Теоретические сведения. III группа: скандий, иттрий, лантан и актиний, а также два семейства сходных элементов - лантаноиды и актиноиды

III группа: скандий, иттрий, лантан и актиний, а также два семейства сходных элементов - лантаноиды и актиноиды.

Общая формула: (n-1)d¹ns²

Проявляют в соединениях постоянную валентность, равную 3, степень окисления - +3. Отдавая три электрона, превращаются в ионы, которые имеют электронную конфигурацию атомов инертных газов.

Из этих элементов в чистом виде получен только лантан – белый металл, активный, взаимодействует с водой: 2La + H₂O = La₂O₃ + 3H₂

При нагревании лантан взаимодействует с металлоидами.

Свойства скандия и иттрия близки к свойствам лантана. Оксиды этих элементов соединяются с водой, образуя не растворимые в воде гидроксиды, проявляющие основной характер:

Sc₂O₃ Sc(OH)₃

Y₂O₃ + H₂O → Y(OH)₃ + HAn → соли

La₂O₃ La(OH)₃

Практическое значение имеет только оксид лантана, который применяют для приготовления глазурей и оптических стекол.

Лантаноиды – 14 элементов, сходных по химическим и физическим свойствам. Это f-элементы (заполняется 4f подуровень). Сходство свойств обусловлено со строением двух наружных электронных слоев, которые одинаковы у всех лантаноидов.

В природе встречаются всегда вместе друг с другом, а также с лантаном и иттрием. Важнейший источник их получения – минерал моноацит, содержащий фосфаты лантаноидов, лантана и иттрия.

Ввиду сходства их трудно отделить. При переработке получают «смешанный металл», состоящий из лантана и церия с примесью других лантаноидов. При трении он искрит.

Лантаноиды – металлы темно-серого цвета, кроме празеодима и неодима, имеющие желтоватый цвет. У них небольшой удельный вес, низкая температура воспламенения (165-279 ⁰С). Церий самопроизвольно воспламеняется на воздухе и горит ослепительно ярким сетом. На воздухе быстро тускнеют, т.к. очень активны и легко взаимодействуют с кислородом, образуя оксидную пленку.

Церий и неодим применяют в качестве добавки при производстве магниевых и алюминиевых сплавов (для авиации). Добавка лантаноидов к хромоникелевой стали увеличивает срок ее службы при высоких температурах. Гадолиний и европий используется в ядерных реакторах.

Лантаноиды трех валентны. Энергично взаимодействуют с металлоидами. Их оксиды взаимодействуют с водой, образуя не растворимые в воде гидроксиды основного характера. С возрастанием порядкового номера лантаноидов наблюдается ослабление основного характера их гидроксидов.

Актиноиды – 14 элементов сходных по химическим и физическим свойствам. Это f-элементы (заполняется 5f подуровень). Электроны 5f подуровня слабее удерживаются ядром и часто они играют роль валентных электронов. Поэтому все актиноиды проявляют переменную валентность. С увеличением порядкового номера актиноидов их наиболее характерная валентность сначала увеличивается от 4 до 6, а затем уменьшается до 3.

Th торий	Рa протактиний	U уран	Np нептуний	Pu плутоний	Am, америций	Cm кюрий
IV	V	VI	V, IV	III, IV	III	III

Все актиноиды – радиоактивные металлы.

Торий, протактиний и уран получают из природных руд, трансурановые элементы – искусственным путем. Используют для ядерной энергетики.

Содержание тория и урана в земной коре составляет 8·10^-4, 3·10^-4% соответственно. Это рассеянные металлы. Редки. К минералам, содержащим торий и уран относят торит ThSiO₄ и уранит (урановая смоляная руда – на 80% состоит из U₂O₈). Вместе с лантаноидами торий находят в монацитовом песке.

Торий и уран – серебристо-белые, мягкие металлы с высокой температурой плавления. Они пирофорны – самовоспламеняются на воздухе, образуя оксиды.

Уран во влажном воздухе окисляется, а торий покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейшей коррозии.

Уран растворяется в разбавленных сильных кислотах, а торий – в концентрированной соляной кислоте.

При повышении температуры оба металла взаимодействуют с галогенами, кислородом, серой, азотом, углеродом.

Оксид тория ThO₂ растворяется только в концентрированной серной кислоте.

Гидроксид тория Th(OН)₄ – основание, растворяется в кислотах.

Уран с кислородом образует несколько оксидов, высший - UO₃ имеет амфотерный характер.

UO₃ + Н₂О =^{(кипячение)} UO₂(ОН)₂ гидрат уранила – амфотерные свойства:

UO₂(ОН)₂ + 2HNO₃ → UO₂(NO₃)₂ + 2H₂O

UO₂(ОН)₂ +NaOH→ Na[UO₂(OH)₃] – тригидроксоуранилат натрия

IV группа: подгруппа титана в нее входят титан, цирконий, гафний, резерфордий. Имеют четыре валентных электрона: (n-1)d²ns². Максимальная валентность 4, степень окисления +4 (+3, +2).

Титан – распространенный элемент, входит в состав многих минералов: рутил (TiO₂), ильменит (FeTiO₃), титаномагнетит (FeTiO₃·nFe₃O₄). Цирконий содержится в минералах: циркон (ZrSiO₄), бадделеит (ZrO₂). Гафний встречается в природе как спутний циркония.

В свободном состоянии – металлы, похожи на сталь, легкие, тугоплавкие (Т_пл = 1725-1860 ⁰С). Устойчивы по отношению к воздуху и воде. При высоких температурах взаимодействуют с галогенами, кислородом, серой, азотом, углеродом, бором (продукты не растворимы в воде, кислотах, щелочах, тугоплавки, устойчивы: МеО₂, МеГаl₄, МеВ₂, МеС, МеN, МеS₂).

Соляная и серная кислоты действуют только на титан. В плавиковой кислоте растворяются все четыре металла (TiF₃, ZrF₄, HfF₄).

Zr(Ti) + 4NaOH → Na₄TiO₄ + H₂

Гидроксиды: H₄TiO₄, Zr(OH)₄, Hf(OH)₄ основные свойства усиливаются слева направо.

Используют при выплавки стали титан (цирконий) с железом – ферротитан, ферроцирконий – придают большую прочность, коррозионную устойчивость. Это ценный конструкционный материал. Гафний используется в радио-, электро-, рентгенотехнике. Карбиды металлов чрезвычайно тугоплавки (Т_пл = 4215 ⁰С). Оксид титана в производстве белой краски (титановые белила), тугоплавкого стекла, глазурей и эмалей. Оксид циркония – как огнеупорный материал, входит в состав эмали.

VВ группа: подгруппа ванадия: ванадий, ниобий, тантал, дубний.

Имеется пять валентных электрона, которые расположены на двух уровнях: (n-1)d³ns² (в необии s¹). Валентность 5, степнь окисления: +5 (+2, +3, +4, для необия и тантала +1).

В свободном состоянии получают методом алюминотермии:

3V₂O₅ + 10Al = 5Al₂O₃ + 6V

Это твердые и очень тугоплавкие металлы серо-стального цвета с характерным металлическим блеском. На воздухе не изменяются.

Ванадий растворяется в азотной кислоте и царской водке, а ниобий и тантал – в смеси азотной и плавиковой кислот:

V + 6HNO₃ = V(NO₃)₅ + 3H₂O + NO₂

3V + 12HCl + 4HNO₃ = 3VCl₄ + 4NO + 8H₂O

Они взаимодействуют при нагревании с галогенами, серой, кислородом, бором: VF₅, V₂S₃, V₂O₅, VN, VC, VB₂.

Оксиды: VO, V₂O₃, VO₂, V₂O₅

Nb₂O, NbO, Nb₂O₃, NbO₂, Nb₂O₅

Ta₂O, TaO, Ta₂O_3, TaO₂, Ta₂O₅

Оксиды пятивалентных металлов имеют кислотный характер, который особо выражен у оксида ванадия (V), высший оксид тантала проявляет амфотерные свойства. Низшие оксиды всех элементов проявляют основные свойства.

V₂O₅ + Н₂О = 2НVO₃ – ванадиевая кислота

V₂O₅ + NaOH = 2NaVO₃ + H₂O – ванадат натрия

Соли ниобия и тантала – ниобаты и танталаты – могут быть получены сплавлением соответствующих оксидов с щелочью:

Nb₂O₅ + 2NaOH = 2NaNbO₃ + H₂O

Ta₂O₅ + 2NaOH = 2NaTaO₃ + H₂O

Используют для получения сталей и сплавов с большой ковкостью, стойкостью против толчков и ударов, прочностью на истирание и сопротивление разрыву. При добавлении ниобия к стали повышает прочность сварных швов. Тантал коррозионностоек и поэтому используется для изготовления медицинских инструментов и химической посуды.

Карбиды ванадия и тантала применяются в производстве очень твердых материалов. Оксид ванадия (V) применяется как катализатор при получении серной кислоты.

Ниобий и тантал поглощают значительное количество газов и поэтому используются в вакуумной электротехнике.

Дата добавления: 2015-05-09