕ = 0,18 эВ (300оК)
Используют в фотоэлементах и светофильтрах.
Tl2O ,TlOH -сильные основные свойства.
Соединения Tl(+III) – окислители в ОВР ( Tl(+I) – устойчив)