Дәріс кешені kv him 2218 «Химия» пәні 6В07105- «Технологиялық машиналар және жабдықтар» Мамандығы үшін Алматы, 2020 ж. №1 Дәріс
Дәріс 13. Металдар және бейметалдар
жүктеу/скачать 1,02 Mb.
|
дәріс
| Дәріс 13. Металдар және бейметалдар.
Мақсаты Металдар мен бейметалдардың жалпы сипаттамасын, металдардың алынуын және олардың химиялық қасиеттерін оқып білу Дәріс жоспары 1. Металдар мен бейметалдардың жалпы сипаттамасы 2. Металдардың алынуы және олардың химиялық қасиеттері 3. Бейметалдарды алу және олардың химиялық қасиеттері 1. Металдар мен бейметалдардың жалпы сипаттамасы Барлық элементтер (114) шартты түрде металдар (92) және бейметалдар (22) деп екіге бөлінеді. Металдар (Ме) тоқты және жылуды жақсы өткізгіштігімен, соғылғыштығымен, майысқақтығымен және металдық жылтырлығымен сипатталады, ал бейметалдарға (б/Ме) мұндай белгілер тән емес. Қалыпты жағдайда барлық Ме (сынаптан Hg басқа) – қатты, ал б/Ме – газдар, сұйықтар мен қатты заттар. Периодтық жүйеде орналасуы. (А) негізгі топша элементтері Be – Al – Ge – Sb – Po диагоналі бойынша орналасқан, сол жақ төменгі бұрышта – металдар, оң жақ жоғарғы бұрышта – бейметалдар; (В) қосымша топша элементтерінің барлығы металдар. Элементтің металдығы және бейметалдығы. Элементтің металдығы (Ме) электрондарды беру қабілетімен, ал бейметалдығы (б/Ме) – электрондарды қосып алу қабілетімен сипатталады. (А) негізгі тобы бойынша жоғарыдан төмен қарай элементтің металдығы күшейеді, ал элементтің бейметалдығы әлсірейді; бұл энергетикалық деңгейлер саны артқанда валентті электрондардың ядромен тартылысы әлсіреп, сондықтан атом олардан оңай ажырайтындығымен түсіндіріледі және оң зарядталады. Период бойынша солдан оңға қарай элементтің металдығы әлсірейді, ал бейметалдығы – артады, бұл ядро заряды мен электрондар сандарының артуы бойынша, электронның ядроға тартылыс күші артатындығымен байланысты, сондықтан атом оларды оңай қосып алады және теріс зарядталады. Элементтің металдық және бейметалдық өлшемі – иондану энергиясының (ИЭ), электрон тартқыштық (ЭТарт) және электртерістік (ЭТ) мәндерімен сипатталады: ИЭ, ЭТарт және ЭТ мәндері неғұрлым аз болған сайын, элементтің металдығы соғұрлым артады және керісінше. Анықтама мәліметтері бойынша, ИЭ (Ме) < 8,7 эВ, ал ИЭ (б/Ме) > 8,7 эВ; ЭТ(Me) < 2,0 эВ, ал ИЭ (б/Ме) > 2,0 эВ, ЭТарт тек б/Ме ғана тән. Мысалы: ИЭ (Na) = 5,14 < 8,7; ИЭ (Cl) = 12,97 > 8,7; ЭТ(Na) = 0,9 < 2,0; ЭТ(Cl) = 3,0 > 2,0; ЭТарт (S) = 1,0 эВ, ЭТарт (Cl) = 3,8 эВ, яғни б/Ме (S) < б/Ме (Cl) Тотығу дәрежесі. Жай заттар ретіндегі металдар мен бейметалдардың тотығу дәрежелері нөлге тең; қосылыстарда металдар тек қана оң, ал бейметалдар (фтордан басқасы) оң және теріс тотығу дәрежесін көрсетеді. Металдардың қосылыстары үшін тотығу дәрежесі үштен аспайды (қалайының (+4), қорғасын (+4) және висмуттың (+5) қосылыстарынан басқасы). Жай заттың тотығу-тотықсыздану қасиеттері және құрамында оттегі бар қосылыстарының (оксид және гидроксидтің) қышқылдық-негіздік сипаты. (А) негізгі тобы бойынша жоғарыдан төмен қарай элементтің металдығы артады, соған сәйкес, жай заттың тотықсыздандырғыштық қасиеті және құрамында оттегі бар элемент қосылыстарының сипаты артады, ал тотықтырғыштық қасиеті мен қышқылдық сипаты, керісінше, кемиді. Период бойынша солдан оңға қарай элементтің бейметалдығы артады, сәйкес, жай заттың тотықтырғыштық қасиеті мен құрамында оттегі бар элемент қосылыстарының қышқылдық сипаты артады, ал тотықсыздандырғыштық қасиеті мен негіздік сипаты, керісінше, кемиді (2, 3, 11-дәрістер). 2. Металдардың алынуы және химиялық қасиеттері Металдардың алынуы * Металдарды жоғары температурада көмірдің (C), көміртегі оксидтің (CO), сутектің (H2) немесе алюминийдің (Al) көмегімен оксидтерден тотықсыздандыру арқылы алады: ZnO + C Zn + CO Fe3O4 + 4CO 3Fe + 4CO2 3Fe3O4 + 8Al 4Al2O3 + 9Fe MgO + C Mg + CО * Егер металдар тұз немесе негіз түрінде кенде кездессе, онда соңғыларды оксидке айналдырып алады: 2ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 MgCO3 MgO + CO2 * Металдардың карбидтері немесе гидридтері түзіліп кету салдарынан, көмірмен немесе көміртегі оксидімен тотықсыздандыруға болмайтын жағдайда, тотықсыздандыру үшін алюминийді қолданады. 4SrO + 2Al Sr(AlO2)2 + 3Sr ; 3MnO2 + 4Al 3Mn + 2Al2O3 * Аса таза металдарды алу үшін сутегін қолданады. WO3 + 3H2 W + 3H2O MoO3 + 3H2 Mo + 3H2O * Сілтілік, сілтілік-жер металдарын (Ве мен Mg басқасы) және алюминийді өндірісте ыдырамай балқитын тұздардың, оксидтер мен гидроксидтер балқымаларының электролизі арқылы алады. 2NaCl 2Na + Cl2 NaOH 4Na + 2H2O + O2 2Al2O3 4Al + 3O2 Металдардың химиялық қасиеттері Ерітінділерде жүретін химиялық реакциялардағы металдардың белсенділігі олардың электрохимиялық кернеу қатарында орналасуымен анықталады: металл неғұрлым сол жақта орналасса, оның химиялық белсенділігі соғұрлым жоғары; металл неғұрлым белсенді болған сайын, оның тотықсыздану қабілеті соғұрлым жоғары және оның катионының тотығу қабілеті төмен болады. Сумен әрекеттесуі: белсенді металдар сумен кез келген жағдайда әрекеттеседі; белсенділігі орташа металдар – тек қана бумен (Т >> 1000С); белсенділігі төмен металдар сумен әрекеттеспейді: 2К + 2Н2О 2КОН + Н2 Zn + Н2О ZnО + Н2 (Т) Си + Н2О Қышқылдармен әрекеттесуі: қышқылдар-тотықтырғыш еместер (тотықтырғыш қасиет сутек – Н+ ионына тән): кернеу қатарында тек сутегіне дейін орналасқан металдармен әрекеттеседі; су және тұз түзеді: Fе + 2НВr FеВr2 + Н2; Сu + Н2SО4 (сұйыт.) қышқылдар-тотықтырғыштар (тотықтырғыш қасиетті қышқыл қалдығы көрсетеді); олар НNОз (сұйыт.), НNО3 (конц.), Н2SО4 (конц.); іс жүзінде барлық металдармен тұз, су және қышқылдың тотықсыздану өнімін түзе әрекеттеседі; өнімнің түрі қышқыл концентрациясымен, метал белсенділігімен және температурамен анықталады; Аu, Рt, Ir, Rh, Та қышқылдармен әрекеттеспейді. * Н2SО4 (конц.) – белсенді металдармен тұз (сульфат), су және S немесе Н2S (температураға байланысты), ал қалғандары металдармен тұз, су және SО2 түзе әрекеттеседі: 4Ca + 5Н2SО4 (конц.) 4CaSO4 + H2S + 4H2O Си + 2Н2SО4 (конц.) CuSO4 + SO2 + 2H2O * НNО3 (сұйыт.) – белсенді металдармен тұз (нитрат), су және NH3 (NH4NO3); басқа металдармен жағдайға байланысты - тұз, су және NO (немесе N2О, N2, NН3) және белсенділігі төмен металдармен - тұз, су және NO түзе әрекеттеседі: 4Са + 10HNO3 (сұйыт.) 4Са(NО3)2 + NН4NО3 + 3Н2O 3Zn + 8НNОз (сұйыт.) 3Zn(NО3)2 + 2NO + 4Н2О 4Zn +10НNОз (өте сұйыт.) 4Zn(NО3)2 + NH4NO3 + 3Н2О 3Си + 8НNО3 (сұйыт.) 3Си(NО3)2 + 2NO + 4Н2О * НNО3 (конц.) – белсенді металдармен тұз (нитрат), су және N2O; басқа металдармен – тұз, су және NО2 түзе әрекеттеседі: 4Ва + 10НNО3 (конц.) 4Ва(NО3)2 + N2О + 5Н2О Cu + 4HNО3 (конц.) Cu(NО3)2 + 2NO2 + 2H2O * суықта және қалыпты температурада концентрленген НNО3 қышқыл Fе, Со, Ni, Сг, А1 әсер етпейді (мұндай металдар пассивтенеді, тығыз оксидтік жабын-дымен оранады), жоғары температурада бұл металдар тұз, су және NО2 түзе әрекеттеседі: Fе + 6HNО3 (конц.) Fе(NО3)2 + 3NO2 + 3H2O (Т) * НNО3 : HCl = 1: 3 концентрленген қышқылдарының қоспасы («патша арағы») Au, Pt ерітеді: Au + HNО3 + 4HCl H[AuCl4] + NO + 2H2O Pt + 4HNО3 + 18HCl 3H2[PtCl6] + 4NO+ 8H2O негіздермен әрекеттесуі: амфотерлі металдар сілті ерітінділерімен комплексті тұз, ал сілті балқымаларымен – орташа тұз түзе әрекеттеседі: Zn + 2Н2O + 2NаОН (ер-ді.) Nа2[Zn(ОН)4] + Н2 Zn (ОН)2 + 2NaОН (қ.) Na2ZnО2 + 2Н2О тұздармен әрекеттесуі: белсенділігі жоғары металдар тұздардың сулы ерітіндісінен белсенділігі төмен металды ығыстырып шығарады: Zn + FеSО4 ZпSО4 + Fе Fе + СuSО4 FеSО4 + Сu металдар бейметалдармен әрекеттесуі: Металдар бір-бірімен әрекеттеспейді, бірақ жоғары температурада интерметаллидтер түзеді: Аg – Аu, Аg2Zn5, Аg – Рb, Аu – Pt, Сu3Sn. Металдар іс жүзінде барлық бейметалдармен әрекеттесе отырып, бинарлы қосылыстар түзеді: оксидтер, карбидтер, гидридтер, нитридтер, фосфидтер, силицидтер, сульфидтер және т.б. Атмосферада оттек (O2) белсенді металдар пероксидтер, қалған металдар жоғары оксидтер түзеді; Аu, Рt әрекеттеспейді: Са + Н2 СаН2 Fе + S FеS 3Са + 2Р Са3Р2 3Са + N2 Са3N2 2Мg + Sі Мg2Sі 2К + О2 К2О2 2Fе + 3С12 2FеС13 3Fе + 2О2 Fе3О4 Ва + О2 ВаО2 3. Бейметалдарды алу және олардың химиялық қасиеттері Бейметалдардың алынуы Бейметалдарды өндірістік, сондай-ақ зертханалық әдістермен алады. Сутек (Н2) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - метанның ыдырауы арқылы: СH4 C + 2H2 - метанның конверсиялану (айналуы) немесе су буымен кокстеу арқылы: CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 C + H2O CO + H2 - калий және натрий хлоридінің қаныққан ерітінділерінің электролизі арқылы: 2KCl + 2H2O 2KOH + H2 + Cl2 - су электролизі (күкірт қышқылы қатысында) арқылы: 2H2O 2H2 + O2 * зертханада келесі әдістермен алынады: - металдарға қышқылмен әсер ету (Кипп аппаратында) арқылы: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 Zn + H2SO4 (сұйыт.) ZnSO4 + H2 - белсенді металдармен судың тотықсыздануы арқылы: Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 - сумен немесе қышқылмен металдар гидридтерінің ыдырауы арқылы: CaH2 + 2HCl CaCl2 + 2H2 CaH2 + H2O Ca(OH)2 + 2H2 Оттек (О2) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - су электролизі (күкірт қышқылы қатысында) арқылы: 2H2O 2H2 + O2 - сұйық ауадан Т= – 183 0С температурада (айдау) қоспалардан арылтып айдау арқылы. * зертханада келесі әдістермен алынады: - құрамында оттегі бар тұздардың термиялық ыдырауы арқылы: 2KClO3 2KCl + 3O2 (150 0С, kt MnO2) 2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2 (200 0С) - металдар пероксидтерінің ыдырауы арқылы: 2K2O2 + 2CO2 2K2CO3 + O2 2BaO2 2BaO + O2 Азот (N2) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - сұйық ауадан Т= – 1960С температурада (айдау) қоспалардан арылтып айдау арқылы. * зертханада келесі әдістермен алынады: - нитрит немесе аммоний дихроматының ыдырауы арқылы: NH4NO2 N2 + 2H2O (NH4)2Cr2O7 N2 + Cr2O3 + 4H2O - аммиактың тотығуы арқылы: 2NH3 + 3CuO 3Cu + N2 + 3H2O Галогендер ( F2, Cl2, Br2, I2 ) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - фторидтер және хлоридтердің балқымаларының электролизі арқылы: 2NaF 2Na + F2; 2NaCl 2Na + Cl2 - табиғи су құрамында болатын бромидтер мен иодидтерден бром және йодты хлормен ығыстырып шығару арқылы: 2NaBr + Cl2 2NaCl + Br2 2NaI + Cl2 2NaCl + I2 * зертханада келесі әдістермен алынады: - кобальт фторидінің термиялық ыдырауы арқылы: 2CoF3 2CoF2 + F2 - қыздыра отырып күшті тотықтырғышқа конц. HCl әсер ету арқылы: MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O 2KMnO4 + 16HCl 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Ca(ClO)2 + 4HCl CaCl2 + 2Cl2 + 2H2O - HBr концентрленген H2SO4 әсер ету арқылы: 2HBr + H2SO4 Br2 + 2H2O + SO2 - (H2O2) сутек пероксидімен HI әсер ету арқылы: 2HI + H2O2 I2 + 2H2O Фосфор (Р) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - Т =1500 0С температурада табиғи фосфориттен көмірмен тотықсыздандыру арқылы: Ca3(PO4)2 + 5C + 2SiO2 3CaSiO3 + 2P + 5CO - алынған фосфорды қызыл немесе қараға айналдырады: P (ақ) Р (қызыл) T = 280 – 340 0C температурада, ауаның қатысынсыз; Р (ақ) Р (қара) T = 200 0C температурада және жоғары қысымда. Күкірт (S) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - кокс пештері газдарынан алу арқылы: 2H2S + SО2 2H2O + 3S H2S + Cl2 HCl + S H2S + H2SO4 H2SO3 + H2O + S - табиғатта таза күйінде кездесетін күкірттен қорытып алу арқылы. Кремний (Si) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - кремнеземнен көмірмен (С), алюминиймен (Al) немесе магниймен (Mg) тотықсыздандыру арқылы: SiO2 + 2C Si + 2CO ; SiO2 + 2Mg Si + 2MgO кремний хлоридінен сутекпен тотықсыздандыру арқылы: SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl Көміртек ( С) * өндірісте келесі әдістермен алынады: - графит кокс қоспасы мен тас көмір шайырынан; - көмірмен ауаның қатысынсыз ағаш сүрегін қыздыру арқылы; - катализатор қатысында, жоғары температурада және жоғары қысымда графиттен алынатын жасанды алмастар (фианиттар); - алмас, көмір және графит табиғатта бос күйінде кездеседі. Бейметалдардың химиялық қасиеттері сумен әрекеттесуі: кәдімгі жағдайда хлор және бром біртіндеп сумен өзара әрекеттескенде, хлор және бром суы түзіледі; фтор суды ыдыратады; кейбір бейметалдар тек жоғары температурада су буында әрекеттеседі: С12 + Н2О НСІ + НСlO Вr2 + Н2О НВr + НВrО F2 + Н2О 2НF + О; О + F2 OF2 О + О О2 ; О2 + О О3 қышқылдармен әрекеттесуі: бейметалдар тек күшті тотықтырғыш (НNО3, Н2SО4 конц.) немесе тотықсыздандырғыш (Н2S, НГ) қасиеттері бар қышқылдармен әрекеттеседі (мұнда Г - С1, Вr, I). 1) НNО3, Н2SО4 әрекеттесуі: бейметалл концентрленген НNО3 қышқылымен сәйкес қышқылға дейін тотығады; ал өзі NО2 -ге дейін; НNО3 сұйытылған NO-ға дейін; Н2SО4 концентрленген SО2-ге дейін тотықсызданады: S + 2НNО3 (сұйыт.) Н2SО4 + 2NO S + 6НNО3 (конц.) Н2SО4 + 6NО2 + 2Н2О S + 2Н2SО4 (конц.) 3SО2 + 2Н2О 3 Р + 5НNО3 (сұйыт.) + Н2О 3Н3РО4 + 5NO Р + 5НNО3 (конц.) НРО3 + 5NО2 + 2Н2О 2) Н2S, НГ әрекеттесуі: бейметалл сәйкес қышқылға дейін, ал Н2S – S -ке дейін немесе SО2– ге дейін тотықсызданады, мұндағы Г - С12, Вr2, I2 (F2-дан басқасы). Н2S + Г2 2НГ + S 2Н2S + 3О2 2Н2О + 2SО2 2Н2S + О2 (арт.) 2S + 2Н2О 3) белсенділігі жоғары галогендер НГ типті қышқылдардан ығыстырып шығарады (НF-дан басқасы). F2 С12 Вг2 І2 қатарда белсенділігі төмендейді: 2НВr + С12 2НСІ + Вr2 2HI + СІ2 2HCl + I2 2HI + Вr2 2НВr + I2 негіздермен әрекеттесуі: сілтілермен тек кейбір бейметалдар әрекеттеседі (Sі, S, Р, F2, Сl2, Вr2, І2): Sі + 2КОН + Н2О К2SіО3 + 2Н2 3S + 6КОН 2К2S + К2SО3 + 3Н2О С12 + 2КОН КС1 + КСlO + Н2O С12 + 6КОН 5КС1 + КC1О3 + 3Н2О С12 + Са(ОН)2 СаОС12 + Н2О 2F2 + 2NаОН 2NаF + ОF2 + Н2О 4Р + 3NаОН + 3Н2О 3NаН2РО2 + РН3 тұздармен әрекеттесуі: тұздардың бейметалдармен барлық реакциясы – ТТР; белсенділігі жоғары галогендер тұздардың сулы ерітіндісінен белсенділігі төменін ығыстырып шығарады (F2 тұзбен емес, тек Н2О – мен әрекеттеседі; сусыз тұздар галогендерді бір-бірінен ығыстырып шығармайды: 2FеС12 + С12 2FеС13 Na2SО3 + S Na2S2О3 2NаNО2 + О2 2NаNО3 Nа2S + Вr2 2NaВr + S 5КClO3 + 6Р 5КС1 + 3Р2О5 ВаSО4 + 2С ВаS + СО2 К2Сг2О7 + S Сг2О3 + К2SО4 2KI + Вr2 2КВr + I2 2КВr + С12 2КС1 + Вr2 2NаІ + С12 2NаС1 + І2 металдар бейметалдармен әрекеттесуі: металдар бейметалдармен және бейметалдар бір-бірімен әрекетесіп, бинарлы қосылыстар түзеді (металдардың қасиеттерін қараңыз). 2Cl2 + 2P (аз) 2PCl3 5Cl2 + 2P (арт.) 2PCl5 4P + 3O2 (аз) 2P2O3 4P + 5O2 (арт.) 2P2 O5 Cl2 + H2 2HCl F2 + H2 2HF 2F2 + Si 2SiF4 2F2 + S SF6 2Н2 + O2 2H2O H2 + S H2S I2 + H2 2HI 2P + 3S (аз) P2S3 2S + C CS2 2P + 5S (арт.) P2S5 N2 + O2 2NO (T > 2000 0C) Г2 + O2 (Г - С1, Вr, I ) Тақырыпты бекіту: Тесттер 1 Молекулалығы және реттілігі бір-біріне тең реакция: A) B) C) D) E) 2 Жылдамдығы фаза аралық беттік ауданындағы заттың концентрацияларының өзгеруімен анықталатын реакциялар: A) B) C) D) E) 3 Үрдістің активтілік энергиясының шамасына қарап, қандай жағдайда реакцияның жылдамдығын өлшеу мүмкін емес: A) 80 B) 50 C) 100 D) 20 E) 75 4 Химиялық тепе-теңдікті тура бағытта ығыстыру белгілері: A) B) C) D) E) 5 , реакция үшін xимиялық тепе-теңдіктің кері реакция бағытына ығысатын жағдай: A) Аммиактың концентрациясы өскенде. B) Аммиактың концентрациясы кемігенде. C) Азоттың концентрациясы өскенде. D) Сутектің концентрациясы өскенде. E) Қысым өскенде. 6 Химиялық тепе-теңдіктің ығысуына қысымның өзгеруі әсер етпейтін реакция: A) B) C) D) E) 7 Жүйеде қысымның жоғарылауы тепе-теңдіктің тура бағытта ығысуына әкелетін реакция: A) B) C) D) E) 8 Химиялық тепе-теңдіктің ығысуына әсер етеді: A) Катализатор B) Реагенттер табиғаты C) Өнімдер табиғаты D) Концентрация E) Реагенттердің агрегаттық күйі 9 реакция жылдамдығы жүйенің қысымын екі, үші, төрт есе кеміткенде сәйкес төмендейді: A) 2 есе B) 3 есе C) 5 есе D) 4 есе E) 10 есе 10 реакция жылдамдығы бір мезгілде қысымды 4 есе кеміткенде, температураны 600 ( ) арттырғанда артады: A) есе B) есе C) есе D) есе E) есе Сұрақтар Ұсынылатын әдебиеттер: Бірімжанов Б.А., Нұрахметов Н.Н. Жалпы химия. – Алматы: Ана тілі, 1991.- 640 бет. Бірімжанов Б.А. Жалпы химия. – Алматы: ҚР ЖООҚ, 2011. Құлажанов Қ.С., Сүлейменова М.Ш., Иманбеков Қ.И. Бейорганикалық химия. – Алматы: ҚР ЖООҚ, 2011. Шоқыбаев Ж. Бейорганикалық және аналитикалық химия. - Алматы, 2003.- 320 бет. Аханбаев К. Химия. – Алматы: Ана тілі, 1993. - 280 бет. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.-М.: Высшая школа, 1988. Глинка Н.Л. Общая химия / Под ред. Рабиновича В.А.- Л.: Химия, 1988. - 704 с. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия.М.: Высшая школа, 2000.- 527 с. жүктеу/скачать 1,02 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|