Железо: строение атома, схема и примеры. Электронное строение атома железа. Значение для растений и животных. Примеры решения задач

Электронные конфигурации атомов

Общее число электронов в атоме определяется зарядом его ядра, т. е. протонным числом. Оно равно атомному номеру элемента. Электроны в зависимости от их энергии распределяются в атоме по энергетическим уровням и подуровням, каждый из которых состоит из определенного числа орбиталей.

Распределение электронов выражается с помощью электронных формул (или электронных конфигураций) атома. Например, у водорода, элемента с атомным номером 1, электронная формула: 1Н 1s1. В этой формуле цифрой записывается номер энергетического уровня, затем следует буква, обозначающая тип подуровня, и, наконец, цифра вверху справа указывает число электронов на этом подуровне.

Схематически электронное строение атома изображается с помощью электронно-графической схемы, в которой орбитали представляются в виде клеток, а электроны - в виде стрелок.

Электронно-графическая схема атома водорода записывается так:

Для правильного изображения электронных формул необходимо соблюдать несколько основных правил.

1-е правило: Распределение электронов в атоме, находящемся в основном (наиболее устойчивом) состоянии, определяется принципом минимума энергии: основному состоянию атома соответствуют наиболее низкие из возможных энергетические уровни и подуровни.

Поэтому электроны (у атомов элементов первых трех периодов) заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии:

1s→2s→2p→3s→3p

2-е правило: На каждой орбитали максимально может находиться не более двух электронов, причем с противоположными спинами.

Таким образом, у следующего за водородом гелия 2Не электронная формула:

2Не 1s2 ,

Поскольку на первом электронном слое могут находиться только два электрона, то этот слой в атоме гелия является завершенным и, следовательно, очень устойчивым.

У атомов элементов второго периода заполняется второй энергетический уровень, на котором может находиться не более 8 электронов. Сначала электроны заполняют 2s-орбиталь (у атомов лития и бериллия):

Поскольку 2s-орбиталь заполнена, то пятый электрон у атома бора В занимает одну из трех 2p-орбиталей. Электронная формула атома бора:

а электронно-графическая схема:

Обратите внимание, что подуровень 2p изображен вплотную к подуровню 2s, но несколько выше. Так подчеркивается его принадлежность к одному и тому же уровню (второму) и одновременно больший запас энергии.

3-е правило. Устанавливает порядок заполнения орбиталей одного подуровня. Электроны одного подуровня сначала заполняют орбитали по одному (т. е. все пустые), а если число электронов больше, чем число орбиталей, то по два. Следовательно, электронные формулы атомов углерода и азота:

6C 1s22s22p2 и 7N 1s22s22p3

а электронно-графические схемы:

У атомов кислорода, фтора и неона число электронов увеличивается, и они вынуждены размещаться на р-орбиталях второго энергетического уровня по два:

6O 1s22s22p4; 6F 1s22s22p5; 6Ne 1s22s22p6

Электронно-графические схемы атомов этих элементов:

Электронная конфигурация внешнего слоя 2s22p6 соответствует его полному заполнению и поэтому является устойчивой.

В атомах элементов третьего периода начинает формироваться третий электронный слой. Сначала заполняется электронами s-подуровень у натрия и магния:

11Na 1s22s22p63s1 12Mg 1s22s22p63s2

а затем р-подуровень у алюминия, кремния, хлора и аргона:

18Ar 1s22s22p63s23p6

Электронно-графическая схема для атома аргона:

В атоме аргона на внешнем электронном слое находится 8 электронов. Следовательно, он завершен, так как в атоме любого элемента на внешнем энергетическом уровне максимально может находиться не более 8 электронов.

Застраивание третьего электронного слоя этим не исчерпывается. В соответствии с формулой 2n2 на нем может находиться 18 электронов: 8 на s- и р-подуровнях и 10 - на d-подуровне. Этот подуровень будет формироваться у элементов четвертого периода. Но сначала у первых двух элементов четвертого периода - калия и кальция - появляется четвертый электронный слой, который открывается s-подуровнем (энергия подуровня 4s несколько меньше, чем подуровня 3d:

19K 1s22s22p63s23p64s1 и 19Са 1s22s22p63s23p64s2

Только после этого начнет заполняться электронами d-подуровень третьего, теперь уже предвнешнего, энергетического уровня. Электронная конфигурация атома скандия:

21Sc 1s22s22p63s23p64s23d1,

атома титана:

21Ti 1s22s22p63s23p64s23d2,

и т. д., вплоть до цинка. Электронная конфигурация его атома:

21Zn 1s22s22p63s23p64s23d10,

а электронно-графическая схема:

Поскольку у элементов четвертого периода заполняются электронами только орбитали третьего и четвертого энергетических уровней, то на электронно-графических схемах обычно не указывают полностью заполненные уровни (в данном случае первый и второй). Вместо них в электронных формулах пишут символ ближайшего элемента VIII A-группы с полностью заполненными энергетическими s- и р-подуровнями: например, электронная формула хлора - 3s23p5, цинка - 3d104s2, а сурьмы - 51Sb -4d105s25p3

Кроме электронных формул и электронно-графических схем, иногда используют и электронные схемы атомов, в которых указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне (электронном слое):

Электронное строение атома определяется зарядом его ядра, который равен атомному номеру элемента в периодической системе.

Распределение электронов по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям отображают с помощью электронных формул и электронно-графических схем, а также электронных схем атомов.

На внешнем электронном слое в атоме любого элемента может находиться не более 8 электронов. 3.2. Типы химических связей

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредствомобменного механизма , когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или подонорно-акцепторному механизму , если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 3.2).

Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H–H, F–F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200–2000 кДж∙моль –1 .

При образовании гетероатомной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, что делает такую связь полярной. Ионность полярной связи в процентах вычисляется по эмпирическому соотношению 16(χ A – χ B) + 3,5(χ A – χ B) 2 , где χ A и χ B – электроотрицательности атомов А и В молекулы АВ. Кромеполяризуемости ковалентная связь обладает свойствомнасыщаемости – способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. О третьем свойстве ковалентной связи –направленности – речь пойдет ниже (см.метод валентных связей ).

Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент ~3∙10 –29 Кл∙м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na 0,8+ Cl 0,8– .

Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Водородная связь . Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль –1 . Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).

Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей (рис. 3.4).

Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H 2 O, H 2 F 2 , NH 3 . За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H 2 Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100 °С, а кипела при –80 °С.

Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь – наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлендисперсионными силами (индуцированный диполь – индуцированный диполь),индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) иориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж∙моль –1 .

Химическая связь в твердых телах. Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.

Твердые аргон и метан образуют атомные и молекулярные кристаллы соответственно. Поскольку силы между атомами и молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы.

Температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных, поскольку электростатические силы, действующие между ионами, намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы. Ионные соединения более твердые и хрупкие. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Ионные кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaCl t пл. = 801 °C, а для NaNO 3 t пл = 306,5 °C.

В ковалентных кристаллах решетка построена из атомов, соединенных ковалентной связью, поэтому эти кристаллы обладают высокими твердостью, температурой плавления и низкими тепло- и электропроводностью.

Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются металлическими. В узлах таких решеток находятся положительные ионы металлов, в межузлиях – валентные электроны (электронный газ).

Наибольшую температуру плавления из металлов имеют d-элементы, что объясняется наличием в кристаллах этих элементов ковалентной связи, образованной неспаренными d-электронами, помимо металлической, образованнной s-электронами.

Метод валентных связей (МВС) иначе называют теорией локализованных электронных пар, поскольку в основе метода лежит предположение, что химическая связь между двумя атомами осуществляется с помощью одной или нескольких электронных пар, которые локализованы преимущественно между ними. В отличие от ММО, в котором простейшая химическая связь может быть как двух-, так и многоцентровой, в МВС она всегда двухэлектронная и обязательно двухцентровая. Число элементарных химических связей, которые способен образовывать атом или ион, равно его валентности. Так же, как и в ММО, в образовании химической связи принимают участие валентные электроны. Волновая функция, описывающая состояние электронов, образующих связь, называется локализованной орбиталью (ЛО).

Отметим, что электроны, описываемые ЛО, в соответствии с принципом Паули должны иметь противоположно направленные спины, то есть в МВС все спины спарены, и все молекулы должны быть диамагнитны. Следовательно, МВС принципиально не может объяснить магнитные свойства молекул.

Тем не менее, принцип локализованных связей имеет ряд важных преимуществ, одно из которых – его чрезвычайная наглядность. МВС достаточно хорошо, например, предсказывает валентные возможности атомов и геометрию образующейся молекулы. Последнее обстоятельство связано с так называемой гибридизацией АО. Она была введена для объяснения того факта, что двухэлектронные двухцентровые химические связи, образованные за счет АО в разных энергетических состояниях, имеют одинаковую энергию. Так, Be*(2s 1 1p 1), B*(2s 1 2p 2), C*(2s 1 2p 3) образуют за счет s- и p-орбиталей соответственно две, три и четыре связи, а потому одна из них должна быть прочнее других. Однако опыт показывает, что в BeH 2 , BCl 3 , CH 4 все связи равноценны. У BeH 2 угол связи равен 180°, у BCl 3 – 120°, а у CH 4 – 109°28".

Согласно представлению о гибридизации, химические связи образуются смешанными – гибридными орбиталями (ГО), которые представляют собой линейную комбинацию АО данного атома (s- и p-АО Be, B, C), обладают одинаковыми энергией и формой, определенной ориентацией в пространстве (симметрией). Так s- и p-орбитали дают две sp-ГО, расположенные под углом 180° друг относительно друга.

В молекуле CH 4 гибридные орбитали из четырех АО углерода (одной s и трех p), называются sp 3 -орбиталями, они полностью эквивалентны энергетически и пространственно направлены к вершинам тетраэдра.

Таким образом, когда один атом образует несколько связей, а его валентные электроны принадлежат разным орбиталям (s и p; s, p и d), для объяснения геометрии молекул в МВС необходимо привлекать теорию гибридизации атомных орбиталей. Основные положения теории следующие:

Введение гибридных орбиталей служит для описания направленных локализованных связей. Гибридные орбитали обеспечивают максимальное перекрывание АО в направлении локализованных σ-связей.

Число гибридных орбиталей равно числу АО, участвующих в гибридизации.

Гибридизуются близкие по энергии валентные АО независимо от того, заполнены они в атоме полностью, наполовину или пусты.

В гибридизации участвуют АО, имеющие общие признаки симметрии.

Согласно табл. 3.3 гибридные орбитали дают молекулы с углами 180°, 120°, 109°28", 90°. Это правильные геометрические фигуры. Такие молекулы образуются, когда все периферические атомы в многоэлектронной молекуле (или ионе) одинаковы и их число совпадает с числом гибридных орбиталей. Однако, если число гибридных орбиталей больше числа связанных атомов, то часть гибридных орбиталей заселена электронными парами, не участвующими в образовании связи, – несвязывающими илинеподеленными электронными парами.

H–Be–H, HC≡CH

H 2 C=CH 2 , C 6 H 6 , BCl 3

тетраэдрическая

CH 4 , CCl 4 , H 3 C–CH 3

d 2 sp 3 или sp 3 d 2

В качестве примера рассмотрим молекулы NH 3 и H 2 O. Атомы азота и кислорода склонны к sp 3 -гибридизации. У азота на sp 3 -ГО, поимо трех связывающих пар электронов, образующих связь с тремя атомами водорода, остается одна несвязывающая пара. Именно она, занимая одну sp 3 -ГО, искажает угол связи H–N–H до 107,3°. В молекуле H 2 O таких несвязывающих пар две, и угол H–O–H равен 104,5° (рис. 3.17).

Электроны связывающих и несвязывающих пар по-разному взаимодействуют между собой. Чем сильнее межэлектронное отталкивание, тем больше условная поверхность на сфере, занимаемый электронной парой. Для качественного объяснения экспериментальных фактов обычно считается, что несвязывающие пары занимают больший объем, чем связывающие, а объем связывающих пар тем меньше, чем больше электроотрицательности периферийных атомов (методГиллеспи ).

Физические свойства металлов.

Плотность. Это - одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. по плотности металлы делятся на следующие группы:

легкие (плотность не более 5 г/см 3) - магний, алюминий, титан и др.:

тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);

очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др.

В таблице 2 приведен значения плотности металлов. (Это и последующие таблицы характеризуют свойства тех металлов, которые составляют основу сплавов для художественного литья).

Таблица 2. Плотность металла.

Температура плавления. В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы:

легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) - цинк, олово, свинец, висмут и др.;

среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;

тугоплавкие (более 1600 o С) - вольфрам, молибден, титан, хром и др.

Ртуть относится к жидкостям.

При изготовлении художественных отливок температура плавления металла или сплава определяет выбор плавильного агрегата и огнеупорного формовочного материала. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.

Таблица 3. Температура плавления и кипения металлов.

Металл	Температура, oС		Металл	Температура, oС
	плавления	кипения		плавления	кипения
Алюминий

Удельная теплоемкость. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Зависимость удельной теплоемкости элемента в твердом состоянии от атомной массы описывается приближенно законом Дюлонга и Пти:

m a c m = 6.

где, m a - атомная масса;c m - удельная теплоемкость (Дж/кг * o С).

В таблице 4 приведены значения удельной теплоемкости некоторых металлов.

Таблица 4. Удельная теплоемкость металлов.

Металл	Температура, o С	o С	Металл	Температура, o С	Удельная теплоемкость, Дж/кг * o С
Алюминий

Скрытая теплота плавления металлов. Это характеристика (таблица 5) наряду с удельной теплоемкости металлов в значительной степени определяет необходимую мощность плавильного агрегата. Для расплавления легкоплавкого металла иногда требуется больше тепловой энергии, чем для тугоплавкого. Например, для нагревания меди от 20 до 1133 o С потребуется в полтора раза меньше тепловой энергии, чем для нагревания такого же количества алюминия от 20 до 710 o C.

(А l ), галлий (Ga ), индий (In ) и таллий (Т l ).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы

В	Al	Ga	In	Tl
1806 г.	1825 г.	1875 г.	1863 г.	1861 г.
Г.Люссак,	Г.Х.Эрстед	Л. де Буабодран	Ф.Рейх,	У.Крукс
Л. Тенар	(Дания)	(Франция)	И.Рихтер	(Англия)
(Франция)			(Германия)

Бор представляет собой неметалл. Алюминий - переход­ный металл, а галлий, индий и таллий - полноценные метал­лы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свой­ства простых веществ усиливаются.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar (Al ) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13) 2) 8) 3 , p – элемент,

Основное состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
Возбуждённое состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде - се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)

· Нефелины - KNa 3 4

· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)

· Корунд - Al 2 O 3

· Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O

· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2

Боксит
Al 2 O 3	Корунд
	Рубин
	Сапфир

4. Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изученияхимических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

I . Взаимодействие с простыми веществами

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),

2А l + N 2 = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l 4 С 3 (карбид алюминия).

2 Аl +3 I 2 =2 A l I 3 (йодид алюминия) ОПЫТ

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S­

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ­

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О 3 + 1676 кДж.

ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ

ОПЫТ

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2

без оксидной пленки

ОПЫТ

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов . Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

3 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q

Термитная смесь Fe 3 O 4 иAl (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

С r 2 О 3 + 2А l = 2С r + А l 2 О 3

Взаимодействие с кислотами :

С раствором серной кислоты:2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2А l + 6Н 2 S О 4(конц) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,

А l + 6Н NO 3(конц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O =2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2

ОПЫТ

Na [А l (ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

С растворами солей:

2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуяамальгаму .

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминияявляется авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты . Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражениятепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильногидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na 3 AlF 6 растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

2Al 2 O 3 эл.ток →4Al + 3O 2

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2

ЭТО ИНТЕРЕСНО:

• Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
• В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
• К 1855 году французский ученыйСен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством НаполеонаIII, императораФранции. В знаксвоей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
• А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
• При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 - Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

Тренажёр №2 - Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами

Тренажёр №3 - Химические свойства алюминия

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

№2. Закончите уравнения химических реакций :
Al + H 2 SO 4 (раствор ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц ) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

№3. Осуществите превращения:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t ->Al 2 O 3 -> Al

№4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al . На внешнем электронном слое у атома алюминия находится 3 электрона. В химических реакциях он выступает в качестве восстановителя. Характерная степень окисления алюминия +3, заряд иона - 3+.

Рис. 1. Графическая схема атома алюминия

Алюминий относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Наиболее распространены алюмосиликаты и бокситы. Оксид алюминия входит в состав ряда самоцветов (рубин, сапфир).

Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Температура плавления алюминия 660°С.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Алюминий - активный металл. Но при нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии. Однако при разрушении оксидной плёнки алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

С кислородом:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

С галогенами:

2Al + 3Br2 = 2AlBr3

С другими неметаллами реагирует при нагревании:

а) с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3

б) с азотом, образуя нитрид алюминия:

в) с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al4С3

Алюминий реагирует со сложными веществами:

С водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2

При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2+ 3H2O

Восстанавливает металлы из их оксидов (этот метод получения простых веществ металлов называется алюминотермией):

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, т.е. взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами.

Гидроксид алюминия разлагается при нагревании, в результате чего образуются оксид алюминия и вода:

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O

Железа, а также его расположение в таблице Менделеева. Выявим основные физические и химические свойства данного элемента, области использования.

Положение в ПС

Железо является д-элементом 8 группы (побочной подгруппы). Имеет 26 порядковый номер, относительную атомную массу - 56, в его атоме содержится 26 протонов, 26 электронов, а также 30 нейтронов. Данный металл имеет среднюю химическую активность, проявляет восстановительные свойства. Характерные степени окисления: +2, +3.

Особенности строения атома

Что собой представляет электронная железа? Если рассматривать распределение электронов по энергетическим уровням, получим следующий вариант:

2е; 8е; 14 е; 2е. Такое строение электронной оболочки атома железа свидетельствует о его расположении в побочной подгруппе, подтверждает принадлежность к д-семейству элементов.

Нахождение в природе

Железо является одним из наиболее распространенных в природе химических элементов. В земной коре его процентное содержание составляет около 5,1%. В большем количестве в недрах нашей планеты присутствует только три элемента: кремний, алюминий, кислород.

Железные руды встречаются в разных регионах Земли. Алхимиками были обнаружены соединения данного металла в почвах. При производстве железа выбирают руды, в которых его содержание превышает 30 процентов.

В магнитном железняке содержится около семидесяти двух процентов металла. Основные месторождения магнетита располагаются в Курской магнитной аномалии, а также на Южном Урале. В кровавике процентное количество железа достигает 65 процентов. Гематит был обнаружен в Криворожском районе.

Значение для растений и животных

Какую роль в живых организмах выполняет железо? Строение атома поясняет его восстановительные свойства. Данный химический элемент входит в состав гемоглобина, придавая ему характерную красную окраску. Около трех граммов чистого железа, большая часть которого включена в гемоглобин, обнаружена в организме взрослого человека. Основным предназначением является перенос к тканям из легких активного кислорода, а также вывод образующегося углекислого газа.

Необходим этот металл и растениям. Входя в состав цитоплазмы, он принимает активное участие в процессах фотосинтеза. Если в растении недостаточно железа, его листья имеют белую окраску. При минимальных подкормках солями железа листья растений приобретают зеленый цвет.

Физические свойства

Мы рассмотрели строение атома железа. Схема подтверждает наличие у данного элемента металлического блеска (есть валентные электроны). У серебристо-белого металла довольно высокая температура плавления (1539 градусов по Цельсию). Благодаря хорошей пластичности данный металл легко поддается прокатке, штамповке, ковке.

Способность к намагничиванию и размагничиванию, характерная для железа, сделала его отличным материалом для производства сердечников мощных электромагнитов в разных аппаратах и электрических машинах.

Насколько активно железо? Строение атома показывает наличие на внешнем уровне двух электронов, которые будут отданы в ходе химической реакции. Для увеличения его твердости и прочности осуществляют дополнительную прокатку и закалку металла. Такие процессы не сопровождаются изменением строения атома.

Разновидности железа

Электронное строение атома железа, схема которого была рассмотрена выше, объясняет его химические характеристики. В технически чистом металле, являющемся низкоуглеродистой сталью, основным компонентом является железо. В качестве примесей выявлено около 0,04 процента углерода, также присутствуют фосфор, азот, сера.

Химически чистое железо по своим внешним параметрам аналогично платине. Оно обладает повышенной стойкостью к процессам коррозии, устойчиво к действию кислот. При малейшем введении примесей в чистый металл его уникальные характеристики исчезают.

Варианты получения

Строение атомов алюминия и железа свидетельствуют о принадлежности амфотерного алюминия к главной подгруппе, возможности использования его в процессе выделения железа из его оксидов. Алюмотермия, осуществляемая при повышенной температуре, позволяет выделять чистый металл из природных руд. Кроме алюминия в качестве сильных восстановителей выбирают углерода (2), уголь.

Особенности химических свойств

Какие химические свойства имеет железо? Строение атома поясняет его восстановительную активность. Для железа характерно образование двух рядов соединений, имеющих степени окисления +2, +3.

Во влажном воздухе происходит процесс ржавления (коррозии) металла, в результате образуется гидроксид железа (3). С кислородом нагретая железная проволока реагирует с появлением черного порошка оксида железа (2,3), называемого железной окалиной.

При высокой температуре металл способен взаимодействовать с парами воды, образуя при этом смешанный оксид. Процесс сопровождается выделением водорода.

Реакция с неметаллами происходит только при предварительном нагревании исходных компонентов.

Железо можно растворить в разбавленной серной или соляной кислотах без предварительного подогрева смеси. Концентрированные серная и соляная кислоты пассивируют этот металл.

Какими еще химическими свойствами обладает железо? Строение атома данного элемента свидетельствует о его средней активности. Это подтверждается расположением железа до водорода (Н2) в ряду напряжений. Следовательно, оно может вытеснять из солей все металлы, располагающиеся правее в ряду Бекетова. Так, в реакции с хлоридом меди (2), осуществляемой при нагревании, происходит выделение чистой меди и получение раствора хлорида железа (2).

Области применения

Основную часть всего железа используют в производстве чугуна и стали. В чугуне процентное содержание углерода составляет 3-4 процента, в стали - не больше 1,4 процентов. Этот неметалл выполняет функцию элемента, повышающего прочность соединения. Кроме того, он позитивно воздействует на коррозионные свойства сплавов, повышает устойчивость материала к повышенной температуре.

Добавки ванадия необходимы для повышения механической прочности стали. Хром увеличивает стойкость к действию агрессивных химических веществ.

Ферромагнитные свойства этого химического элемента сделали его востребованным в промышленных установках, включающих в состав электромагниты. Кроме того, железо нашло свое использование и в сувенирной промышленности. На его основе изготавливают различные сувениры, например красочные магнитики на холодильник.

Прочность и ковкость позволяют применять металл для создания брони, различных видов оружия.

Хлорид железа (3) применяют для очистки воды от примесей. В медицине 26 элемент применяют при лечении такого заболевания, как анемия. В случае недостатка красных кровяных телец возникает быстрая утомляемость, кожа приобретает неестественный бледный цвет. Препараты железа помогают устранять подобную проблему, возвращать организм к полноценной деятельности. Особое значение железо имеет для деятельности щитовидной железы, печени. Чтобы в организме человека не возникало серьезных проблем, достаточно употреблять в день около 20 мг этого металла.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий расположен в третьем периоде, III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы. Это первый p-элемент 3-го периода.

Металл. Обозначение - Al. Порядковый номер - 13. Относительная атомная масса - 26,981 а.е.м.

Электронное строение атома алюминия

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

13Al) 2) 8) 3 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Однако распаривания электронов 3s -подуровня на деле не происходит.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1