Химия, элементы таблицы Менделеева - (реферат)

2 NaVO3 + 2 NaN3 = 3 N2 + 2 Na2VO3 и V2O5 + 2 NaN3 = 3 N2 + Na2V2O5. Ванадаты двух- и трёхвалентных металлов в воде практически не растворимы. Получают их обычно совместным прокаливанием VO2 и оксидов соответствующих металлов в вакууме. Соли, образуемые диоксидом ванадия с кислотами, производятся от катиона VO2+(ванадила). Они вполне устойчивы в кислых средах (даже при нагревании). Из них VOCl2 может быть проще всего получен растворением V2O5в крепкой соляной кислоте. В твёрдом состоянии хлористый ванадил имеет зелёную окраску. Он весьма гигроскопичен и легко растворяется в воде с синим или бурым (в зависимости от условий) окрашиванием раствора. С синим окрашиванием растворяется в воде также буро-чёрный VOBr2. Аналогичный иодид получен в виде коричневого кристаллогидрата 2VOI2·5H2O, легкорастворимого в воде. То же относится к синему кристаллогидрату VOSO4·3Н2О (тогда как безводный сульфат ванадила имеет зелёный цвет и в воде практически нерастворим). С сульфатами некоторых других металлов VOSO4 образует двойные соли, главным образом типов M2SO4·2VOSO4 и M2SO4·VOSO4. И те и другие обычно выделяются с кристаллизационной водой. Возможно, что в качестве соли ванадила [VO(VO3)2·2H2O] следует рассматривать и довольно характерный для ванадия чёрный промежуточный гидроксид V3O5(OH)4. Чёрный амид ванадила [VO(NH2)2] уже при слабом нагревании переходит в имид [VO(NH)] и затем в нитрид [(VO)3N2]. Четырёххлористый ванадий может быть получен взаимодействием элементов около 200 °С. Он представляет собой тяжёлую красно-бурую жидкость (т. пл. -20, т. кип. 153 °С). Плотность его пара отвечает формуле VСl4. Молекула эта имеет структуру тетраэдра с атомом ванадия в центре [d(VCl) = 214 пм]. Аналогична структура и устойчивой лишь ниже-45 °С молекулы VВr4 [d(VBr) = 230 пм]. Для растворов ванадийтетрахлорида в CСl4установлено наличие равновесия между простыми и димерными молекулами (частично характеризуемого соотношением [VCl4]2/[V2Cl8] = 2·10-2 при -24 °С). При нагревании VСl4 медленно распадается на VСl3 и хлор, а при взаимодействии с водой гидролизуется по уравнению: VСl4 + H2O = VOCl2 + 2 HСl.

Производным зелёного VOCl2 является комплексная соль состава Cs3VOCl5. Пропускание паров VСl4над нагретыми до 400 °С хлоридами K, Rb и Cs ведёт к образованию продуктов присоединения типа M2VCl6, окрашенных соответственно в коричневый, розово-красный и фиолетовый цвет. Действием хлора на смесь VСl4 и S2Cl2 могут быть получены кристаллы двойного соединения VCl4·SCl4 (т. пл. 32 °С). При взаимодействии VСl4 с жидким аммиаком осаждается зелёновато-коричневый хлорид VCl(NH2)3, а при взаимодействии с NO образуются легко возгоняющиеся твёрдые вещества состава VCl4NO, V2Cl7NO, V2Cl8(NO)5. Вместе с тем взаимодействием VСl4 с NO в бензоле был получен коричневый невозгоняющийся полимер [V(NO)3Cl2]n. Длительным нагреванием VСl4 с безводной HF может быть получен коричневый порошок VF4. При нагревании его выше 100 °С происходит дисмутация на VF5 и VF3. Ванадийтетрафторид гигроскопичен, хорошо растворим в воде и легко гидролизуется с образованием синего (в безводном состоянии жёлтого) фтороксида VOF2. Последний с фторидами ряда металлов даёт синие двойные соединения, главным образом типа M2[VOF4·H2O]. Известны и безводные соли типа K2[VOF4] и (NH4)3[VOF5]. Сухим путём были получены также розовато-жёлтые соли типа M2VF6 (где M = K, Rb, Cs). Фиолетово-чёрный четырёххлористый ниобий может быть получен по схеме: 4 NbCl5 + Nb = 5 NbCl4

при 400 °С он начинает возгоняться около 275 °С, а выше 300 °С (при отсутствии избытка NbCl5) происходит его дисмутация по схеме:

    2 NbCl4 = NbCl5 + NbCl3.

В небольшом количестве воды или в разбавленных кислотах NbCl4растворяется с синим окрашиванием жидкости. Такие растворы характеризуются очень сильными восстановительными свойствами. Аналогично хлориду могут быть получены сходные с ним по свойствам чёрный NbF4 и коричневый NbBr4. Длительным нагреванием NbI5 до 270 °С в вакууме был получен серый NbI4. При 503 °С он плавится и с отщеплением части иода переходит в Nb2I8. Известны также бромид и хлорид аналогичного состава. При сплавлении NbCl4 с хлоридами щелочных металлов образуются нестойкие соединения типа M2NbCl6. По ряду Cs®Na их термическая устойчивость уменьшается. Зеленовато-чёрный TaCl4 может быть получен при 600 °С по схеме: 4 TaCl5 + Ta = 5 TaCl4

в отсутствие избытка TaCl5 выше 280 °С наступает дисмутация по схеме: 2 TaCl4 = ТаСl3 + ТаСl5

(тогда как при 210 °С идёт обратная реакция). Четырёххлористый тантал является ещё более сильным восстановителем, чем NbСl4. Так, при 320 °С протекает реакция по схеме: ТаСl4 + NbСl5 = ТаСl5 + NbCl4.

С хлоридами Cs, Rb, K танталтетрахлорид способен образовывать лиловые комплексные соли типа M2ТаСl5. Получен и тёмно-серый ТаI4. Оксохлориды ТаOСl2 и NbOCl2 были синтезированы сухим путём (нагреванием смесей Э, Э2О5 и ЭСl5 в запаянных трубках). Известен и чёрный NbOI2. Сульфиды ЭS2ниобия и тантала могут быть получены прямым взаимодействием элементов или нагреванием металлов в токе сухого сероводорода. Лучше изученный TaS2представляет собой чёрный порошок, весьма термически устойчивый (в отсутствие воздуха) и нерастворимый ни в соляной кислоте, ни в растворах едкого натра. Известны и кристаллические фазы составов NbSe2, NbTe2, NbSe3, TaSe2, TaTe2, TaS3, TaSe2, TaTe4. Тёмно-серый сульфид трёхвалентного ванадия является фазой переменного состава (с областью гомогенности на интервале от VS1, 17 до VS1, 53). Чёрный оксид трёхвалентного ванадия (V2O3) может быть получен восстановлением V2O5водородом при 700 °С. Он медленно взаимодействует с кислотами, образуя соли, которые являются очень сильными восстановителями. При действии на их растворы щелочей выпадает зелёный осадок V(OH)3, чрезвычайно легко окисляющийся на воздухе. Растворением V2O3(т. пл. 1970 °С) в плавиковой кислоте и упариванием раствора может быть получен тёмно-зелёный VF3·3H2O. С фторидами ряда одновалентных (и двухвалентных) металлов VF3 образует комплексные соединения типов M2VF5 (обычно выделяющиеся с кристаллизационной водой) и M3VF6. Примером может служить бледно-зелёный K3VF6 (т. пл. 1020 °С). Безводный VF3 удобно получать термическим разложением (NH4)3VF6. Он имеет зеленовато-жёлтую окраску, нерастворим в обычных растворителях и плавится лишь около 1400 °С. Известен и оксофторид VOF.

Ванадийтрихлорид может быть получен разложением VСl4при нагревании. Он представляет собой фиолетовые нелетучие кристаллы, легко растворимые в воде с зелёным окрашиванием раствора. При концентрировании последнего (в отсутствие кислорода воздуха) выделяется зелёный гигроскопичный кристаллогидрат VCl3·6H2O. Аналогичные ванадийтрихлориду чёрные бромид и иодид в общем похожи на него по свойствам, но отличаются меньшей устойчивостью. Образование комплексов с галогенидами других металлов для рассматриваемых соединений не характерно, но некоторые производные этого типа известны. Примером могут служить красные соли M2VCl5·H2O (где M — K, Rb, Cs, NH4) и K3VCl6 (т. пл. 744 °С). Интересны изменения цвета K2VCl5·nH2O в зависимости от величины n: фиолетовой (0), красный (1), зелёный (4). При взаимодействии VСl3 с аммиаком образуется V(NH2)Cl2, который около 300 °С переходит в V(NH)Cl и затем в VN. В жидком аммиаке может быть получен красно-коричневый [V(NH3)6]Cl3.

    Протекающей при 300 °С дисмутацией по схеме:
    2 VOCl2 = VOCl3 + VOCl

(или длительным нагреванием смеси V2O3 с VСl3в запаянной трубке) может быть получен оксохлорид трёхвалентного ванадия. Он представляет собой коричневое твёрдое вещество, почти нерастворимое в воде, щелочах и кислотах. Термический распад VOCl наступает лишь около 800 °С. Известен и фиолетовый VOBr.

Из сернокислых производных для трёхвалентного ванадия наиболее характерны зелёная комплексная кислота H[V(SO4)2]·nH2O (где n = 6) и её соли, главным образом типа M[V(SO4)2]·12H2O. Они большей частью окрашены в различные оттенки фиолетового цвета, но дают зелёные растворы. При достаточно высоких концентрациях растворы эти по отношению к кислороду воздуха сравнительно устойчивы и окисляются им лишь медленно. Безводный V2(SO4)3имеет жёлтый цвет и очень медленно растворяется в воде. Около 400 °С в вакууме он разлагается по схеме:

    V2(SO4)3 = SO2 + 2 VOSO4.

Производные, отвечающие кислотной функции V(OH)3, получены сухим путём — сплавлением V2O3 с окислами наиболее активных металлов. Примерами могут служить LiVO2 и NaVO2, представляющие собой нерастворимые в воде чёрные порошки. Нерастворимый в воде и разбавленных кислотах коричневый NbCl3 может быть получен восстановлением NbCl5 водородом при 400 °С. Близки к нему по свойствам чёрные NbBr3 и NbI3. Тёмно-синий NbF3 был получен нагреванием насыщенного водородом ниобия в струе H2 + HF. Он устойчив к действию и сильных кислот, и щелочей. Трёхфтористый тантал и по способу получения, и по свойствам похож на NbF3. Зелёный TaCl3 может быть получен дисмутацией TaCl4. В отличие от нерастворимого NbCl3, с водой он образует зелёный раствор, обладающий сильными восстановительными свойствами. Щёлочи выделяют из этого раствора зелёный осадок Ta(OH)3, который при нагревании окисляется водой (с выделением водорода). При сплавлении TaCl3 с хлоридами Cs, Rb, K образуются красные комплексные соли типа M2TaCl5, характеризующиеся температурами плавления 710, 642 и 560 °С. Серо-зелёный TaBr3 был получен восстановлением TaBr5 водородом при 700 °С. Прокаливанием мелкораздробленных V, Nb и Ta в токе азота могут быть получены их серые нитриды общей формулы ЭN. Все они устойчивы по отношению к воде и весьма тугоплавки (VN плавится при 2050 °С, NbN— при 2300 °С, а TaN —лишь при 3090 °С). Известны и фосфиды аналогичного состава ЭP. Были описаны также менее характерные для рассматриваемых элементов кристаллические фазы иных составов— V3N, Nb2N, Nb3N4, Ta2N, Ta4N5, Ta5N6, VP2, V3P2, V2P, V3P, NbP2, TaP2. Для нитрида VN характерна необычайно высокая твёрдость. Для формально трёхвалентных ниобия и тантала установлено существование селенидов Э2Se3. Известны также кристаллические фазы состава Nb3Э (где Э — S, Se, Te). Отвечающий двухвалентному ванадию чёрный оксид VO образуется при нагревании V2O5до 1700 °С в токе водорода. При неизменности кристаллической структуры [типа NaCl с d(VO) = 205 пм] состав его может довольно сильно отклоняться от строгого соответствия формуле VO (в пределах VO0, 85 - VO1, 25). Оксид ванадия (II) довольно хорошо проводит электрический ток. Он нерастворим в воде, но растворяется в разбавленных кислотах, образуя соответствующие соли окрашенного в фиолетовый цвет катиона V2+. Последние являются исключительно сильными восстановителями и при отсутствии окислителей постепенно выделяют из воды газообразный водород. Действием щелочей на их растворы может быть получен серо-фиолетовый осадок V(OH)2, не выделенный, однако, в чистом состоянии из-за его чрезвычайно лёгкой окисляемости.

Ванадийдихлорид VСl2 может быть получен протекающей выше 500 °С дисмутацией по схеме: 2 VCl3 = VCl4 + VСl2.

Его зелёные кристаллы плавятся лишь около 1350 °С, а фиолетовый водный раствор быстро зеленеет вследствие окисления V2+ до V3+. Восстановительные свойства VСl2 выражены даже сильнее, чем у CrCl2. Сходные свойства имеет коричневый бромид VBr2 и красный иодид VI2. Первый из них используется иногда в фотографии (как быстродействующий проявитель), второй—для получения очень чистого ванадия (термическим разложением при 1400 °С). Бледно-зелёный VF2 был выделен в виде сине-фиолетового кристаллогидрата VF2·4H2O. При сплавлении VСl2 с KСl образуются KVCl3 (т. пл. 946 °С) и менее устойчивый K2VCl4. Для галогенидов VГ2 известны довольно устойчивые аммиакаты. Сульфат двухвалентного ванадия образуется при восстановлении металлическим цинком (или электролитическим путём) сернокислых растворов соединений ванадия. При принятии особых мер предосторожности против окисления он может быть выделен в виде фиолетового кристаллогидрата VSO4·7H2O. С сернокислыми солями некоторых одновалентных металлов VSO4 образует фиолетовые комплексные соли типа M2[V(SO4)2]·6Н2О. Последние сравнительно труднорастворимы и более устойчивы, чем сам сульфат двухвалентного ванадия.

Чёрный VS может быть получен взаимодействием элементов при 1000 °С. Кристаллы его способны без изменения структуры включать некоторый избыток серы (до состава VS1, 17). То же самое характерно для NbS и NbSe. Известны также NbTe и TaSe. Низшие оксиды ниобия и тантала могут быть получены по схеме: Э2О5 + 3 С = 3 СО + 2 ЭО

при 1100 °С в вакууме. Лучше изученный серый NbO (т. пл. 1935 °С) имеет металлический вид и довольно хорошо проводит электрический ток. Коричнево-чёрный NbCl2 может быть получен действием паров NbCl5(в токе аргона) на нагретый до 700 °С металлический ниобий. Ниобийдихлорид устойчив на воздухе и нерастворим в воде. Восстановлением NbI3 водородом при 300 °С был получен и чёрный NbI2. В отличие от хлорида он медленно разлагается водой. Известен и NbBr2 (который был получен восстановлением NbBr5 водородом в электрическом разряде). Тёмно-зелёный нелетучий TaCl2 может быть получен дисмутацией TaCl3 при 440 °С по уравнению: 3 TaCl3 = TaCl5 + 2 TaCl2.

Несмотря на то, что в воде TaCl2практически нерастворим, он уже на холоду постепенно окисляется ею с выделением водорода.

И для тантала, и для ниобия характерна своеобразная атомная группировка Э6Cl12[d(NbNb) = 285, d(TaTa) = 288, d(NbCl) = 241, d(TaCl) = 244 пм]. Эту группировку содержат зелёные кристаллы, выделяющиеся из раствора в HCl продукта восстановления ЭCl5 металлическим свинцом при 600 °С. Состав этих кристаллов — Э6Cl12·2HCl·7H2O или [Э6Cl12]Cl2·7H2O —пока не вполне ясен. В последнем случае они должны содержать атомы Э разных степеней окисления.

При сопоставлении элементов подгруппы ванадия с фосфором и азотом наблюдается резкое расхождение свойств производных низших валентностей и закономерный ход изменения характера высших оксидов. Действительно, при переходе по ряду N2O5, P2O5, V2O5, Nb2O5, Ta2O5кислотный характер оксидов весьма последовательно ослабляется. Напротив, очень похожие на N и P в производных низших валентностей элементы подгруппы мышьяка уже не дают закономерного изменения химического характера высших оксидов при переходе от N к Bi. Хорошей иллюстрацией изложенного может служить приводимое ниже сопоставление теплот образования оксидов Э2О5 из элементов (кДж/моль): Sb

    As
    P
    N
    P
    V
    Nb
    Ta
    1007
    928
    1492
    42
    1492
    1555
    1898
    2044
    2. Хлор.

По распространенности в природе хлор близок к фтору на его долю приходится 0, 02 % от общего числа атомов земной коры. Человеческий организм содержит 0, 25 вес. % хлора.

Природный хлор состоит из смеси двух изотопов — 35Сl (75, 5 %) и 37Сl (24, 5 %). Он был впервые получен (действием МnО2на соляную кислоту ) в 1774 г. , но установление его элементарной природы последовало лишь в 1810 г.

Подобно фтору, основная масса хлора поступила на земную поверхность из горячих недр Земли. Даже в настоящее время с вулканическими газами ежегодно выделяются миллионы тонн и НСl и НF. Еще гораздо более значительным было такое выделение в минувшие эпохи.

Первичная форма нахождения хлора на земной поверхности отвечает его чрезвычайному распылению. В результате работы воды, на протяжении многих миллионов лет разрушавшей горные породы и вымывавшей из них все растворимые составные части, соединения хлора скапливались в морях. Усыхания последних привело к образованию во многих местах земного шара мощных залежей NаС1, который и служит исходным сырьем для получения соединений хлора. Будучи наиболее практически важным из всех галоидов, хлор в громадных количествах используется для беления тканей и бумажной массы, обеззараживания питьевой воды (примерно 1, 5 г на 1 м3) и в других отраслях техники. Ежегодное мировое потребление хлора исчисляется миллионами тонн.

Рис... Принципиальная схема электролизёра для получения хлора.

Основным промышленным методом получения хлора является электролиз концентрированного раствора NаС1. Принципиальная схема электролизера показана на рис. VII-5 (А - аноды, Б - диафрагма, В - катод). При электролизе на аноде выделяется хлор (2С1- - 2е- = С12), а в при катодном пространстве выделяется водород (2Н+ + 2е- = Н2) образуется NаОН. При практическом осуществлении электролиза раствора NaCl расход электроэнергии на получение 1 т хлора составляет около 2700 кВт·ч. Полученный хлор под давлением сгущается в желтую жидкость уже при обычных температурах. Хранят и перевозят его в стальных баллонах, где он заключен под давлением около 6 атм. Баллоны эти должны иметь окраску защитного цвета с зеленой поперечной полосой в верхней части.

Для лабораторного получения хлора обычно пользуются действием MnO2 или КМnO4 на соляную кислоту: МnО2 + 4 НСl = МnСl2 + Сl2 + 2 Н2О

    2 КМnO4 + 16 НCl = 2 КCl + 2 МnСl2 + 5 Сl2 + 8 Н2О

Вторая реакция протекает значительно энергичнее первой (требующей подогревания).

Свободный хлор представляет собой желто-зеленый газ, состоящий из двухатомных молекул. Под обычным давлением он сжижается при-34 °С и затвердевает при -101 °С. Один объем воды растворяет около двух объемов хлора. Образующийся желтоватый раствор часто называют “хлорной водой”.

Критическая температура хлора равна 144 °С, критическое давление 76 атм. При температуре кипения жидкий хлор имеет плотность 1, 6 г/см3, а теплота его испарения составляет 20, 5 кДж/моль. Твердый хлор имеет плотность 2, 0 г/см3и теплоту плавления 6, 3 кДж/моль. Кристаллы его образованы отдельными молекулами С12 (кратчайшее расстояние между которыми равно 334 пм). Связь Сl-Сl характеризуется ядерным расстоянием 198 пм. Термическая диссоциация молекулярного хлора по уравнению С12 + 242 кДж Ы 2 С1 становится заметной примерно с 1000 °С. Атом хлора имеет в основном состоянии структуру внешнего электронного слоя 3s23р5 и одновалентен. Возбуждение его до ближайшего трехковалентного уровня 3s23р44s1 требует затраты 857 кДж/моль.

Энергия присоединения электрона к нейтральному атому хлора оценивается в 355 кДж/моль. Сродство к электрону хлора (аналогично и других галоидов) может быть вычислено при помощи рассмотрения реакций образования хлористых солей по отдельным стадиям. Например, для NаС1 имеем:

    1) Nа (т) = Nа (г) — 109 кДж (теплота возгонки)
    2) 1/2 С12 (г) = С1 (г) — 121 кДж (теплота диссоциации)
    3) Na (г) = Nа+(г) + е- — 493 кДж (энергия ионизации)

4) С1(г) + е- = Сl-(г) + Х кДж (искомое сродство к электрону) 5) Nа+(г) + Сl-(г) = NаС1(т) +777 кДж (энергия кристаллической решетки) в сумме: Nа(т) + 1/2 С12(г) = NаСl(т) + (Х+777-493-121-109) кДж С другой стороны, непосредственно определенная на опыте теплота образования NаС1 из элементов равна: Nа(т) + 1/2 С12(г) = NаС1(т) + 410 кДж. Следовательно, по закону Гесса, Х + 777 - 493 - 121 - 109 = 410, откуда Х = 356 кДж. Ион С1- —характеризуется эффективным радиусом 181 пм и энергией гидратации 351 кДж/моль. Для ковалентного радиуса хлора принимается половина ядерного расстояния молекулы С12, т. е. 99 пм.

Растворимость хлора в воде меняется с температурой следующим образом:

    Температура, °С
    0
    10
    15
    20
    25
    30
    40
    50
    60
    Растворимость V на 1V H2O
    4, 6
    3, 1
    2, 7
    2, 3
    2, 0
    1, 8
    1, 4
    1, 2
    1, 0

Описаны два кристаллогидрата хлора — С12·6Н2О и С12·8Н2О. В действительности они могут иметь переменный состав, так как являются клатратами.

Значительно хуже (примерно в 4 раза), чем в воде, растворяется хлор в насыщенном растворе NаС1, которым поэтому и удобно пользоваться при собирании хлора над жидкостью. Наиболее пригодным для работ с ним органическим растворителем является четыреххлористый углерод (СС14), один объем которого растворяет при обычных условиях около 50 объемов хлора. Основным потребителями хлора являются органическая технология (получение хлорированных полупродуктов синтеза) и целлюлозно-бумажная промышленность (отбелка). Значительно меньше потребляется хлор в неорганической технологии, санитарной технике и других областях. Интересно недавно предложенное использование хлора для обработки металлов: под его действием с достаточно нагретой (инфракрасным излучением) поверхности все шероховатости удаляются в форме летучих хлоридов. Такой метод химической шлифовки особенно применим к изделиям сложного профиля. Было показано также, что струя хлора легко прорезает достаточно нагретые листы из жаростойких сплавов.

Хлор обладает резким запахом. Вдыхание его вызывает воспаление дыхательных путей. В качестве средства первой помощи при острых отравлениях хлором применяется вдыхание паров смеси спирта с эфиром. Полезно также вдыхание паров нашатырного спирта.

Предельно допустимой концентрацией свободного хлора в воздухе производственных помещений считается 0, 001 мг/л. Пребывание в атмосфере, содержащей 0, 01% хлора и выше, быстро ведет к тяжелому заболеванию. Признаком острого отравления является появление мучительного кашля. Пострадавшему необходимо прежде всего обеспечить полный покой; полезно также вдыхание кислорода.

По своей характерной химической функции хлор подобен фтору —он также является одновалентным неметаллом. Однако активность его меньше, чем у фтора. Поэтому последний способен вытеснять хлор из соединений. Тем не менее химическая активность хлора очень велика —

    Рис... Строение молекулы ClF3.

он соединяется почти со всеми металлами (иногда лишь в присутствии следов воды или при нагревании) и со всеми металлоидными элементами, кроме С, N и O. Важно отметить, что при полном отсутствии влаги хлор не действует на железо. Это и позволяет хранить его в стальных баллонах.

Взаимодействие хлора с фтором при нагревании смеси сухих газов происходит лишь выше 270°С. В этих условиях с выделением тепла (50 кДж/моль) образуется бесцветный хлорфторид— С1F (т. пл. -156, т. кип. -100 °C). Газообразный С1F обладает сильным своеобразным запахом (отличным от запахов хлора и фтора).

Взаимодействием хлорфторида с фторидами Сs, Rb и К под высоким давлением были получены бесцветные малостойкие соли типа МС1F2, содержащие в своем составе линейный анион С1F2-. При нагревании они экзотермически разлагаются около 250 °С. Нагреванием ClF с избытком фтора может быть получен бледно-зеленоватый трехфтористый хлор (хлортрифторид)— СlF3 (т. пл. -76, т. кип. +12 °С). Соединение это также экзотермично (теплота образования из элементов 159 кДж/моль) и по запаху похоже на С1F. Молекула С1F3 полярна (m= 0, 55) и имеет показанную на рис. плоскую структуру. Последняя производится от тригональной бипирамиды, у которой два направления треугольного основания закрываются свободными электронными парами атома хлора. Критическая температура С1F3 равна 154 °С, плотность в жидком состоянии 1, 8 г/см3, теплота испарения 27, 6 кДж/моль. Вблизи точки кипения пар трехфтористого хлора несколько ассоциирован по схеме: 2 С1F3 Ы (С1F3)2 + 12, 5 кДж. Для димера вероятна мостиковая структура (по типу F2С1F2С1F2). Жидкий С1F3смешивается с жидким НF в любых соотношениях, причем имеет место слабое взаимодействие по схеме: НF + С1F3 Ы НС1F4+ 16, 7 кДж. Образующийся ацидохлортетрафторид не выделен, но производящиеся от него соли типа МС1F4, (где М —Сs, Rb, К) известны. По-видимому, они могут быть получены не только прямым сочетанием МF и С1F3, но и фторированием соответствующих хлоридов (3000 атм, 300 °С). Нагреванием смеси С1F3с избытком фтора под высоким давлением может быть получен бесцветный хлорпентафторид— С1F5 (т. пл. -93, т. пл. -13 °С). Теплота его образования из элементов 251 кДж/моль. Молекула С1F5, имеет строение квадратной пирамиды из атомов фтора, вблизи основания которой располагается атом хлора. В отсутствие влаги этот газ при обычных условиях устойчив, а водой разлагается. Он является энергичным фторирующим агентом, но корродирует металлы слабее, чем С1F3.

Фториды хлора характеризуются исключительной реакционной способностью. Например, в парах С1F3стеклянная вата самовоспламеняется. Почти столь же энергично взаимодействуют с ним и такие сами по себе чрезвычайно устойчивые вещества, как MgО, СаО, А12O3 и т. п. Так как С1F3сжижается при обычных температурах уже под небольшим давлением и легко отщепляет фтор, его удобно использовать для транспортировки фтора. Помимо различных реакций фторирования, отмечалась возможность применения этого вещества как окислителя реактивных топлив и зажигательного средства в военной технике. По трифториду хлора имеется обзорная статья.

    Взаимодействие хлора с водородом по реакции:
    Н2 + С12 = 2 НС1 + 184 кДж

при обычных условиях протекает крайне медленно, но нагревание смеси газов или ее сильное освещение (прямым солнечным светом, горящим магнием и т. д. ) сопровождается взрывом.

Детальное изучение этой реакции позволило выяснить сущность ее отдельных стадий. Прежде всего за счет энергии (hn) ультрафиолетовых лучей (или нагревания) молекула хлора диссоциирует на атомы, которые затем реагируют с молекулами водорода, образуя НСl и атом водорода. Последний в свою очередь реагирует с молекулой хлора, образуя НС1 и атом хлора, и т. д. :

    1) С12 + hn = С1 + С1 (первоначальное возбуждение)

2)........................................... С1 + Н2 = НС1 + Н

3)........................................................................................ Н+ С12 = НС1 + С1 и т. д. Таким образом, получается как бы цепь последовательных реакций, причем за счет каждой первоначально возбужденной молекулы Сl2образуется в среднем 100 тыс. молекул НС1. Реакции подобного типа называются цепными. Они играют важную роль при протекании многих химических процессов. Фотохимическая диссоциация молекулы хлора на атомы вызывается светом с длиной волны 550 нм. Обеим стадиям цепной реакции образования хлористого водорода соответствуют следующие термохимические уравнения:

С1 + Н2 + 1 кДж = НС1 + Н и Н + С12= НС1 + С1 + 188 кДж. Энергия активации первой из этих реакций составляет 25, а второй 8 кДж/моль. Малыми значениями этих энергий и обусловлено быстрое развитие цепи.

Очевидно, что цепь могла бы оборваться, если бы протекала реакция: Н + С1 = НС1. Такая возможность не исключена, однако вероятность осуществления этой реакции очень мала, так как концентрация атомов ничтожна по сравнению с концентрацией молекул и поэтому несравненно больше шансов имеет столкновение каждого из атомов с молекулой другого элемента, чем обоих атомов друг с другом. С другой стороны, произведенные на основе экспериментальных данных расчеты показывают, что даже при столкновении обоих атомов соединение между ними происходит далеко не всегда,

    Рис 1-2 888888888

наоборот, процент успешных встреч очень мал. По этим же причинам цепи редко обрываются в результате реакций: С1+ Сl = С12 и Н + Н = Н2. Так, последняя из них осуществляется в газовой фазе лишь при одном столкновении из каждого миллиона.

“Огромное большинство реакций при ближайшем рассмотрении являются цепными реакциями” (Н. Н. Семенов). Это нередко вызывает отклонение их действительной молекулярности от отвечающей простейшему суммарному уравнению. В частности наблюдаемая на опыте бимолекулярность реакции образования волы из элементов обусловлена именно ее цепным характером: начало цепи дает (с энергией активации 188 кДж/моль) реакция Н2 + О2 = 2 ОН, после чего цепь разветвляется по схемам: ОН + Н2 = Н2О + Н, Н + О2 = ОН + О, О + Н2= ОН + Н и т. д. Как видно из этих схем, число активных участников реакции (ОН, Н, О) последовательно возрастает, вследствие чего процесс протекает с самоускорением. Это и характерно для разветвленных цепных реакций, в отличие от неразветвленных, примером которых может служить синтез хлористого водорода. Большие количества НС1 получают в технике как побочный продукт хлорирования органических соединений по схеме

    RН + Cl2 = RС1 + НС1

где R —органический радикал. Однако для получения чистой соляной кислоты основное значение имеет прямой синтез. Исходным сырьем служат при этом хлор и водород, одновременно выделяющийся при электролизе раствора NаС1. Спокойное протекание процесса обеспечивается смешиванием обоих газов лишь в момент взаимодействия. Еще один метод промышленного получения НС1 основан на взаимодействии NаС1 и концентрированной Н2SO4 по реакциям

    NаС1 + Н2SO4 = NаНSO4 + НС1
    NаС1 + NаНSO4 = Nа2SO4 + НС1

Первая из них протекает в значительной степени уже при обычных условиях и практически нацело—при слабом нагревании; вторая осуществляется лишь при более высоких температурах. Для проведения процесса служат специальные механизированные печи большой производительности.

Максимальная температура водородно-хлорного пламени составляет около 2200 °С. Для технического синтеза НС1 служит установка, схематически показанная на рис. Ч11—8. После первоначального поджигания смесь хлора с водородом продолжает гореть спокойным пламенем, образуя хлористый водород. Последний проходит затем сквозь две поглотительные башни с водой, в которых и образуется соляная кислота. Используемый в системе принцип противотока, т. е. противоположных направлений движения газа и жидкости, обеспечивает полноту поглощения НС1 и позволяет проводить весь процесс непрерывно.

Основной частью показанной на рис. Ч11—9 механизированной печи для получения НСl является муфель А, со всех сторон обогреваемый горячими газами, идущими из топки Б. Внутри муфеля медленно вращается мешалка, гребенки которой устроены таким образом, что реагирующая масса передвигается ими от центра муфеля (куда подаются исходные вещества) к его краям. Выделяющийся хлористый водород после его обеспыливания и охлаждения улавливается водой, а образующийся Nа2SO4сбрасывается в бункер Г (откуда грузится на вагонетки). Печь работает непрерывно и перерабатывает за сутки несколько тонн NаС1.

С теоретической стороны интересен метод получения хлористого водорода путем пропускания смеси хлора с водяным паром сквозь слой раскаленного угля. Реакция в этих условиях идет по уравнению:

    2 Сl2 + 2 Н2О + С = СO2 + 4 HCl + 280 кДж

Так как она сильно экзотермична, уголь поддерживается в раскаленном состоянии за счет ее тепла. Практически этот метод не применяется (так как получающийся влажный хлористый водород сильно разъедает детали установки). Хлористый водород (гидрохлорид) представляет собой бесцветный газ. В отсутствие влаги он при обычных температурах не действует на большинство металлов и их оксиды. Газообразный кислород окисляет его только при нагревании. Молекула НСl характеризуется ядерным расстоянием d(HCl) = 128 пм, энергией связи 431 кДж. Хлористый водород плавится при-114 °С и кипит при -85 °С. Распад НС1 на элементы становится заметным примерно при 1500 °С. Под давлением около 70 атм хлористый водород сжижается уже при обычных температурах и, подобно хлору, может транспортироваться к местам потребления а стальных баллонах. Жидкий хлористый водород обладает малой диэлектрической проницаемостью (4, 6 при обычных температурах) и является плохим растворителем подавляющего большинства неорганических соединений. Растворимы в нем, например, хлориды олова и фосфора. Интересно, что РF3 растворим и жидком НС1, но не взаимодействует с ним, тогда как АsF3 и SbF3 испытывают полный сольволиз по схеме ЭF3 + 3 НС1 = 3 НF + ЭС13

С темно-красным окрашиванием растворяется иод. Жидкий НС1 смешивается с жидкими СО2 и Н2S.

Предельно допустимой концентрацией хлористого водорода в воздухе производственных помещений считается 0, 005 мг/л. Наличие уже 0, 05 мг/л быстро вызывает раздражение в носу и гортани, колотье в груди, хрипоту и ощущение удушья. При хроническом отравлении малыми концентрациями НС1 особенно страдают зубы, эмаль которых подвергается быстрому разрушению.

    Реакция в газовой фазе по уравнению
    О2 + 4 НС1 = 2 Н2О + 2 С12 + 117 кДж

обратима. Ниже 600 °С равновесие ее смещено вправо, выше 600 °С —влево. На этой реакции был основан часто применявшийся ранее метод технического получения хлора: пропусканием смеси НС1 с воздухом над нагретым до 450°С катализатором (пропитанный раствором СuС12асбест) удавалось получать хлор с выходом около 70 % от теоретического. В связи с характерной для последнего времени дефицитностью хлора подобный метод может вновь приобрести промышленное значение.

На воздухе хлористый водород дымит вследствие образования с парами воды капелек тумана. Растворимость его весьма велика: при обычных условиях 1 объем воды способен поглотить около 450 объемов хлористого водорода.

Раствор НCl в воде называется хлористоводородной (иначе соляной) кислотой. Она относится к числу наиболее сильных кислот. Реактивная соляная кислота обычно имеет плотность 1, 19 г/см3 и содержит около 37 % хлористого водорода. Состав ее близок к формуле HCl·3, 5H2O. Растворимость НС1 в воде меняется с температурой следующим образом:

    Температура, °С
    0
    10
    15
    20
    25
    30
    40
    50
    60
    Растворимость в V на 1 V Н2О
    507
    474
    459
    442
    426
    412
    386
    362
    339

Растворение сопровождается выделением тепла (до 75 кДж/моль НСl). Давление хлористого водорода над крепкой соляной кислотой при 20°С приводится ниже:

    Концентрация НСl, %
    24
    26
    28
    30
    32
    34
    36
    38
    P, мм рт. ст.
    1, 0
    2, 2
    4, 9
    10, 6
    23, 5
    50, 5
    105
    210

При смешивании концентрированной НС1 со снегом происходит резкое понижение температуры. Содержащий 25 вес. % НС1 водный раствор замерзает лишь при— 86 °С. Органические жидкости поглощают хлористый водород гораздо хуже воды. Например, при обычных условиях эфир растворяет НС1 примерно в 3, 5 раза, а бензол— в 50 раз меньше, чем вода. Хлористый водород образует с водой азеотропную смесь, которая кипит под обычным давлением при 109°С и содержит 20, 2% НС1.

Охлаждением концентрированных водных растворов хлористого водорода могут быть выделены кристаллогидраты НСl с 6, 3, 2 и 1 молекулами Н2О, плавящиеся с разложением соответственно при -70, -25, -18, -15 °С. Последний из них по структуре является хлоридом оксония (Н3О+С1-), в кристаллогидрате НСl·2Н2О четко выявляются катионы Н5О2+с очень короткой водородной связью [d(OO) = 241 пм] между двумя молекулами воды, а структура тригидрата соответствует формуле Н5О2+Сl-·Н2О. С жидким хлором хлористый водород дает молекулярные соединения состава С12·2НС1 и С12·НС1, плавящиеся соответственно при -121 и -115 °С. Техническая соляная кислота выпускается крепостью не менее 31% НС1 (синтетическая) или 27 % HСl (из NаСl). Приблизительное процентное содержание НС1 в водном растворе легко найти, умножив на 2 число дробных долей его плотности. Например, при плотности 1, 19 г/см3 процентное содержание получается равным 19·2 = 38 %. Следовательно, и обратно, зная процентное содержание НС1 в соляной кислоте той или иной крепости, можно приближенно оценить ее плотность. Путем приготовления 1, 184 н. раствора НС1 удобно создавать среду с рН = 0 (при 25°С). Как видно из приводимых ниже приблизительных данных, в крепких водных растворах (с моляльностью больше двух) коэффициент активности (f) хлористого водорода значительно превышает единицу:

    m
    1
    2
    4
    6
    8
    10
    12
    14
    f
    0, 8
    1
    2
    3
    6
    10
    17
    27

Соляная кислота очень сильно разъедает многие металлы. Транспортируют ее в стеклянных бутылях или гуммированных (т. е. покрытых слоем резины) металлических емкостях. Гуммирование может быть заменено введением в кислоту специальных добавок— ингибиторов.

Соляная кислота содержится в желудочном соке (около 0, 3 %) и играет важную роль, так как способствует перевариванию пищи и убивает различные болезнетворные бактерии (холеры, тифа и др. ). Если последние попадают в желудок вместе с большим количеством воды, то вследствие разбавления раствора НСl они выживают и вызывают заболевание организма. Поэтому во время эпидемий особенно опасна сырая вода. При повышении концентрации НС1 в желудке ощущается изжога, которую устраняют, принимая внутрь небольшое количество NаНСО3или МgО. Наоборот, при недостаточной кислотности желудочного сока соляная кислота прописывается для приема внутрь (по 5-15 капель 8, 3 %-ной НСl на 1/2 стакана воды до или во время еды). Подобно другим сильным кислотам, НС1 энергично взаимодействует со многими металлами, оксидами металлов и т. д. Соли ее называются хлористыми или хлоридами. Большинство их хорошо растворимо в воде. Из производных наиболее обычных металлов труднорастворимы хлориды серебра и свинца. Ежегодное мировое потребление соляной кислоты исчисляется миллионами тонн. Широкое практическое применение находят также многие ее соли.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30