Как называется элементы 8 группы
18 группа (8А подгруппа) — благородные газы (главная группа)
Таблица 1. Некоторые физические и химические свойства металлов 18 группы
Гелий Helium [от греч. helios — солнце]
Неон Neon [от греч. neos — новый]
Аргон Argon [от греч. argos — неактивный]
ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
Криптон Krypton [от греч. Kryptos — скрытый]
Ксенон Xenon [от греч. xenos — незнакомец]
Радон Radon [назван по аналогии с радием]
[Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 6
219*,220,222 Rn (следы)
Гелий (Не) — после водорода второй по распространенности элемент во вселенной. Встречается в атмосфере и в месторождениях природного газа. Химически неактивен. Его используют при водолазных работах в составе дыхательной смеси вместо азота, в аэростатах, в приборах для низкотемпературных исследований. Жидкий Не является важным хладагентом со сверхвысокой теплопроводностью, поэтому его применяют в ЯМР-спектрометрах на сильных полях, в том числе в медицинских магнитно-резонансных томографах (МРТ).
Неон (Ne) — химически инертен по отношению ко всем веществам, кроме F2. Его используют в газоразрядных трубках (красные «неоновые» огни). В последнее время начали применять в качестве хладагента.
Аргон (Аr) — наиболее распространенный в атмосфере благородный газ. Не имеет ни одного парамагнитного изотопа. Его используют для создания инертной атмосферы в флуоресцентных светильниках и фотоумножителях, в высокотемпературной металлургии; широко применяют в спектроскопии для получения высокотемпературной плазмы в высокочастотных (индуктивно-связанных) спектрометрах и масс-спектрометрах.
Криптон (Кr) — реагирует только с F2. 86 Kr имеет в атомном спектре оранжево-красную линию, которая является базовой для стандарта единиц длины: 1 метр равен 1 650 763,73 длины волны этой линии в вакууме. В промышленности криптон используют для наполнения флуоресцентных трубок и ламп-фотовспышек. Из возможных соединений наиболее изучен дифторид KrF2.
Ксенон (Хе) — используется для наполнения электронных трубок и стробоскопических (мигающих) ламп, в научных исследованиях, а также в пузырьковых камерах на атомных реакторах. Реагирует практически только с F2, образуя XeF2, XeF4, XeF6. Эти фториды используют как окислители и реактивы для фторирования других веществ, например, S или Ir. Известны также оксиды, кислоты и соли ксенона.
Радон (Rn) — образуется при α-распаде 226 Ra в виде 222 Rn. Его применяют в медицине, в частности, для лечения онкологических заболеваний. При хроническом воздействии опасен для здоровья, поскольку выявлена связь ингаляций Rn с развитием рака легких.
Таблица 2. Содержание в организме, токсическая (ТД) и летальная дозы (ЛД) металлов 18 группы
Глава 19. ЭЛЕМЕНТЫ VIII ГРУППЫ
Гелий
Не (гелий) – бесцветный, трудносжимаемый газ. Наиболее распространенный после водорода элемент космоса, он состоит из изотопа 4 Не с примесью 3 Не. Накапливание ядер 4 Не во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником солнечной и звездной энергии:
4 1 Н = 4 Не + 2β + + 2ν
На Земле гелий накапливается за счет α-распада радиоактивных элементов, содержится растворенным в минералах, в самородных металлах. Содержание Не в воздухе 5∙10 –4 % (об.).
В промышленности гелий в основном выделяют из природных газов методом фракционной дистилляции при глубоком охлаждении. Газообразный гелий применяется для создания инертной атмосферы при сварке металлов, при консервации пищевых продуктов и др.
По сравнению с другими благородными газами обладает наибольшей энергией ионизации атома. Особая устойчивость электронной структуры атома отличает гелий от всех остальных химических элементов периодической системы.
Неон
Ne (неон) – бесцветный, трудносжимаемый газ. Содержание Ne в воздухе 0,0015% (об.). В природе представлен двумя стабильными изотопами 21 Ne и 23 Ne.
Получают фракционной дистилляцией жидкого воздуха при глубоком охлаждении. Применяется в электровакуумной технике для наполнения стабилизаторов напряжения, фотоэлементов и других приборов. Различные типы неоновых ламп с характерным красным свечением используют в светотехнике и т. п.
Аргон
Ar (аргон) – бесцветный газ. Самый распространенный в природе элемент VIIIА-группы, содержание в воздухе 0,932% (об.). В природе преобладает наиболее тяжелый изотоп 40 Ar (с примесями 36 Ar, 38 Ar). Образуется при захвате электрона ядром нуклида 40 К в литосфере Земли.
Получают фракционной дистилляцией жидкого воздуха при глубоком охлаждении. Применяют для создания инертной атмосферы (аргоно-дуговая сварка алюминиевых и алюмо-магниевых сплавов), в ядерной энергетике (ионизационные счетчики). Различные типы аргоновых ламп с характерным синим свечением используют в светотехнике.
Вследствие высокой энергии ионизации (и большой устойчивости электронной структуры атома) не образует соединения валентного типа. Плохо растворяется в воде, лучше – в органических растворителях. Образует молекулярные соединения включения – клатрат 8Ar∙46Н2О и сольваты Ar∙4C6Н5ОН, Ar∙2L (L = HCl, HBr, H2S, CO2, SO2). Не реагирует со всеми другими веществами (простыми и сложными).
Подгруппа криптона(криптон, ксенон, радон)
Элементы подгруппы криптона характеризуются меньшей энергией ионизации атомов, чем типические элементы VIIIА-группы, поэтому они образуют соединения обычного типа. Так, ксенон проявляет степени окисления +2, +4, +6 и +8 (по характеру соединений напоминает иод).
В ряду Не–Ne–Ar–Kr–Хе–Rn увеличивается поляризуемость молекул, усиливается растворимость в воде и других растворителях, возрастает склонность к адсорбции и устойчивость соединений включения.
Kr (криптон) – бесцветный газ. Содержание в воздухе 1,1∙10 –4 % (об.). Очень плохо растворяется в воде, этаноле. Образует клатрат 8Кr∙46Н2О и сольват 2Кr∙12C6Н5ОН. Не реагирует с кислотами и щелочами. Реагирует с атомным фтором (образуется KrF2) и образует неустойчивые KrF4, KrO3∙Н2О и BaKrO4.
Хе (ксенон) – бесцветный газ. Содержание в воздухе 8∙10 –6 % (об.). Плохо растворяется в воде, лучше – в органических растворителях. Образует сольват 4Хе∙3C6Н5ОН. Не реагирует с кислотами и щелочами. Реакционная способность выше, чем у криптона, реагирует с сильными окислителями.
Rn (радон) – бесцветный газ, радиоактивен. Плохо растворяется в воде, хорошо – в органических растворителях. Образует клатрат 8Rn∙46Н2О. Реакционная способность выше, чем у ксенона. Химические свойства изучены мало из-за высокой радиоактивности. Окисляется при действии окислителей; реагирует со фтором (продукт – твердая смесь фторидов RnFn), жидкими BrF3 и BrF5 (предполагаемый продукт – RnF2), твердым (O2)[SbF6] при 25°С (продукт – RnF[SbF6]).
Криптон и ксенон получают фракционной дистилляцией жидкого воздуха при глубоком охлаждении. Радон образуется в природе при радиоактивном распаде нуклидов 232 Th, 235 U, 238 U, 218 At, 226 Ra.
Криптон применяется в электровакуумной технике, смеси его с ксеноном используются в качестве наполнителей различного рода осветительных ламп и трубок. Радиоактивный радон находит применение в медицине (например, «радоновые ванны»).
Соединения ксенона. Все многообразие соединений ксенона (и ряда других благородных газов) получают, исходя из фторидов – реакционноспособные вещества, функционирующие главным образом в роли энергичных окислителей.
Фториды получают прямым синтезом:
Кроме того, фториды ксенона склонны к диспропорционированию и окислительно-восстановительному гидролизу:
Оксид ХеО3 обладает кислотными свойствами (чрезвычайно взрывчатое соединение), со щелочами образует оксоксенаты (VI):
При диспропорционировании соединений ксенона (VI) или при их окислении энергичными окислителями получают производные – перксенаты или оксоксенаты (VIII):
При взаимодействии перксенатов с безводной серной кислотой получается ХеО4, медленно отщепляющий кислород уже при обычных условиях.
Фториды ксенона склонны к реакциям присоединения, образуя комплексные соединения:
Подгруппа железа(железо, рутений, осмий)
Для железа наиболее характерны степени окисления +2 и +3, известны также производные железа, в которых его степень окисления равна –2, 0, +4, +6 и +8. Наиболее устойчивы соединения Ru (IV) и Os (VIII).
Железо по распространенности в природе находится на четвертом месте после кислорода, кремния и алюминия. Основными формами рудоносных минералов железа являются оксидные и сульфидные соединения: магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3, лимонит Fe2O3∙nH2O), пирротин FeS, пирит FeS2. Изредка встречается самородное железо космического (метеорного) или земного происхождения. Железо содержится в природных водах и гемоглобине. Рутений и осмий сопутствуют платине и палладию в полиметаллических рудах, а также встречаются в виде самородных сплавов с иридием и платиной.
Простые вещества. Fe (железо) – серебристо-белый, мягкий, ковкий металл. При различных температурах существует в трех полиморфных модификациях (α, γ, δ). Медленно окисляется во влажном воздухе (процесс ржавления). Не реагирует с гидратом аммиака; пассивируется в концентрированных серной и азотной кислоте, разбавленных щелочах. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами, неметаллами, монооксидом углерода. Вытесняет благородные металлы из их солей в растворе.
Ru (рутений) – белый с серым оттенком металл, очень твердый, хрупкий, тугоплавкий. Благородный металл; не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака, «царской водкой». Простых катионов не образует. Реагирует с концентрированными кислотами (в присутствии кислорода), сильными окислителями (при спекании), кислородом, галогенами, серой. Поглощает значительное количество Н2.
Os (осмий) – светло-голубой с серым оттенком металл, очень твердый, хрупкий, тугоплавкий; самый тяжелый из металлов. Благородный металл; не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака. На воздухе легко окисляется до высшей степени окисления (+8). Простых катионов в растворе не образует. Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами, сильными окислителями, кислородом, галогенами, серой. Поглощает заметное количество Н2.
Получение и применение. Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2% углерода (частично в виде Fe3C), называются сталями, содержащие 2–4% углерода – чугунами, менее 0,3% углерода – мягкой сталью (мягким железом). На свойства сталей большое влияние оказывает их термическая обработка, вызывающая изменения в соотношении соединений и структуре сплавов. Так, при медленном охлаждении (отпуске) сталь становится мягкой. При быстром же охлаждении (закалка) сталь приобретает большую твердость и некоторую хрупкость. Физико-химические свойства железоуглеродистых сплавов изменяются еще сильнее при добавлении легирующих компонентов (Cr, Mn, Ni, Co, Ti, W, Мо, Сu, Si, В, V, Zr и др.). При этом легирующие элементы вступают во взаимодействие с железом и углеродом и их соединениями с образованием новых металлических и металлоподобных соединений. В результате этого происходит изменение всего комплекса механических и физико-химических свойств стали. Чугун получают при восстановлении руд железа в доменных печах. Восстановление руды суммарно выражается уравнением: Fe2О3 + 3СО = 2Fe + 3СО2. Последующей переработкой чугуна (мартеновским способом, электроплавкой в вакууме и др.) получают сталь и техническое железо. Железо в чистом виде получают электролизом растворов его солей, термическим разложением ряда соединений.
Рутений и осмий (и их сплавы) благодаря высокой твердости и коррозионной устойчивости применяются для изготовления деталей точных измерительных приборов. Они эффективные катализаторы процессов гидрогенизации, синтеза углеводородов с длинными цепями, синтеза аммиака.
Соединения железа (0), рутения (0), осмия (0). Железо и его аналоги способны образовывать комплексные соединения за счет донорно-акцепторного взаимодействия. Наиболее типичным соединением является пентакарбонил железа Fe(CO)5; его получают в виде жидкости при нагреванием порошка железа в струе СО (при 180–220°С) и повышенном давлении: Fe + 5CO = Fe(CO)5.
При нагревании карбонилы разрушаются, что используется для получения чистейших металлов: Fe(CO)5 = Fe + 5CO.
Карбонилы металлов могут окисляться и восстанавливаться частично или полностью, сохраняя координированные молекулы СО.
Fe 0 (CO)5 (в жидком аммиаке) + 2Na = Na2[Fe –2 (CO)4] + СО↑
Для Fe(0), Ru(0) и Os(0) известны также нитрозилы Э(NO)4, нитрозилкарбонилы Э(СО)2(NO)2 и др.
Ион Fe 2+ может окисляться до Fe 3+ молекулярным кислородом, особенно легко в щелочной среде:
2Fe 2+ + ½O2 + 2H + = 2Fe 3+ + H2О
В присутствии влаги постепенно окисляются О2 воздуха твердые FeCО3 и FeS.
Из производных железа (II), рутения (II) и осмия (II) наиболее устойчивы комплексные цианиды типа М4[Э(CN)6]. В аналитической практике широко используется желтая кровяная соль K4[Fe(CN)6] для обнаружения ионов Fe 3+ :
Fe2О3 или Fe(OH)3 проявляют как оснóвные свойства (с кислотами образуются соответствующие соли), так и кислотные, реагируя с горячими концентрированными растворами щелочей с образованием гидроксокопмлексов, например, Na3[Fe(OH)6]. Причем, анионные комплексы Fe (III) устойчивее и легче образуются, чем таковые для Fe (II). Производные железистой кислоты HFeO2 – ферриты – получают при сплавлении щелочей или карбонатов с Fe2О3 или Fe(OH)3:
Соединения Fe (III) проявляют окислительные свойства. По этой причине неустойчивы иодид и цианид железа (III):
Для рутения (III) и осмия (III) известны соединения типа M3[Э(CN)6] и М3[ЭСl6].
Соединения железа (IV), рутения (IV), осмия (IV). Степень окисления +4 обычно проявляют рутений и осмий. Для них известны оксиды, галогениды и многочисленные производные анионных комплексов, например, M2 +1 [ЭСl6], M2 +1 [ЭBr6], М2 +1 [ЭBr3Сl3].
Оксиды и гидроксиды рутения (IV) и осмия (IV) – преимущественно кислотные соединения. Диоксиды ЭО2 в воде не растворяются,но взаимодействуют с галогеноводородными кислотами:
Для железа степень окисления +4 стабилизируется в оксоферратах (IV) типа M2 +2 FeО4.
Оксоферраты (VI) сильные окислители:
Окислительные свойства оксорутенатов (VI) менее выражены, а гидроксооксоосматы (VI) довольно легко окисляются до OsО4:
Соединения типа Н2ЭО4 (железная, рутениевая, осмиевая кислоты) не получены: при действии кислот оксоферраты (VI), оксорутенаты (VI) и гидроксооксоосматы (VI) разлагаются, например:
Соединения железа (VIII), рутения (VIII), осмия (VIII). Для рутения и осмия известны тетраоксиды: RuО4 и OsО4 – летучие, легкоплавкие вещества; ядовиты. Имеются сведения о получении FeО4 – очень неустойчивое летучее соединение.
OsО4 проявляет кислотные свойства при взаимодействии с концентрированными щелочами, фторидами щелочных металлов:
RuО4 – неустойчив, сильный окислитель; в щелочах растворяется, выделяя О2.
Подгруппа кобальта(кобальт, родий, иридий)
Для кобальта наиболее типичны степени окисления +2, +3, а для иридия +3 и +4. Получены также производные родия (IV) и иридия (VI).
Кобальтовые руды встречаются редко, наиболее распространен минерал кобальтин CoAsS. Кобальт содержится в некоторых медных, никелевых, серебряных, железных, марганцевых и полиметаллических рудах, в животных и растительных организмах. Иридий чаще всего встречается в виде сплава с осмием, как и родий, в самородной платине и в медно-никелевых полиметаллических рудах.
Простые вещества. Со (кобальт) – темно-серый или желтовато-серый, твердый, ковкий, пластичный, высокоплавкий металл. При нагревании на воздухе покрывается оксидной пленкой. Пассивируется в концентрированных серной и азотной кислотах. Не реагирует с водой, фтороводородной кислотой, щелочами в растворе, гидратом аммиака, азотом. Реагирует с разбавленными кислотами, щелочами при сплавлении, неметаллами, аммиаком, монооксидом углерода. Заметно поглощает Н2 при комнатной температуре.
Rh (родий) – серебристо-белый металл, твердый, тугоплавкий, высококипящий, трудно поддается обработке. Благородный металл; в компактном виде не реагирует с водой, кислотами, «царской водкой», щелочами, гидратом аммиака. Родиевая чернь (тонкодисперсный родий) реагирует с концентрированной серной кислотой, «царской водкой», хлором в щелочной среде, хлороводородной кислотой (в присутствии кислорода). Реагирует с кислородом, галогенами.
Ir (иридий) – серебристо-белый, очень твердый, хрупкий, весьма тугоплавкий, высококипящий металл. Благородный металл; не реагирует с водой, кислотами, «царской водкой», щелочами, гидратом аммиака. Реагирует с сильными окислителями (при сплавлении), хлороводородной кислотой (в присутствии кислорода), кислородом, галогенами, серой.
Получение и применение. Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, для изготовления постоянных магнитов, режущих инструментов, как легирующая добавка к сталям и для электролитического покрытия металлических деталей. Кроме того, соединения кобальта применяют для изготовления цветных эмалей и красок, в качестве микроудобрений и для подкормки животных. Кобальт получают переработкой полиметаллических руд (восстанавливают углем или водородом Со3О4), электролитическим рафинированием и термическим разложением некоторых его соединений.
Родий и иридий обладают большой коррозионной стойкостью и высокой твердостью; из них изготовляют детали контрольно-измерительных приборов. Родий, обладающий высокой отражательной способностью, используется как покрытие в зеркалах и рефлекторах. Платиново-родиевыесплавы применяются в качестве катализаторов окисления аммиака впроизводстве азотной кислоты.
Соединения кобальта (0), родия (0), иридия (0). Характерными комплексными соединениями кобальта являются карбонилы типа Со2(СО)8, Co4(CO)12, получены также карбонилы родия и иридия состава Э2(СО)8, Э4(CO)12, Э6(СО)16.
При нагревании Со2(СО)8 под давлением водорода образуется гидрокарбонил (карбонилгидрид), это производное кобальта в степени окисления –1.
Соединения кобальта (II). Степень окисления +2 характерна для кобальта.
Оксид кобальта (II) СоО (серо-зеленые кристаллы) образуется при взаимодействии простых веществ или термическим разложением Со(ОН)2, СоСО3. Галогениды СоНаl2 также образуются при взаимодействии простых веществ или обезвоживанием соответствующих кристаллогидратов. Дигалогениды (кроме CoF2) растворимы в воде.
По химической природе Со(ОН)2, как и СоО, – амфотерное соединение, преимущественно проявляющее оснóвные свойства.
Для родия (III) и иридия (III) известны оксиды Э2О3, гидроксиды Э(ОН)3 (точнее Э2О3∙nН2О), галогениды ЭНаl3 и ряд других соединений, в частности, соли типа Э2(SО4)3, Rh(NО3)3. Соединения Ir (III) более или менее легко окисляются, переходя в производные Ir (IV).
Соединения родия (IV) и иридия (IV). Для иридия (IV) известны оксид IrO2 и гидроксид Ir(ОН)4 (точнее, IrO2∙nH20), галогениды IrНаl4, комплексные хлориды типа Na2[IrСl6]. Из соединений Rh (IV) известен гексахлорородиат (IV) цезия Cs2[RhCl6].
Соединения родия (VI) и иридия (VI). Неустойчивые гексафториды RhF6 и IrF6 – сильные окислители, энергично окисляют воду:
В отсутствие воды окисляют свободный хлор и NO:
Подгруппа никеля(никель, палладий, платина)
Для никеля и палладия наиболее характерна степень окисления +2, а для платины +4. Известны также соединения Pd (VI) и Pt (VI).
Никель чаще образует сульфидные медно-никелевые минералы, являющиеся ценным полиметаллическим сырьем. Платина встречается обычно вместе с платиновыми металлами и, как правило, в самородном состоянии, а также в виде примеси в железных, хромовых, никелевых и медных рудах.
Простые вещества. Ni (никель) – белый, относительно твердый, тягучий, поддающийся ковке металл. Менее реакционноспособен, чем железо и никель; во влажном воздухе устойчив. Не реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака, азотом; пассивируется в концентрированной азотной кислоте. Реагирует с разбавленными кислотами, кислородом, галогенами, халькогенами, аммиаком, монооксидом углерода. Переводится в раствор карбонатом аммония. Поглощает заметное количество Н2. При обработке фтором компактный металл покрывается очень устойчивой пленкой NiF2. В электрохимическом ряду напряжений никель расположен до водорода, а палладий и платина – после водорода.
Pd (палладий) – светло-серый, относительно мягкий, ковкий металл. Наименее плотный, самый низкоплавкий и наиболее реакционноспособный из всех платиновых металлов. Благородный металл; не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», галогенами, серой; окисляется при сплавлении с гидросульфатом калия. Поглощает максимальное (среди металлов) количество Н2, причем окклюдированный водород находится в атомарном состоянии; насыщаемый водородом металл легко загорается на воздухе.
Pt (платина) – серовато-белый, относительно мягкий, ковкий, тугоплавкий металл. Занимает последнее место в электрохимическом ряду напряжений (самый электроположительный). Благородный металл; не реагирует с водой, кислотами (за исключением «царской водки»), щелочами, гидратом аммиака, монооксидом углерода. Переводится в водный раствор хлороводородной кислотой, насыщенной Сl2. При нагревании окисляется кислородом, галогенами, серой, при комнатной температуре – тетрафторидом ксенона. Губчатая платина и платиновая чернь активно поглощают значительное количество H2, He, O2.
Получение и применение.Никель получают главным образом из медно-никелевых сульфидных руд. В результате пирометаллургических операций получаемый NiO восстанавливают (чаще углем) до свободного металла и проводят электролитическое рафинирование. Попутно образуется анодный шлам, из которого выделяют присутствующие в нем в качестве примеси платиновые металлы, серебро и золото.
Основная масса выплавляемого никеля (около 80%) используется для получения никелевых сплавов и легированных сталей (нержавеющих, бронебойных, жаростойких и др.). Из никеля изготавливают специальную аппаратуру химических производств и защитные покрытия других металлов.
Палладий и платина используются для изготовления коррозионно-стойких аппаратов и приборов химических производств, для термометров сопротивления; применяются в ювелирном деле. Из платины изготавливают нерастворимые аноды. Палладий и никель – хорошие катализаторы гидрирования, восстановления водородом; платина – катализатор окисления кислородом аммиака (в производстве HNO3), водорода и других процессах каталитического окисления.
Соединения никеля (II), палладия (II), платины (II).Оксиды NiO, PdO, PtO, гидроксиды Ni(OH)2, Pd(OH)2, Pt(OH)2, сульфиды NiS, PdS, PtS в воде не растворяются. В противоположность Pd (II), и в особенности Pt (II), для Ni (II) характерны соли оксокислот.
Соединения никеля (IV), палладия (IV), платины (IV).Степень окисления +4 характерна для платины. Производные Pd (IV) малочисленны, являются окислителями. Еще менее устойчивы и очень редки соединения Ni (IV).
Для платины (IV) известны оксид PtO2, Pt(OH)4, (правильнее PtO2∙nН2О), галогениды PtHal4, сульфид PtS2 и многочисленные производные его катионных, нейтральных и анионных комплексов. В бинарных соединениях Pt (IV) кислотные свойства преобладают над оснóвными.
Для тетрагалогенидов PtHal4 очень характерно взаимодействие с галогеноводородными кислотами и оснóвными галогенидами с образованием комплексов:
Соединения палладия (VI), платины (VI).Получены неустойчивые гексафториды PtF6 (сжиганием платины во фторе) и PdF6; последний легко разлагается.