Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет» Кафедра неорганической химии С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова ХИМИЯ S- И Р-ЭЛЕМЕНТОВ ЧАСТЬ I Электронное учебное пособие (Тексто-графические учебные материалы) Кемерово 2015 © С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015 © Кемеровский государственный университет, 2015 ISBN 978-5-8353-1786-8 ISBN 978-5-8353-1787-5 (Ч. I) Об издании – 1, 2, 3 ББК Г115я73 УДК 546 (075.8) С 40 Издается по решению редакционно-издательского совета Кемеровского государственного университета Рецензенты: Черкасова Т. Г., академик РАЕН, д-р хим. наук, профессор кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева; Бобкова Л. А., канд. хим. наук, доцент национального исследовательского Томского государственного университета Авторы: Сирик Светлана Михайловна – доцент кафедры неорганической химии Кожухова Татьяна Юрьевна – доцент кафедры неорганической химии С 40 Сирик, С. М. Химия s- и p-элементов: электронное учебное пособие: тексто- графические учебные материалы [Электронный ресурс]: / С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова; КемГУ. – Электрон. дан. (2,3 Мб). – Кемерово: КемГУ, 2015. – 1 электрон. опт. диск (СD-ROM). – Систем. требования: Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей), 500 МГц; 512 Мб оперативной памяти; видеокарта SVGA, 1280x1024 High Color (32 bit); 3 Мб свободного дискового пространства; операц. система Windows ХР/7/8; Adobe Reader. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-8353-1786-8 ISBN 978-5-8353-1787-5 (Ч. I) Учебное пособие разработано по дисциплине Неорганическая химия. Химия элементов для направления подготовки Химия и по специальности Фундаментальная и прикладная химия в соответствии с ФГОС ВПО. Учебное пособие содержит материал, рассматриваемый на лекциях и необходимый для организации самостоятельной работы; вопросы и задачи для подготовки к практическим занятиям, основные термины и биографии великих химиков. Адресовано студентам специальности Фундаментальная и прикладная химия и направления подготовки Химия, а также может быть использовано магистрантами, аспирантами и профессорско-преподавательским составом. © С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015 © Кемеровский государственный университет, 2015 Текстовое электронное издание Минимальные системные требования: Компьютер: Pentium 3 и выше, 500 МГц; ОЗУ 512 Мб; 3 Мб на жестком диске; видеокарта SVGA, 1280x1024 High Color (32 bit); привод CD-ROM Операционная система: Windows ХР/7/8 Программное обеспечение: Adobe Reader Номер государственной регистрации электронного издания __________. © С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015 © Кемеровский государственный университет, 2015 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................... 5 ВОДОРОД .................................................................................................................................. 7 КИСЛОРОД ............................................................................................................................ 22 Р-ЭЛЕМЕНТЫ VII ГРУППЫ ........................................................................................ 40 Р-ЭЛЕМЕНТЫ VI ГРУППЫ ......................................................................................... 80 Р-ЭЛЕМЕНТЫ V ГРУППЫ ......................................................................................... 112 СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ.................................................................................................. 179 БИОГРАФИИ ВЕЛИКИХ ХИМИКОВ .................................................................... 188 ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................... 203 4 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие разработано по дисциплине Неорганическая химия. Химия элементов для направления подготовки Химия и по специальности Фундаментальная и прикладная химия в соответствии с ФГОС ВПО и содержит материал, рассматриваемый на лекциях и необходимый для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторным работам, практическим занятиям, контрольным работам, экзамену, а также для выполнения индивидуальных заданий. В пособии рассматриваются свойства и особенности химии s- элементов и р-элементов, а также приводятся вопросы, задания, задачи для практических занятий. Вопросы и упражнения, подобранные для практических за- нятий, ориентированы не только на механическую проверку зна- ний, но и на размышление и анализ, творческий подход, так как по формулировкам приближены к практике неорганического синтеза и требуют использования теоретических знаний из разных разделов общей химии. Материалы пособия обеспечат формирование в соответствии с требованиями ФГОС ВПО направления подготовки Химия и ФГОС ВПО специальности Фундаментальная и прикладная химия следующих профессиональных компетенций: использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применение методов матема- тического анализа и моделирования, теоретического и экспе- риментального исследования; способен определять и анализировать проблемы, планировать стратегию их решения; понимание сущности и социальной значимости профессии, основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область деятельности понимает роль естественных наук (химии в том числе) в выработке научного мировоззрения; владение основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической); 5 способность применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных; владеет знанием основных этапов и закономерностей развития химической науки, наличием представлений о системе фун- даментальных химических понятий и методологических аспектов химии, форм и методов научного познания, их роли в обще- образовательной профессиональной подготовке химиков; владение методами безопасного обращения с химическими материалами с учетом их физических и химических свойств, способность проводить оценку возможных рисков; обладает способностью определять и анализировать проблемы, планировать стратегию их решения. После усвоения теоретического материала студент будет знать: 1) состав, строение и химические свойства основных простых веществ и химических соединений, связь строения вещества и протекания химических процессов; 2) закономерности изменения физико-химических свойств про- стых и сложных веществ в зависимости от положения состав- ляющих их элементов в Периодической системе. уметь: 1) устанавливать взаимосвязи между строением веществ и их превращениями в неорганических системах для различных эле- ментов Периодической системы, составлять уравнения реакций; 2) использовать принцип периодичности и Периодическую сис- тему для предсказания свойства простых и сложных химических соединений и закономерностей в их изменении; 3) планировать эксперимент по получению и распознаванию важнейших неорганических соединений, с учетом приобретенных знаний о правилах безопасной работы с веществами. владеть: теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе электронного строения их атомов и положения в Периодической системе химических элементов. 6 ВОДОРОД Положение водорода в Периодической таблице Д. И. Менделеева Водород (лат. hydrogenium − рождающий воду), химический элемент с атомным номером 1, атомная масса 1,00794 г/моль. Индивидуальность водорода как химического элемента была доказана в 1766 году Г. Кавендишем. Атом водорода 1Н состоит из одного протона и электрона. Для водорода характерны следующие степени окисления: -1; 0; +1. Примеры соединений водорода с разными степенями окисления приведены в таблице 1. Таблица 1 Степени окисления и примеры соединений водорода Степень Примеры соединений Тип связи окисления -1 NaH, CaH и т.д. Ионная 2 0 Н Ковалентная неполярная 2 +1 Н О, Н О+, ОН-, NH , CH , Ковалентная полярная, 2 3 3 4 кислоты и т.д. водородная 1 Электронная конфигурация атома водорода: 1s подобна электронной конфигурации атомов щелочных металлов. Как и щелочные металлы, водород является восстановителем, проявляет степень окисления +1. Спектры испускания и поглощения атома водорода состоят из небольшого набора линий. Однако, водород нельзя считать электронным аналогом щелочных металлов из-за отсутствия у водорода промежуточного электронного слоя. Значение первого потенциала ионизации атома водорода намного больше значений первых потенциалов ионизации атомов щелочных металлов. Так I (H) = 1312 кДж/моль, а I (Na) = 495,6 кДж/моль. 1 1 Соединения водорода даже с фтором и кислородом ковалентные и не могут быть ионными, из-за исключительно высокого 7 + поляризующего действия ионов Н . По этим же причинам ионы + водорода Н не могут существовать в свободном состоянии при обычных химических явлениях. Специфика строения атома водорода обусловливает особый, присущий только соединениям водорода вид химической связи − водородную связь. Только водород проявляет наибольшее разно- образие химических связей. Атому водорода, как и галогенам, для завершения внешнего слоя не достает одного электрона, чем и обусловлено сущест- - - вование гидрид иона Н . Процесс образования Н из атома экзо- термический (сродство к электрону 72,8 кДж/моль), поэтому для водорода в степени окисления -1 возможны ионные соединения. Водород нельзя считать полным аналогом галогенов, так как водород имеет наполовину заполненный энергетический уровень и значения первых потенциалов ионизации атома водорода и атомов галогенов сильно различаются, так, например, для фтора I (F) = 1 1681 кДж/моль. Таким образом, водород занимает особое поло- жение в периодической таблице Д. И. Менделеева. Нахождение водорода в природе Основная часть находящегося на земле водорода связана в воду. Водород самый легкий из элементов, поэтому его атомы легче других преодолевают гравитационное поле и покидают атмосферу земли. Водород входит в состав звезд и межгалактического газа. На солнце и других звездах водород находится в атомарном состоянии. В межзвездной среде − в виде частично ионизованных двухатомных молекул. По числу атомов в земной коре водород занимает третье место, уступая кислороду и кремнию. Массовая доля водорода в земной -5 коре составляет 0,15 %, в атмосфере − 5,3·10 об. %. Водород − составная часть подавляющего большинства органических соединений, входит в состав природного газа, нефти, в состав ДНК. Содержание водорода в организме среднего человека 7 кг, в том числе: в мышечной ткани − 9,3 %; в костной ткани − 5,2 %. 8 Изотопы водорода Водород образует несколько изотопов. Водород с массовым числом 1 называют легким водородом, или протием, обозначают символом Н. Водород с массовым числом 2 − тяжелым водородом, дейтерием (D). Изотоп с массовым числом 3 − сверхтяжелым водородом, или тритием (Т). Основные характеристики изотопов водорода приведены в таблице 2. Таблица 2 Основные характеристики изотопов водорода Нуклид Атомная масса, Распространение в Период г/моль природе, % полураспада Т 1/2 Протий (Н) 1,007825 99,985 стабилен Дейтерий (D) 2,0140 0,015 стабилен (р+n)e Тритий (Т) 3,01605 0 12,26 (p+2n)e В природе преобладает самый легкий изотоп водорода протий. Только 0,015 % природного водорода приходится на долю дейтерия, в ядро которого помимо протона входит один нейтрон. Протий и дейтерий нерадиоактивны. Масса дейтерия в два раза больше массы протия, поэтому свойства образуемых ими соединений различны, например, температуры кипения и плавления (таблица 3.) Тритий бета-радиоактивен: Эта реакция − главный источник изотопа , найденного в атмосфере. Содержание трития в атмосферном водороде составляет -15 -18 4·10 % (мол. доли) и в атмосферных осадках около 3·10 % (мол. доли). Тритий образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей. Тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: . В реакциях термоядерного синтеза, протекающих при взрыве водородной бомбы, тритий взаимодействует с дейтерием: Тяжѐловодородная вода (далее по тексту тяжелая вода) имеет ту же 9 химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лѐгкого изотопа водорода протия содержит два атома дейтерия. Таблица 3 Физические свойства водорода Свойство H D T 2 2 2 T ,о С -259,2 -254,4 -252,5 пл T ,о С -252,8 -249,5 -248,1 кип Е , кДж/моль (25о С) 435,9 443,4 446,9 дис Внешне тяжѐлая вода выглядит как обычная − бесцветная жидкость без вкуса и запаха. Физико-химические свойства D O: 2 температура кипения тяжелой воды +101,4° С, температура замерзания +3,81° С, ее плотность на 10 процентов больше, чем у 3 обычной воды и равна 1,106 г/см . Молекулы тяжѐлой воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что ученый в 1934 году был удостоен Нобелевской премии по химии. В 1933 году Гилберт Льюис выделил чистую тяжѐлую воду. Ядра дейтерия имеют ядер- ный момент, равный единице, а не ½, как у легкого изотопа, D O 2 не поглощает протоны. Поэтому тяжелую воду используют в ядерной технике в качестве замедлителя быстрых электро- нов, а также  в качестве изотоп- ного индикатора в химии и био- логии. D O токсична в слабой 2 степени, химические реакции в еѐ среде происходят медленнее, чем в обычной воде. Водородные связи с участием дейтерия нес- колько сильнее обычных. Гарольд Юри 1 0