Химия, элементы таблицы Менделеева
Другие рефераты
Седьмая группа периодической системы
Из членов данной группы водород был рассмотрен ранее. Непосредственно
следующие за ним элементы — F, Сl, Br и I — носят общее название г а л о г
е н о в. К ним же следует отнести и элемент № 85 — астат (Аt). Другую часть
группы составляют элементы п о д г р у п п ы м а р г а н ц а (Мп, Тс, Rе).
Как видно из приводимых электронных структур, атомы галогенов имеют 7
электронов во внешнем слое. Основываясь на этом, можно наметить некоторые
черты их химической характеристики: так как до устойчивой конфигурации
внешнего слоя не хватает лишь по одному электрону, наиболее типичным для
галогенов должны быть соединения, в которых эти элементы играют роль о д н
о в а л е н т н ы х м е т а л л о и д о в. С другой стороны, их
максимальную положительную валентность можно ожидать равной семи.
Иначе обстоит дело в подгруппе марганца. Здесь незаконченными
являются уже д в а внешних слоя. Так как в наиболее удаленном от ядра слое
находится только два электрона, тенденции к дальнейшему присоединению
электронов не будет. Наоборот, при их отдаче и образовании валентных связей
могут принять участие и 5 электронов следующего слоя. Поэтому максимальную
положительную валентность элементов подгруппы марганца также можно ожидать
равной семи. Таким образом, по своим основным тенденциям элементы обеих
групп сильно отличаются друг от друга: тогда как галоиды должны в первую
очередь характеризоваться резко выраженной металлоидностью, марганец и его
аналоги будут вести себя как металлы.
Фтор.
На земной поверхности фтор встречается исключительно в составе солей.
Общее его содержание в земной коре равняется 0,02 %. Основная масса фтора
распылена по различным горным породам. Из отдельных форм его природных
скоплений наиболее важен минерал ф л ю о р и т — СаF2.
Фтор является «чистым элементом» — состоит только из атомов 19F.
Впервые он был обнаружен в плавиковой кислоте (1810 г.). Попытки выделить
этот элемент долгое время оставались безуспешными, и свободный фтор удалось
получить лишь в 1886 г.
Основная масса фтора земной поверхности обязана своим происхождением
горячим недрам Земли (откуда этот элемент выделяется вместе с парами воды в
виде НF). Среднее содержание фтора в почвах составляет 0,02 %, в водах рек
— 2(10(5 % и в океане — 1(10(4 %. Человеческий организм содержит фтористые
соединения главным образом в зубах и костях. В вещество зубов входит около
0,01 % фтора, причем большая часть этого количества падает на эмаль [состав
которой близок к формуле Са5F(РO4)3]. В отдельных костях содержание фтора
сильно колеблется. Для растительных организмов накопление фтора не
характерно. Из культурных растений относительно богаты им лук и чечевица.
Обычное поступление фтора в организм с пищей составляет около 1 мг за
сутки.
Установлено, что содержание фтора в питьевой воде сильно влияет на
состояние зубов людей (и животных). Наилучшим является наличие около 1 мг
фтора в литре. Содержание ниже 0,5 мг/л способствует развитию кариеса, а
выше 1,2 мг/л — крапчатости эмали. В обоих случаях зубы подвергаются более
или менее быстрому разрушению.
Элементарный фтор получают путем электролиза фтористых соединений.
причем он выделяется на аноде по схеме:
2 F( ( 2 е( + 2 F ( 2 е + F2(
Электролитом обычно служит смесь состава КF(2НF (часто с добавкой LiF).
Процесс проводят при температурах около 100 'С в стальных электролизерах со
стальными катодами и угольными анодами.
Удобная лабораторная установка для получения фтора показана на рис.
&&&&&&&&&& рис
Электролизу подвергают легкоплавкую смесь состава КF(3НF, помещенную в
служащую катодом внешний медный сосуд А. Анод из толстой никелевой
проволоки помещается в медном цилиндре Б, нижняя боковая часть которого
имеет отверстия. Выделяющийся фтор отводится по трубке В (а водород — через
отвод Г). Все места соединения отдельных частей прибора делают на пробках
из СаF2 и замазке из РbО и глицерина.
Свободный фтор состоит из двухатомных молекул и представляет собой
почти бесцветный (в толстых слоях зеленовато -желтый) газ с резким запахом.
Он сгущается в светло-желтую жидкость при (188 (С и затвердевает при (220
(С.
Критическая температура фтора равна (129 (С, критическое давление 55
атм. При температуре кипения жидкий фтор имеет плотность 1,5 г/см3, а
теплота его испарения составляет 1,6 кДж/моль. Жидкий фтор, как и его смесь
с жидким кислородом (“флокс”), может служить энергичным окислителем
реактивных топлив. С SiО2 или стеклом фтор не реагирует. При охлаждении
ниже (252 (С его желтоватые кристаллы обесцвечиваются.
С химической стороны фтор может быть охарактеризован как о д н о в а
л е н т н ы й м е т а л л о и д и притом с а м ы й активный из всех
металлоидов. Обусловлено это рядом причин, в том числе легкостью распада
молекулы F2 на отдельные атомы — необходимая для этого энергия составляет
лишь 159 кДж/моль (против 493 кДж/моль для О2 и 242 кДж/моль для С12).
Атомы фтора обладают значительным сродством к электрону и сравнительно
малыми размерами. Поэтому их валентные связи с атомами других элементов
оказываются прочнее аналогичных связей прочих металлоидов (например,
энергия связи Н(F составляет — 564 кДж/моль против 460 кДж/моль для связи
Н(О и 431 кДж/моль для связи Н(С1).
Связь F(F характеризуется ядерным расстоянием 1,42 А. Для термической
диссоциации фтора расчетным путем были получены следующие данные:
|Температура, (С |300 |500 |700 |900 |1100 |1300 |1500 |1700 |
|Степень диссоциации, |5(10(|0,3 |4,2 |22 |60 |88 |97 |99 |
|% |3 | | | | | | | |
Атом фтора имеет в основном состоянии структуру внешнего электронного
слоя 2s22p5 и одновалентен. Связанное с переводом одного 2р-элсктрона на
уровень 3s возбуждение трехвалентного состояния требует затраты 1225
кДж/моль и практически не реализуется.
Сродство нейтрального атома фтора к электрону оценивается в 339
кДж/моль. Ион F( характеризуется эффективным радиусом 1,33 А и энергией
гидратации 485 кДж/моль. Для ковалентного радиуса фтора обычно принимается
значение 71 пм (т. е. половина межъядерного расстояния в молекуле F2).
Подавляющее большинство м е т а л л о в соединяется с фтором уже при
обычных условиях. Однако взаимодействие часто ограничивается образованием
плотной поверхностной пленки фтористого соединения, которая предохраняет
металл от дальнейшего разъедания. Так ведут себя, например, Сr, Ni и Мg,
которые поэтому оказываются практически устойчивыми по отношению к фтору (в
отсутствие воды).
Так как фтористые производные м е т а л л о и д н ы х элементов
обычно легколетучи образование их не предохраняет поверхность металлоида от
дальнейшего действия фтора. Поэтому взаимодействие часто протекает
значительно энергичнее, чем со многими металлами. Например, кремний, фосфор
и сера воспламеняются в газообразном фторе. Аналогично ведет себя аморфный
углерод (древесный уголь), тогда как графит реагирует лишь при температуре
красного каления. С азотом и кислородом фтор непосредственно не
соединяется.
От водородных соединений других элементов фтор отнимает водород.
Большинство оксидов разлагается им с вытеснением кислорода. В частности,
вода взаимодействует по схеме
F2 + Н2О ( 2 НF + O
причем вытесняемые атомы кислорода соединяются не только друг с другом, но
частично также с молекулами воды и фтора. Поэтому, помимо газообразного
кислорода, при этой реакции всегда образуются пероксид водорода и оксид
фтора (F2О). Последняя представляет собой бледно-желтый газ, похожий по
запаху на озон.
Окись фтора (иначе — фтористый кислород — ОF2) может быть получена
пропусканием фтора в 0,5 н. раствор NаОН. Реакция идет по уравнению:
2 F2 + 2 NаОН = 2 NаF + Н2О + F2О
Молекула F2О имеет структуру равнобедренного треугольника [d(FО) = 141 пм
(FОF = 103(] и небольшой дипольный момент (( = 0,30), Для средней энергии
связи O(Г дается значение 192 кДж/моль.
При охлаждении до (145 (С окcид фтора сгущается в желтую жидкость
(плотность 1,5 г/см3), затвердевающую при (224 (С. Критическая температура
F2О равна (58 (С, критическое давление 49 атм. Жидкая оксид фтора
смешивается в любых соотношениях с жидкими O2, F2, O3 и способен растворять
большие количества воздуха. Несмотря на эндотермичность F2О (теплота
образования 25 кДж/моль), он все же сравнительно устойчив, например еще не
разлагается при нагревании до 200 (С (энергия активации термического
разложения равна 171 кДж/моль). Почти неразлагается оксид фтора и холодной
водой, в которой он малорастворим (7: 100 по объему при 0 (С). Напротив, в
щелочной среде (или под действием восстановителей) разложение F2О идет
довольно быстро. Смесь его с водяным паром при нагревании взрывается
реакция идет по уравнению:
ОF2 + Н2О = 2 НF + O2 + 326 кДж
Оксид фтора является сильным окислителем и очень ядовит.
Формально отвечающая F2О, как ангидриду, ф т о р н о в а т и с т а я
к и с л о т а (НОF) частично образуется при взаимодействии медленного тока
фтора под уменьшенным давлением с охлаждаемой водой. Выделенная лишь в
очень малых коли
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
