Казақстан республикасы білім және ғылым министрлігі

Ванадий көбіне болатқа қосылатын болғандықтан, оны көбінесе темірмен аралас құйма – ф е р р о в а н а д и й (20 – 25%) түрінде өндіреді. 0,1 – 0,25% ванадий қосылса, ондай болат берік, серпімді, үзілмейтін, қажалмайтын болады; ол көбінсе автомашиналар өндірісіне мотор, цилиндр, рессор, ось жасауға жұмсалады. Алюминий құймаларына араластырса, олардың қаттылығы, өңдеуге икемділігі, теңіз суына щыдымдылығы (гидроұшақ, глиссер қайық) артады.

Ванадийлі болат өте берік болғандықтан одан жасаған конструкциялардың салмағын 30% кемітуге болады. Мысалы, темір жол вагонын алса, оның салмағын 2,5 – 3 тоннаға кемітуге болады, сонда үлкен үнем болады.

Тез кесетін аспаптар жасайтын болатқа да ванадийді қосады, ол металл өндеуді тездетеді, құралдың қызмет істейтін мерзімін ұзартады.

Ниобий мен тантал коррозияға ерекше тұрақты, тіпті платинадан да артық. Өздері платинадан көп арзан болғандықтан химиялық ыдыс, химиялық аппаратардың негізгі бөлімдерін жасауда платинаны ығыстырып шығарып келе жатыр. Бұл металдардың балқу температуралары өте жоғары болғанымен, қыздырылмаған күйде оларды механикалық өндеу, жаю (прокат), созу, соғу оңай. Ниобий мен танталдың карбидтері, аса қатты зат ретінде, кесуші – тілуші құралдардың өткір ұшын жасауға таптырмайтын заттар. Ұзақ қыздыруға, үлкен қысымға шыдамды, сондықтан турбинаға, реактивті ұшақтарға керекті құймаларға қосылады. Тантал хирургияда сынған сүйектерді біріктіруге жұмсалады.
Қайталауға және өздік бақылауға арналған сұрақтар :

1. Металдарды өндірісте алғанда жүретін процестер;

2. Бұл үш металдың бейметалдармен қосылыстары, қасиеттері;

3. Оксидтері,гидроксидтері, қасиеттері;

4. Тұздары, қасиеттері, гидролиз теңдеулері;

5. Қолданылуы

Олардың үшеуі де болатқа ұқсас сұр металл, механикалық өңдеуге икемді, балқу температуралары жоғары.

Кернеу қатарында бұл элементтер сутегінің алдында орналасқан. Бірақ үшеуі де ауада, суда өзгермейді, минералды қышқылдарда да ерімейді, тек НF мен ыстық Н₃РО₄ қышқылдарында ериді, комплексті қосылыстар түзіледі :

Э + 6НF = Н₂[ЭF₆] +2Н₂

Бір қызығы қыздырғанда олар жай заттар ретінде әлсіз, бірақ концентрлі органикалық қышқылдармен (сірке және қымыз қышқылдырымен) әрекеттеседі, комплексті қосылыс түзеді:

Э + 3Н₂С₂О₄ = 2Н₂ + Н₂[Э( С₂О₄)₃]. Ал концентрлі HNO₃ және H₂SO₄ титан және оның аналогтары реакцияға түспейді, себебі олардың беткі қабаттары жұқа оксид қабаттарымен жабылған, сонымен бірге азот және күкірт қышқылдары оксидті қабатты одан сайын нығыздайды, пассивтейді.

НF және Н₂С₂О₄ қышқылдары берік ацидокомплекс түзгіш болғандықтан пассивтелген оксидті қабатты ерітеді, ал металдар ол қышқылдарда жақсы ериді, себебі кернеу қатарында сутегінің алдында тұрғандықтан:

ЭО₂ + 6НF = Н₂[ЭF₆] +2Н₂О;

ЭО₂ + 3Н₂С₂О₄ = 2Н₂О+ Н₂[Э( С₂О₄)₃].

Егер бір қышқыл тотықтырғыш, бір қышқыл лиганда болатын жағдайда, қышқылдыр қоспасында бұл металдар жақсы ериді:

3Э + 4HNO₃ + 18HF → 3H₂[ЭF₆] + 8H₂O+ 4NO.

Бұл элементтерде металдық, яғни тотықсыздандырғыштық қасиеттері бар, бірақ кәдімгі жағдайда тұрақты, ең агрессивті ортаның өзінде коррозияға ұшырмайды. Балқу температураларына жеткізе қатты қыздырғанда химиялық активтігі бірден өседі. Бұл жағдайда галогендермен әрекеттесіп, т е т р а г а л о г е н и д т е р түзеді׃ TiCl₄ сұйық, қалғандары қатты заттар.

Ti + 2Cl₂ = TiCl₄

Сілтілер ерітіндісінде титан топшасы металдары ерімейді. Тек сілтілік металдар фторидтері қатысында фторидті комплекстер түзіледі:

ЭF₄ + 2MF = M₂[ЭF₆]. Тетрафторидтер – суда аз ериді, балқытқыш қышқылда жақсы ериді, комплекс түзіледі:

3ЭF₄ + 2НF = Н₂[ЭF₆].

Хлоридтерді металл мен хлорды әрекеттестіріп немесе оксидтерді хлорлап (көміртек қатысында) алады. TiCl₄ – түссіз, ауада түтінденетін, өткір иісті сұйық зат. Суда жақсы ериді, гидролизге ұшырайды: TiCl₄ + 4H₂O = Ti (OH)₄ + 4HСІ – толық гидролизге ұшыраса; су аз болса, гидролиз былай жүреді:

TiCl₄ + 3H₂O = Н₂TiO₃ + 4HСІ не TiCl₄ + H₂O = (TiO)СІ₂ + 2HСІ.

Оттекпен титан, цирконий, гафний жоғары температурада ғана диоксидтер түзеді, олар қиын балқиды ׃

2Zr + O₂ = ZrO₂

Титан топшасы элементері температура әсерінен күкіртпен, азотпен және көміртекпен әрекеттесіп сульфид, нитрид (MeN) және карбид (МеС) түзеді. Сонғы екеуі өте қатты (TiN – қаттылығы алмаздай) және қиын балқитын қосылыстар (> 3000^о С).

Титан топшасы металдары салқын суға әсер етпейді, қайнап тұрған судан сутекті ығыстырып шығарады:

Э + 4H₂O = Э(OH)₄ + 2H₂ ↑

Түзілген гидроксидтер металдың бетін қаптап, реакцияның ары қарай жүруіне кедергі жасайды.

Әдетте, бұл топшаға жататын элементтердің гидроксидтерін тұздарының ерітінділерін сілтімен әрекеттестіріп алады:

ЭСІ₄ + 4NaOH = Э(OH)₄ + 4NaCI. Гидроксидтер – кілегейленген коллоидты ерітінділер. Жалпы формуласы Э(ОН)₄ болғанымен құрылысы түрліше болып келеді. Мысалы, титанның ортоқышқылы – H₄TiO₄ және метақышқылы – H₂TiO₃ бар. Гидроксидтері сілтілерде ерімейді, күшті қышқылдармен ғана әрекеттеседі, яғни негіздік қасиеті басым. Бұл қасиет топ ішінде жоғарыдан төмен қарай күшейе түседі.

Титан топшасы металдарының бетінде оксид қабаттары болатындықтан, оттекті қышқылдар металдарға әсер етпейді, тек беткі қабаты бүлінсе ғана тотығу реакциясы жүреді׃

3Ti + 4HNO₃ + H₂O = 3H₂TiO₃ + 4NO.

Ti + 4H₂SO₄ = Ti(SO₄)₂ + 2SO₂ + 4H₂O

Титан топшасы металдары «патша» сұйығында оңай ериді׃

3Zr + 4HNO₃ + 12HCl = 3ZrCl₄ + 4NO + 8H₂O

Титан. Титан қазіргі техникада маңызды орын алады, оның маңызы мыс, мырыш, қорғасындардан кем емес. Титанды көбінесе металлургияда арнаулы болат, құйма жасау үшін қолданады, мысалы, 0,1% Ti қосылса, ондай болат өте қатты, серпімді болады, одан рельс, вагондардың осін, дөңгелегін жасайды. Титан араласқан металдар өте маңызды конструкционды материал болады. Титанды құймалар өте жоғары температураға ұзақ уақыт шыдамды келеді. Титан карбидінің қаттылығы алмаздай.

Титан алюминийден сәл ауыр, бірақ одан үш есе берік. Титанның адам баласына келтіретін пайдасының келешегі мол.Титанның қосылыстарынан, оның диоксиді TiO₂ ақ бояу ретінде (титан әгі), отқа берік зертханалық ыдыс жасауға қолданылады.

Цирконий карбиды ZrС титанның карбиды сияқты, алмаз орнына қолданылады.

1. Титан топшасы элементтерін өндірісте алғанда жүретін процестер;

2. Титан топшасы элементтерінің бейметалдармен қосылыстары, қасиеттері;

3. Оксидтері,гидроксидтері, алу, қасиеттері;

4. Тұздары, қасиеттері, қолданылуы;

5. Комплекс қосылыстарының түзілуі теңдеулерін жазу керек.

бар – 32.

Қосымша ІІІВ топтары элементтерінен d – және f – элементтері басталады. Үлкен периодтардағы элементтердің электрондарын орналастырғанда, әрбір үлкен периодтың үшінші элементіне келгенде, оның сонғы электроны, сыртқы қабатқа емес, сырттан санағанда екінші ішкі қабаттағы d – қабатқа орналасады. Демек, скандий тобының металдарының d – қабатында бір электрон, титан тобының металдарында – екі электрон, ванадий тобының металдарында – үш электрон болады. Бұл электрондар - валенттік байланыс түзуге қатынасатын электрондар. Скандий және оның аналогтары әр қайсысы өз периодының бірінші d – элементі. Валенттілік электрондары (n-1)d¹ns², сондықтан тотығу дәрежелері +3. Активтіліктері жағынан тек сілтілік және сілтілік-жер металдарынан ғана төмен.

Кездесуі және қолданылуы. Бұл металдардың қосылыстары жиналыңқы түрде сирек кездеседі.Цирконий, гафний қосылыстарында кездеседі. Актиний уран кендерінде болады. Cкандийдің өзінің минералдары бар: ScPO₄^.2H₂O -стереттит , Sc₂Si₂O₇ – тортвейтит. 170-тей минералдар құрамында лантаноидтар кездеседі. Бұлардың өздері де, қосылыстары да болаттың арнайы сорттарын алуға, скандийдің кей қосылыстары (ферриттер) электроникада , лантан оксидтері оптикалық шыныларда, гадолиний, самарий, европий ядролық техникада, атомдық реакторларда, лантан және церий оксидтері катализатор ретінде, актиний, уран,плутоний, торий ядролық отын ретінде атомдық реакторларда қолданылады.

Алу. Скандий тобы элементтерін жеке алу өте қиын, себебі олар өздері кіретін кендердегі элементтермен өте ұқсас. Кендерді өңдеп болған соң олар көбінесе ЭҒ₃ не ЭСІ₃ күйінде болады, сосын олардың балқымаларын электролиздеп Sc, Y, La алынады. Сонымен бірге галогенидтерінен металтермиялық әдіспен алады.

Физикалық және химиялық қасиеттері. Sc және Y – ақ-сұр металдар, La және Ac - жылтыр ақ металдар. Sc және Y- жеңіл, La – ауыр металл. Скандий және лантаноидтардың химиялық активтіктері сілтілік-жер металдар активтігіне жақын.Кернеу қатарында жоғары орналасқан. Скандийдің өзі суда ерімейді, себебі беті оксид қабатпен жабылған, ал скандий топшасы элементтері – суды бөлме температурасында , кейбіреулері қыздырғанда айырады:

2Э + 6Н₂О = 2 Э(ОН)₃ + 3Н₂ ;

Сұйытылған қышқылдарда оңай ериді, тек НF , Н₃РО₄ қышқылдарында ерімейді, себебі ерімейтін фторидтер мен фосфаттар түзіледі: 2Э + 6НСІ = 2ЭСІ₃ + 3Н₂ ;

Кей лантаноидтар сутекпен гидрид түзеді (LaH₃):

2Э + 3Н₂ = 2 ЭН₃. Скандийдің және лантаноидтардың электртерістіктері жақын, 1,2-1,3 маңында, сондықтан көптеген бейметалдармен әрекеттеседі.

Оксидтерін металдарды ауада тотықтырып, гидроксидтерін , карбонаттарын, нитраттарын, оксалаттарын айырып алады.Скандий, иттрий оксидтері ақ түсті, балқуы қиын ұнтақтар, суда және қышқылдарда ерімейді, лантанның, актинийдің оксидтері суда ерімейді, бірақ қышқылдарда ериді.

Гидроксидтерін тұздарын сілтілерде ерітіп алады:

ЭСІ₃ + 3 NaOH = Э(OH)₃↓ + 3 NaCI. Гидроксидтері суда ерімейтін заттар, барлығының да негіздік қасиеттері бар, әрі ол қасиеттер топ бойынша төмен қарай күшейеді, яғни La(OH)₃ күшті негіз. Sc³⁺, Ү³⁺, La³⁺ иондары түссіз.

Хлоридтері, нитраттары және ацетаттары оңай ериді, Sc → La бағытында негіздік қасиет күшейетіндіктен гидролизденуі де сол бағытта кемиді.

Скандий тобының металдары қосымша топта болғанымен, галлий топшасына қарағанда типтік элементтерге (B, Al), әсіресе үш валентті қосылыстарында, ұқсасырақ.

Скандий топшасы сульфидтерін элементтерді өзара әрекеттестіріп, күкіртті сутек қышқылы мен тұздар ерітіндісін әрекеттестіріп алады:

Э + S = Э₂S₃ ; LaCI₃ + H₂S = La₂S₃ + 2HCI.

Оттекті қышқылдарының тұздары және комплекс қосылыстары. Скандий және лантаноидтардың нитраттары, сульфаттары, карбонаттары және фосфаттары бар: алғашқы екі тұздар суда жақсы ериді. Лантаноидтар нитраттарының ерігіштігі олардың реттік номерлері өскен сайын төмендейді де, сосын қайта өсе бастайды. Ең аз еритін нитрат Gd(NO₃)₃ . Cульфаттар ерігіштігі скандий топшасында жоғарыдан төмен қарай азаяды. Скандий, иттербий, лютеций тұздары гидролизге түседі, себебі олардың гидроксидтері амфотерлі.

Скандий және иттрий фторидті комплекс түзеді: K₃[ЭF₆]. Cонымен бірге сілтілік металдардың сульфаттарымен, нитраттарымен, карбонаттарымен қос тұздар түзеді: Me₂SO₄ ∙ Э₂(SO₄)₃ .Лантаноидтар көбінесе қос тұздар түзеді.

Лантаноидтар негізінен +3 тотығу дәрежесіне сәйкес қосылыстар түзеді, бірақ церийде +4, европийде +2 тотығу дәрежесіне сәйкес қосылыстары да бар.СеО₂ оттегі мен металл әрекеттесуінен түзіледі, суда ерімейді, күшті тотықтырғыш:

2СеО₂ + 8НСІ = 2СеСІ₃ + CI₂ + Н₂О.

Церий сульфаты СеО₂ ыстық концентрлі күкірт қышқылында ерітіліп алынады, ол суда жақсы ериді, гидролизге ұшырайды. Церийдің негіздік нитраттары мен карбонаттары бар, перхлораттары мен ацетаттары тұрақты.

Қайталауға және өздік бақылауға арналған сұрақтар :

1. Скандий тобы элементтерін өндірісте алғанда жүретін процестер;

2. Скандий тобы элементтерінің бейметалдармен қосылыстары;

3. Оксидтері,гидроксидтері, алу, қасиеттері ;

4. Тұздары, қасиеттері, гиролиз процесі;

5.Скандий тобы элементтерінің комплексті қосылыстары.

керек, бұл элементтер өте сұйық азот қышқылындағы азоттың тотығу дәрежесін ең төменгі мәніне дейін жеткізеді. Бұл реакциялар теңдеулерін ионды-молекулалық және молекулалық түрде жазу керек.

II B топша элементтері Табиғатта кездесуі, алу .Элементтердің химиялық қасиеттері, қолданылуы. Қосылыстары, алу, қасиеттері . Комплекс қосылыстары, алу, қасиеттері

Екінші топтың қосымша топшасының элементтері Zn, Cd, Hg, олардың атомдарының электрондық конфигурациясы (n-1)d¹⁰ ns², d-элементтерді аяқтайды, сондықтан олар басқа d-элементтерден өзгеше және тотығу дәрежелері +2 болады. Олар өзара толық электрондық аналогтар.

Сынаптың қасиетіне лантаноидты сығылу әсер етеді, сондықтан ол [Hg₂]²⁺ радикалын түзеді,онда сынап атомдары өзара ковалентті байланыспен байланысқан – Hg – Hg – . Cынаптың бұл жағдайда тотығу дәрежесін +1 деп санайды.

Жер қыртысында Zn 8,3^. 10^-3%; Cd~1,3^. 10^-5%; Hg~ 8,3∙10^-6%. Сынап бос күйінде де кездеседі. Көбінесе сульфид ретінде: ZnS - сфалерит ; ZnCO₃ - галмей ; CdS - гринокит ; Zn+Cd - көбінесе бірге болады. HgS - киноварь, сульфидтер жылтыр болғандықтан оларды алдамыштар деп те атайды.

r 0,139нм 0,156нм 0,160 нм

Е⁰_Э²⁺_/Э, в: -0,763 -0,403 +0,854

Т_б⁰C 420 321,3 -38,7

оксидтерді көмірмен, көмір(ІІ) оксидімен тотықсыздандырады: ЭО+СО(С)→ Zn (Cd) + СО(СО₂) - карботермия ;

ZnO+H₂SO₄→ZnSO₄+H₂O CdO+H₂SO₄→CdSO₄+H₂O ; CdSO₄(ZnSO₄ ) электролиз → Zn (Cd), Н₂ - катодта + О₂-анодта бөлінеді. Сынап оксиді тұрақсыз болғандықтан, 400⁰С ол айрылады:

HgS +O₂ → Hg + SO₂ . Физикалық және химиялық қасиеттері: Cd , Zn –жұмсақ металлдар, Hg-сұйық металл, буы өте улы, сондықтан оны жабық ыдыста сақтайды, егер төгілсе, тез жинап алу керек. Кадмийдің тұздары да улы. Кадмий мен мырыш ақ жылтыр металдар, бірақ ылғал жерде оксид қабатымен жабылады. Бұл топта металдар активтігі атомдық массалары өскен сайын төмендейді. Cd , Zn кернеу қатарында сутегіге дейін орналасқан, сондықтан сұйытылған қышқылдармен әрекеттеседі:

Э + НСІ(H₂SO₄) →ЭSO₄ (ЭСІ₂) + H₂.

Кадмий мен мырыш, сынаптың оксидтері мен сульфидтері элементтер өзара әрекеттесу нәтижесінде түзіледі:

Э: Cd , Zn +О₂ (S)→ CdS, ZnS, ЭO. Hg +S→ HgS;

ZnО- амфотерлі; CdO, HgО- негіздік оксидтер.

Активті металдар болғандықтан Cd , Zn суда ериді, бірақ гидроксидтері ерімейтіндіктен металдардың еруі тоқтайды: Zn(ОH)₂↓ pEK 11; Zn(ОH)₂ - амфотерлі, Cd(OH)₂ pEK 14; Hg(ОH)₂ pEK 16 ерігіштік көбейтіндінділерінің көрсеткіштері ; бұл гидроксидтер тұрақсыз: Э(ОH)₂ → ЭO + H₂О. Zn(ОH)₂↓+2NaOH→Na₂[Zn(OH)₄] - амфотерлі болғандықтан.

Zn + 2NaOH→Na₂[Zn(OH)₄] + H₂ . ZnO+Na₂CO₃→^{балқытып} Na₂ZnO₂+CO₂ .

Cd , Zn металдарымен күкірт қышқылы концентрациясына байланысты әрекеттеседі, қыздырған кезде SO₂ , S және H₂S-ке дейін тотықсызданады:

3Э +4H₂SO₄ →3ЭSO₄ +4H₂О +S

4Э +5H₂SO₄ →4ЭSO₄ +4H₂О +H₂S

Азот қышқылының сұйытылған ерітіндісінде Cd , Zn еріп, оны аммиакқа (аммоний тұзына) дейін тотықсыздандырады:

Сынаппен реакция былай жүреді:

6Hg + 8HNO₃ = 3Hg₂(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

Концентрлі азот қышқылымен Cd , Zn әрекеттескенде, азот қышқылының концентрациясына байланысты N₂O, NO, ал сынаппен концентрлі азот қышқылы әрекеттескенде NO₂ , ал сұйытылған азот қышқылынан NO түзіледі:

Hg + 4HNO₃ = Hg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Cd , Zn: галогендермен әрекеткескенде ЭГ₂- түссіз (хлоридтері, бромидтері, иодидтері) түзіледі, олар кристалды заттар, суда ериді, гидролизге түседі.Олар элементтер өзара әсерлескенде түзіледі. Фторидтер аз ериді. Сынап галогенидтері: HgСІ₂ – сулема (улы зат!), Hg₂СІ₂ – каломель. Сынаптың (I) қосылыстары жағдайға байланысты тотықтырғыш және тотықсыздандырғыш болады: Hg₂СІ₂+СІ₂ = 2HgСІ₂

Hg₂СІ₂+SnСІ₂ = 2HgСІ₂+ SnCI₄. Сынаптың (IІ) қосылыстары тотықтырғыш болады:

HgСІ₂+SnСІ₂ = Hg + SnCI₄.

Бұл элементтер күкіртпен әрекеттесіп не еритін тұздары сульфидтермен әрекеттесіп сульфидтер түзеді: (Cd²⁺⁾Zn²⁺ +S^2-→ ZnS , CdS. Сынап сульфиді оңай түзіледі. ZnS pEK 24; CdS pEK 27, сондықтан мырыш сульфиді тұз қышқылында ериді, кадмий сульфиді – ерімейді, ал HgS тек азот қышқылында ериді.

3HgS +8HNO₃=3Hg(NO₃)₂+2NO+ 3S + 4H₂O.

Э(NO₃)₂, ЭSO₄ суда жақсы ериді, гидролизге ұшырайды. ЭCO₃ тек CdCO₃, ZnCO₃ белгілі , суда ерімейді. HgCO₃ белгісіз.

Мырыш және оның аналогтары комплексті қосылыстар түзгіш:

2KI + Hg(NO₃)₂ = ↓HgI₂ + 2KNO₃

2KI + ↓HgI₂ = K₂[HgI₄].

Комплекс қосылыстары: [Zn(OH)₄]^2- pK _тз 15,5; [Zn(NH₃)₄]²⁺ pK_тз 9,46;

[Cd(NH₃)₄]²⁺ pK _тз 7,12 ; [Hg(NH₃)₄]²⁺ pK_тз 19,28 .

Бұл элементтерге тән комплексті қосылыстардың тұрақтылығы артады.