Глава 18. Резюме (Summary)¶
18.1 Периодичность¶
Этот раздел посвящён периодичности типичных (представительных) элементов. Это те элементы, у которых электроны заполняют \(s\)- и \(p\)-орбитали. Типичные элементы расположены в группах 1, 2 и 12–18. К ним относятся типичные металлы, металлоиды и неметаллы. Щелочные металлы (группа 1) очень активны, легко образуют ионы с зарядом \(1+\), формируя ионные соединения, обычно растворимые в воде, и бурно реагируют с водой с выделением газообразного водорода и образованием основного раствора гидроксида металла. Внешние электроны щёлочноземельных металлов (группа 2) удаляются труднее, чем внешний электрон щелочных металлов, поэтому металлы группы 2 менее активны, чем металлы группы 1. Эти элементы легко образуют соединения, в которых металл проявляет степень окисления \(2+\). Цинк, кадмий и ртуть (группа 12) обычно проявляют групповую степень окисления \(2+\) (хотя ртуть проявляет также степень окисления \(1+\) в соединениях, содержащих ион \(\ce{Hg2^{2+}}\)). Алюминий, галлий, индий и таллий (группа 13) окисляются легче водорода. Алюминий, галлий и индий встречаются со степенью окисления \(3+\) (однако таллий часто встречается также в виде иона \(\ce{Tl+}\)). Олово и свинец образуют устойчивые двухвалентные катионы и ковалентные соединения, в которых эти металлы проявляют степень окисления \(4+\).
18.2 Распространённость и получение типичных металлов¶
Из-за своей химической активности типичные металлы необходимо получать в чистом виде путём восстановления из природных соединений. Электролиз важен в производстве натрия, калия и алюминия. Химическое восстановление — основной метод выделения магния, цинка и олова. Аналогичные приёмы применяются и для других типичных металлов.
18.3 Строение и общие свойства металлоидов¶
Элементы бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур разделяют металлы и неметаллы в периодической таблице. Эти элементы, называемые металлоидами, или иногда полуметаллами, проявляют свойства, характерные как для металлов, так и для неметаллов. По строению эти элементы во многом сходны с неметаллами, но являются электрическими полупроводниками.
18.4 Строение и общие свойства неметаллов¶
Неметаллы имеют структуры, сильно отличающиеся от структур металлов, главным образом потому, что обладают большей электроотрицательностью и более прочно связанными с отдельными атомами электронами. Большинство оксидов неметаллов являются кислотными ангидридами, то есть реагируют с водой с образованием кислотных растворов. Для большинства неметаллов характерно молекулярное строение, и многие из них имеют несколько аллотропных модификаций с различными физическими свойствами.
18.5 Распространённость, получение и соединения водорода¶
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, а его химия поистине уникальна. Несмотря на некоторое сходство химической активности со щелочными металлами, водород во многом обладает свойствами неметалла с относительно низкой электроотрицательностью. Он образует ионные гидриды с активными металлами, ковалентные соединения, в которых имеет степень окисления \(1-\), с менее электроотрицательными элементами, и ковалентные соединения, в которых имеет степень окисления \(1+\), с более электроотрицательными неметаллами. Он взрывообразно реагирует с кислородом, фтором и хлором, менее активно — с бромом и гораздо менее активно — с иодом, серой и азотом. Водород восстанавливает оксиды металлов, восстановительные потенциалы которых ниже, чем у хрома, до металла и воды. Все галогеноводороды кислотны при растворении в воде.
18.6 Распространённость, получение и свойства карбонатов¶
Обычным способом получения карбонатов щелочных и щёлочноземельных металлов является реакция оксида или гидроксида с диоксидом углерода. Другие карбонаты получают осаждением. Карбонаты и гидрокарбонаты металлов, такие как известняк (\(\ce{CaCO3}\)), антацид Tums (\(\ce{CaCO3}\)) и пищевая сода (\(\ce{NaHCO3}\)), — широко известные примеры. Карбонаты и гидрокарбонаты разлагаются под действием кислот, а большинство из них — при нагревании.
18.7 Распространённость, получение и свойства азота¶
Азот проявляет степени окисления от \(3-\) до \(5+\). Из-за устойчивости тройной связи \(\ce{N#N}\) для получения соединений из молекулярного азота требуется большое количество энергии. Активные металлы, такие как щелочные и щёлочноземельные металлы, способны восстановить азот до нитридов металлов. Оксиды и гидриды азота также являются важными веществами.
18.8 Распространённость, получение и свойства фосфора¶
Фосфор (группа 15) обычно проявляет степень окисления \(3-\) с активными металлами и \(3+\) и \(5+\) — с более электроотрицательными неметаллами. Галогены и кислород окисляют фосфор. Его оксиды — оксид фосфора(V) \(\ce{P4O10}\) и оксид фосфора(III) \(\ce{P4O6}\). Два распространённых способа получения ортофосфорной кислоты \(\ce{H3PO4}\) — это реакция фосфата с серной кислотой или реакция воды с оксидом фосфора(V). Ортофосфорная кислота — трёхосновная кислота, образующая три типа солей.
18.9 Распространённость, получение и соединения кислорода¶
Кислород — один из самых реакционноспособных элементов. Эта активность в сочетании с распространённостью делает химию кислорода очень богатой и хорошо изученной. Соединения типичных металлов с кислородом подразделяются на три категории: (1) оксиды, (2) пероксиды и супероксиды и (3) гидроксиды. Наиболее распространённый способ получения оксидов — нагревание соответствующих гидроксидов, нитратов или карбонатов. Нагревание металла или оксида металла в атмосфере кислорода может приводить к образованию пероксидов и супероксидов. Растворимые оксиды растворяются в воде с образованием растворов гидроксидов. Большинство оксидов металлов являются основными ангидридами и реагируют с кислотами. Гидроксиды типичных металлов реагируют с кислотами в реакциях нейтрализации с образованием солей и воды. Гидроксиды имеют много областей промышленного применения.
Все неметаллы, кроме фтора, образуют несколько оксидов. Почти все оксиды неметаллов являются кислотными ангидридами. Кислотные свойства оксикислот обусловлены тем, что атомы водорода связаны с атомами кислорода в молекуле, а не с другим атомом неметалла. Как правило, сила оксикислоты возрастает с увеличением числа атомов кислорода, связанных с атомом неметалла, а не с водородом.
18.10 Распространённость, получение и свойства серы¶
Сера (группа 16) реагирует почти со всеми металлами и легко образует сульфид-ион \(\ce{S^{2-}}\), в котором она имеет степень окисления \(2-\). Сера реагирует с большинством неметаллов.
18.11 Распространённость, получение и свойства галогенов¶
Галогены образуют галогениды с менее электроотрицательными элементами. Галогениды металлов варьируют от ионных до ковалентных, галогениды неметаллов — ковалентные. Межгалогенные соединения образуются при сочетании двух или более различных галогенов.
Все типичные металлы реагируют непосредственно с элементарными галогенами или с растворами галогеноводородных кислот (\(\ce{HF}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{HBr}\) и \(\ce{HI}\)) с образованием галогенидов типичных металлов. Другие лабораторные способы получения включают добавление водных растворов галогеноводородных кислот к соединениям, содержащим такие основные анионы, как гидроксиды, оксиды или карбонаты.
18.12 Распространённость, получение и свойства благородных газов¶
Важнейшее свойство благородных газов (группа 18) — их инертность. Они присутствуют в атмосфере в низких концентрациях. Их применяют для создания инертной атмосферы, в неоновых рекламных вывесках и в качестве хладагентов. Три самых тяжёлых благородных газа реагируют с фтором с образованием фторидов. Лучше всего охарактеризованы фториды ксенона — исходные вещества для получения нескольких других соединений благородных газов.