Читать онлайн «Шпаргалка по неорганической химии». Страница 17

В водных растворах образуются комплексы преимущественно с кислотосодержащими лигандами, имеющие в своем составе ион Са2+. На основе этих комплексов основано действие умягчителей воды – полифосфатов натрия. Ион Са2+в неводных растворах образует комплексы с молекулами растворителя.

Получение. Промышленное получение кальция состоит в алюмотермическом восстановлении оксида кальция и электролизе расплава хлорида кальция (75–85 %) и хлорида калия. Безводный хлорид кальция получают путем хлорирования его оксида в присутствии угля или обезвоживая кристаллогидрат хлорида кальция. По мере выделения кальция в расплаве в него добавляют хлорид кальция. Электролиз проводят, используя графитовый анод и в качестве катода – жидкий расплав кальция (62–65 %) и меди.

Применение. Кальций используют при ме-таллотермическом получении U, Th, Ti, Z r, Cs, Rb и некоторых лантаноидов, для удаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сплавов, обезвоживания органических жидкостей, очистки Аr от примеси N2. Используются и соединения кальция, например, в качестве вяжущих материалов.

Оксид кальция (СаO) – негашеная или жженая известь – белое огнестойкое вещество, образованное кристаллами. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной кристаллической решетке. Температура плавления – 2627 °C, температура кипения – 2850 °C.

Называется жженой известью из-за способа его получения – обжигание карбоната кальция. Обжиг производят в высоких шахтных печах. В печь закладывают слоями известняк и топливо, а затем разжигают снизу. При накаливании происходит разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция:

Так как концентрации веществ в твердых фазах неизменны, то константу равновесия этого уравнения можно выразить так: K = [CO2].

При этом концентрация газа может быть выражена с помощью его парциального давления, то есть равновесие в системе устанавливается при определенном давлении диоксида углерода.

Давление диссоциации вещества – равновесное парциальное давление газа, получающееся при диссоциации вещества.

Чтобы спровоцировать образование новой порции кальция, необходимо повысить температуру или удалить часть получившегося CO2, при этом уменьшится парциальное давление. Поддерживая постоянное более низкое парциальное давление, чем давление диссоциации, можно добиться непрерывного процесса получения кальция. Для этого при обжигании извести в печах делают хорошую вентиляцию.

Получение:

1) при взаимодействии простых веществ: 2Ca + O2 = 2CaO;

2) при термическом разложении гидроксида и солей: 2Ca(NO3)2 = 2CaO + 4NO2? + O2?.

Химические свойства:

1) взаимодействует с водой: СаO + H2O = Са(OH)2;

2) реагирует с оксидами неметаллов: СаO + SO2 = CaSO3;

3) растворяется в кислотах, образуя соли: CaO + 2HCl = CaCl2 +H2O.

Гидроксид кальция (Ca(OH)2 – гашеная известь, пушонка) – белое кристаллическое вещество, кристаллизуется в гексагональной кристаллической решетке. Является сильным основанием, плохо растворимым вводе.

Известковая вода – насыщенный раствор гидроксида кальция, имеющий щелочную реакцию. На воздухе мутнеет в результате поглощения углекислого газа, образуя карбонат кальция.

Получение:

1) образуется при растворении кальция и оксида кальция вводе: CaO + H2O = Са(OH)2 + 16 ккал;

2) при взаимодействии солей кальция со щелочами: Ca(NO3)2 + 2NaOH = Ca(OH)2 + 2NaNO3.

Химические свойства:

1) при нагревании до 580 °C разлагается: Са(OH)2 = СаO + H2O;

2) реагирует с кислотами: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O.

Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой. Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой. В жесткой воде мыло плохо пенится, поскольку соли кальция и магния образуют с ним нерастворимые соединения. В ней плохо развариваются пищевые продукты. При кипячении на стенках паровых котлов образуется накипь, которая плохо проводит теп-лоту, вызывает увеличение расхода топлива и изнашивание стенок котла. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов (крашение). Образование накипи: Са + 2НСО3 = Н2О + СО2 + СаСО3?.

Перечисленные выше факторы указывают на необходимость удаления из воды солей кальция и магния. Процесс удаления этих солей называется водоумягчением, является одной из фаз обработки воды (водоподготовки).

Водоподготовка – обработка воды, используемая для различных бытовых и технологических процессов.

Жесткость воды подразделяется на:

1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения;

2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью.

Верна формула: Общая жесткость = Карбонатная жесткость + Некарбонатная жесткость.

Общую жесткость ликвидируют добавлением химических веществ или при помощи катиони-тов. Для полного устранения жесткости воду иной раз перегоняют.

При применении химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты:

Более модернизированный процесс устранения жесткости воды – при помощи катионитов.

Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na2R, где R – сложный кислотный остаток.

При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR.

Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl.

Внешняя электронная конфигурация у всех элементов подгруппы – s2p1. Характерным свойством подгруппы IIIA является полное отсутствие металлических свойств у бора и типичные металлические свойства у таллия. Элементы, стоящие между ними в подгруппе, проявляют промежуточные свойства.

Получение. Наиболее важным является алюминий. Проявляет характерные свойства металла – отражательная способность, проводимость, прочность, деформируемость. Алюминий образует ион в степени окисления +3, гидроксид проявляет свойства кислоты и основания (амфотерность). Алюминий получают из природного минерала боксита (Al2O3), подвергаемого обогащению или очистке. Полученный оксид добавляют к расплаву криолита Na3AlF6 в электролизной стальной ванне (катод), футерованной графитом. Анод-стержни из углерода. По этой технологии (процесс Холла—Эру) получают алюминий чистотой 98 %. Дальнейшую очистку проводят электролизом методом Хупса.

Бор в виде аморфного коричневатого порошка получают восстановлением B2O3 активным металлом (щелочным или магнием). При получении загрязняется примесями боридов, например Mg3B2. Более чистый бор получают восстановлением из BBr3. Другие элементы этой подгруппы получают восстановлением их из оксидов.

Химические свойства:

1) элементы подгруппы IIIA образуют оксиды и гидроксиды со степенью окисления III. Свойства их в ряду от алюминия до таллия изменяются от кислотных к основным;

2) галогениды всех элементов этой подгруппы имеют состав MеX3, а таллий, кроме того, образует TlCl, во многом сходный с AgCl;

3) элементы и их соединения взаимодействуют с водой;

4) гидроксиды элементов подгруппы IIIA все, кроме таллия, взаимодействуют со щелочами.

Применение. Бор используют как добавку к цветным сплавам и стали, как противокоррозийное средство, получают из него буру, используемую в производстве глазури, эмали, стекла, сварке, паянии, как удобрение.

Галогениды элементов подгруппы IIIA применяются в отраслях промышленности и в лабораторных исследованиях. На основе алюминия производят множество сплавов. Применяют при изготовлении химической аппаратуры, проводов, конденсаторов, для алитирования, для получения искусственных рубинов, сапфиров и наждака.

Галлий используют для наполнения кварцевых термометров, добавляют к алюминию для получения сплавов, поддающихся горячей обработке. Индий используют для покрытия рефлекторов, вкладышей подшипников и для изготовления плавких предохранителей. Таллий используется в оптических приборах, работающих в оптической области спектра, в фотоэлементах.