Применение Zn, Cd, Hg в микроэлектронике. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Применение Zn, Cd, Hg в микроэлектронике.



ZnS, CdS, ZnSe, CdSe – сложные полупроводники типа АIIBVI.

Основной метод получения: Zn + S (tº=600-700ºC, Ar) =ZnS

 

Пленки Zn, получают пиролизом МОС (металлорганических со­единений): диэтилцинк(330ºС) = Zn + R.

Аналогично получают зеркальные пленки Cd.

Растворяют пленки в кислотных и (цинк) в щелочных травителях.

Образцы решения задач

Пример 1. Рассчитайте объем газа (н.у.), выделившегося по реакции 0,2 г ртути с избытком концентрированного раствора азотной кислоты.

Решение. Напишем уравнение реакции, учитывая, что ртуть, являясь восстановителем, окислится избытком концентрированного раствора азотной кислоты до Hg2+, а нитрат-ион восстановится до газообразного диоксида NO2:

.

Согласно условию задачи израсходовано 0,2 г ртути.

Из уравнения реакции следует, что если в реакцию вступает 1 моль, т.е. 200 г ртути, выделяется 2 моля газа, т.е. 44,8л NO2.

Отсюда Vгаза = Ответ: 0,0448л.

Пример 2. Объясните, почему цинк может растворяться и в кислотных и в щелочных средах. Напишитеуравнения соответствующих реакций.

Решение. Поскольку цинк образует оксид и гидроксид амфотерного характера, его можно растворить и в кислотах и щелочах. Реакции протекают энергичнее в присутствии аммиака или ионов, образующих с ионами цинка комплексные ионы.(CN). Напишем уравнения реакций взаимодействия цинка с серной кислотой и с хлоратом калия в щелочной среде. В кислой среде образуются катионы Zn2+, а в щелочной среде цинкат –ионы ZnO22–.

1) 3Zn + 4H2SO4 (конц)= 3ZnSO4 + S + 4Н2О

2) 3Zn + KClO3 + 6КОН = KCl + 3K2ZnO2 + 3Н2О.

 

Пример 3. Смесь меди и цинка массой 40 г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделился газ объемом 8,96 л (н. у.). Рассчитайте массовую долю цинка в смеси.

Решение.

1. Вычислим количество вещества образовавшегося газа (водорода):

n(H2) = моль.

2. Из двух компонентов смеси (медь и цинк) с раствором щелочи реагирует только цинк:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

Из уравнения реакции следует, что

n(Zn) = n(H2) = 0,4 моль.

3. Вычислим массу цинка в смеси:

m(Zn) = n(Zn)·M(Zn) = 0,4·65 = 26 г.

4. Рассчитываем массовую долю цинка в смеси металлов:

ω%(Zn) =

Пример 4. Объясните, почему раствор сульфата цинка имеет кислую реакцию среды. Напишитеуравнения соответствующих реакций. Укажите способы предотвращения процесса.

Решение. Сольобразована сильной кислотой и слабым основанием. Происходит гидролиз соли по катиону. Форма гидролиза – ступенчатый, образуются основные соли и кислота.

D

D

Чтобы сместить равновесие влево необходимо раствор подкислить.

 

Образец тестового опроса

Zn, Cd, Hg

 

1. Укажите формулу атома ртути

1) 1s2…………….6s24f145d8 4) 1s2…………6s24f145d10

2) 1s2…………….6s04f145d10 5) 1s2…………6s24f135d9

3) 1s2…………….6s14f135d10

 

2. В чем не растворяется ртуть?

1) НNO3 (разб.) 2) НNO3 (конц.) 3) Н2SO4(конц.)

4) Н2SO4 (разб.) 5) НCl + НNO3

 

3. Укажите продукты взаимодействия ZnBr2 с водой

1) Zn(ОН)2 + НBr 2) Zn(ОН)2 + Br2 3) реакция не идет

4) ZnОНBr + Br2 5) ZnОНBr + НBr

 

4. Укажите формулу комплексного соединения, имеющего название дибромо-тетраммин-кадмий

1) [Cd(NH3)4Br2]; 2) [Cd(NH3)4]Br2; 3) К2 [Cd(NH3)2Br4];

4) (NH4)2[CdBr4]; 5) К2 [Cd(NH3)4Br4]

 

5. Укажите соединение, добавлением которого можно ослабить гидролиз CdCl2

1) NaOH 2) KCl 3) HCl 4) CdS 5) H2O

 

 

Контрольные вопросы и упражнения

1. На гидроксиды цинка и кадмия подействовали избытком растворов серной кислоты, гидроксида натрия и аммиака. Какие соединения цинка и кадмия образуются в каждой из этих реакций? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций.

2. Охарактеризуйте особенности взаимодействия ртути с азотной кислотой при условиях: а) избытка кислоты; б) избытка ртути. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнения соответствующих реакций.

3. Методом ионно-электронного баланса напишите уравнения следующих реакций растворения цинка:

а) в разбавленной азотной кислоте;

б) в щелочи;

в) в щелочи в присутствии хлората калия.

4. Методом ионно-электронного баланса напишите уравнения реакций взаимодействия цинка:

а) с раствором пероксида водорода в присутствии аммиака;

б) с концентрированной серной кислотой, учитывая восстановление серы до нулевой степени окисления.

5. При прибавлении раствора KОН к растворам Cd(NO3)2 и Hg(NO3)2 образуются осадки. Какие соединения при этом получаются? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

6. При постепенном прибавлении раствора KI к раствору Hg(NO3)2 образующийся вначале осадок растворяется. Какое комплексное соединение при этом получается? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

7. Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений:

Cd → Сd(NО3)2 → Сd(ОН)2 → [Сd (NН3)4](ОН)2 → СdSO4

8. К какому классу соединений относятся вещества, полученные при действии избытка гидроксида натрия на растворы нитратов цинка, кадмия, ртути (I), (II)? Составьте молекулярные и ионно — молекулярные уравнения соответствующих реакций.

9. На гидроксиды цинка и кадмия подействовали избытком растворов серной кислоты, гидроксида натрия и аммиака. Какие соединения цинка и кадмия образуются в каждой из этих реакций? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций?

10. Кусок латуни обработали азотной кислотой. Раствор разделили на две части. К одной из них прибавили избыток раствора аммиака, к другой — избыток раствора щелочи. Какие соединения цинка и меди образуются при этом? Составьте уравнения соответствующих реакций.

11. Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений:

Zn → Zn (NО3)2 → Zn (ОН)2 → [Zn (NН3)4](ОН)2 → ZnSO4 → Zn (ОН)2

Na2[Zn (ОН)4] → ZnCl2

12. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнение реакции взаимодействия пероксида водорода в присутствии избытка аммиака с цинком. Учитывая, что аммиак взят в избытке, рассчитайте объем (мл) 0,5М раствора пероксида водорода, необходимого для растворения 6,54 г цинка.

Ответ: 200 мл.

13. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнение реакции взаимодействия цинка в щелочной среде с хлоратом калия. Рассчитайте массу (г) прореагировавшего цинка, учитывая, что в реакцию вступило 50 мл 0,3н раствора хлората калия. Ответ:0,95г.

14. При растворении избытка ртути в концентрированной азотной кислоте образуется нитрат ртути(I), а азотная кислота восстанавливается минимально. Рассчитайте объем газа, выделяющегося при растворении 0,6 г ртути. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнение соответствующей реакции. Ответ: 0,0672 л.

15. Гидроксид цинка растворяется в аммиаке и щелочи. О каких свойствах гидроксида свидетельствуют эти реакции? Напишите уравнения соответствующих реакций.

16. Хлор окисляет цинк в щелочной среде. Какое соединение цинка при этом получается? Методом ионно-электронного баланса составьте уравнение соответствующей реакции.

17. Почему нитрат ртути(I) может проявлять и окислительные, и восстановительные свойства? Методом ионно-электронного баланса составьте уравнения реакций, подтверждающих это положение.

18. Сплавляют 1,3 г цинка с гидроксидом и хлоратом калия, взятыми в избытке. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнение соответствующей реакции. Определите массу (в граммах) хлорсодержащего продукта. Ответ: 0,5 г.

19. Методом ионно-электронного баланса составьте уравнения реакций растворения кадмия:

а) в разбавленном растворе серной кислоты;

б) концентрированном растворе серной кислоты;

в) в пероксиде водорода в присутствии избытка аммиака.

20. Цинковое покрытие на металлах получают электролитическим методом путем электролиза раствора сульфата цинка. Составьте уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде.

 

 

Элементы IVB подгруппы

Ti, Zr, Hf

Электронная конфигурация внешних подуровней атомов и возможные степени окисления: ns2(n–1)d2; (+2, +3, +4)

Физические свойства

Элемент Rат.,Å I, эВ d,г/см3 φ°,В Т°плавл Т°кипен. % в з.к.
Ti 1,46 6,82 4,5 –1,75   >3280 ~0,6
Zr 1,58 6,84 6,5 –1,43   >4380 0,024
Hf 1,57 7,30 13,1 –1,57   >5280 3∙10–4

 

Минералы, служащие сырьем для получения металлов:

 

Элемент Титан Цирконий
Минералы TiO2- рутил, анатаз, брукит CaTiO3- перовскит, FeTiO3- ильменит ZrO2 - бадделит ZrSiO4 - циркон

Получение металлов можно представить схемой на примере титана:

Извлечение из руды ТiО2

Затем в стальных аппаратах в атмосфере аргона титан восстанавливают из тетрахлорида магнием:

TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2

Дальнейшая переплавка губчатого Тi производится в в вакууме или атмосфере аргона.

Химические свойства. Химическая активность в подгруппе увеличивается снизу вверх, титан является по положению самым активным элементом. Особенностью этих металлов является то, что их активность сильно зависит от температуры. При обычных температурах они устойчивы к большинству агрессивных сред но с повышением температуры активность металлов возрастает и у титана при температуре его плавления является одной из самых высоких среди металлов

При нагревании они реагируют практически со всеми простыми веществами:

 

Ti + 2Cl2(300°C) =TiCl4

TiO2 (1200-1300°C)

Ti 2Ti +N2 = TiN (тв.9,8 Тпл.=2930ºС)

Zr TiC (электроды дуговых ламп)

Hf (+V,Nb,Ta) -тв. растворы перем. состава

распл. Ме поглощ. Н2 (1:2моля)

 

Отношение к НГ:

Газ: 4HF + Me MeF4 + 2H2 HCl+Me=MeF4 +2H2

(Ti,Zr,Hf) (Ti,Zr,Hf)

 

 

Раствор: 6HF + Ti = 2TiF3 +3H2 6HCl +Ti=TiCl3 +3H2

(1%) конц.

HCl + (Zr,Hf)≠не идет

 

Действие кислородосодержащих кислот зависит от состояния поверхности металла. Например, на идеально отполированный титан кислоты не действуют.

а) При нарушении поверхности:

3Ti + 4HNO3 (конц.)+ H2O = 3H2TiO3 + 4NO

б) Царская водка растворяет все три металла:

3Zr + 4HNO3 + 12HCl = 3ZrCl4 + 4NO + 8H2O

 

в) H2SO4 (разбавл.) на холоду на титан не действует (предохраняет защитная пленка)

H2SO4 разбавл. при (t°) и 50% -ная при любой t°действуют на Ti:

2Ti + 3H2SO4(разб.) Ti2(SO4)3 + 3H2

Ti +4H2SO4(конц.) Ti(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O

На Zr и Hf серная кислота (H2SO4) не действует

 

Соединения элементов Оксиды и гидроксиды - амфотерны

TiO2 ZrO2 HfO2

Ti(OH)4 Zr(OH)4 Hf(OH)4

Оксиды Ti, Zr, Hf - инертные, нерастворимые вещества, с разбавленными кислотами не реагируют. Очень медленно идет растворение в кипящей НF и концентрированной Н2SO4.

Со щелочами и основными оксидами взаимодействуют при сплавлении:

TiO2 + BaO = BaTiO3 ZrO2 + 4NaOH = Na4ZrO4 + 2H2O

Гидроксиды получают действием щелочи на соли 4х-валентных металлов.

Ti(OH)4 ≡ H4TiO4 - ортотитановая кислота

H2TiO3 - метатитановая.

Гидроксиды легко растворяются в сильных кислотах, а в щелочах только при сплавлении

У титана имеется целый ряд надкислот, например:

H4(Ti[O2]O3

надтитановая кислота

 

Галиды Ti, Zr, Hf - в разной степени окисления обладают различными свойствами: МеГ2 - соли, твердые вещества (ионная связь)

МеГ3, хотя и являются солями, способны при растворении частично подвергаться гидролизу

МеГ4 - неэлектролит, жидкость, (ковалентная связь).

TiCl2, TiCl3, TiCl4 2TiCl3 = TiCl4 + TiCl2

Гидролиз хлорида титана (II) (соли с ионной связью) идет преимущественно по 1-й ступени:

TiCl2 + H2O D Ti(OH)Cl + HCl

TiCl4 – неэлектролит, соединение с ковалентной связью, при высокотемпературном гидролизе получаются продукты:

TiCl4 + H2O TiO2 + HCl

 

Применение Ti, Zr, Hf

1. Активные диэлектрики на основе оксидов

TiO2, ZrO2, HfO2 - при изготовлении МДП-структур СВЧ диапазона.

2. Проводники. Ti -пленки - подслой на диэлектрических подложках.

3. Сегнетоэлектрики (BaTiO3, PbTiO3)

Керамические сегнетоэлектрики:

BaTiO3 - BaZrO3, BaTiO3 (ZrO2, Bi2O3)

Образцы решения задач

Пример 1. Какими свойствами обладают оксиды титана(IV)? Приведите уравнения реакций.

Решение.

Оксид TiO2 обладает амфотерными свойствами, растворяется при сплавлении с щелочами и в кислотах,:

TiO2 + 2KOH = K2TiO3 + H2O

титанат калия

TiO2 + H2SO4 = TiOSO4 + H2O

сульфат титанила

 

Пример 2. Подберите коэффициенты в схемах следующих окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионного баланса:

а) TiOSO4 + Zn + H2SO4 → (Ti3+) +...

б)Ti + HF → ([TiF6]2–) +...

Решение.

a) Составим электронно-ионный баланс для схемы

TiOSO4 + Zn + H2SO4 → (Ti3+), +...

учитывая, что цинк окисляется до иона Zn2+:

2 TiO2+ + 2H+ +ē =Ti3+ + H2O

1 Zn – 2ē = Zn2+

2TiO2+ + 4H+ + Zn = 2Ti3+ + Zn2+ + 2H2O

2SO42– 2SO42– =3SO42– SO42–

2TiOSO4 + Zn + 2H2SO4 = Ti2(SO4)3 + ZnSO4 + 2H2O

 

б) Составим электронно-ионный баланс для схемы

Ti + HF → ([TiF6]2–) +...

1 Ti + 6F – 4ē = [TiF6]2–

2 2H+ + 2ē = H2

Ti + 6F + 4H+ = [TiF6]2– + 2H2

2H+ = 2H+

Окончательное уравнение реакции:

 

Ti + 6HF = H2[TiF6] + 2H2

 

Пример 3. Рассчитайте массу титана, полученного термическим разложением иодида титана (IV), на образование которого затрачен иод массой 10,16 г.

Решение.

Запишем уравнения реакций:

Ti + 2I2 = TiI4 TiI4 Ti + 4I2

Выразим массы количеств вещества с учетом коэффициентов в реакциях:

n(I2) = моль; n(Ti) = ½n(I2) = 0,02 моль.

Масса титана равна: m(Ti) = 0,02·48 = 0,96 г.

Пример 4. Титан растворяется в плавиковой кислоте с образованием соединения H2[TiF6] и водорода. Рассчитайте объем водорода (н. у.), который выделится при растворении технического титана массой 50 г. Массовая доля титана в техническом металле равна 98,4% (остальное – нерастворимые примеси).

Решение.

Запишем уравнение реакции:

Ti + 6HF = H2[TiF6] + 2H2

 

Масса титана: mp(Тi) = m(Ti)· ω =50 0,984 = 49,2 г.

Выразим массы количеств вещества с учетом коэффициентов в реакциях:

n(Ti) = моль; n(H2) = 2n(Ti) = 1,025·2 = 2,05 моль.

Рассчитаем объем водорода:

V(H2) = n·22,4 = 2,05·22,4 = 45,9 л.

 

Образец тестового опроса

Ti, Zr, Hf

1. Укажите электронную формулу атома титана

1) 1s2.....................4s24d2 3) 1s2....................4s13d3

2) 1s2.....................4s23d2 4) 1s2....................5s24d2

5) 1s2......................6s24d2

2. Укажите продукты реакции взаимодействия циркония с газообразным фтороводородом Zr + HF(газ) =

1) ZrF2 + H2O 2) ZrF3 + H2 3) ZrF4 + 2H2 4) H2[ZrF6] + H2 5) H2[ZrF4]+H2

3. Укажите продукты реакции взаимодействия гафния с царской водкой

Hf + HNO3 + HCl =

1) Hf(NO3)3 + Cl2 + H2O 2) HfCl2 + NO + H2O 3) HfCl3 + NO + H2O 4) H2[HfCl6] + H2 5) HfCl4 + NO + H2O

4. Укажите формулу метатитаната алюминия

1)Al4TiO4 2) Al2(TiO3)3 3) Na2TiO3 4) K4TiO4 5) BaTiO3

5. Укажите продукты высокотемпературного гидролиза тетрахлорида титана TiCl4 + H2O

1)TiOHCl3 + HCl 2) Ti(OH)2Cl + HCl 3) TiO2 + HCl

4) Ti(OH)3Cl + HCl 5) H2TiO4 + HCl

 

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какие валентности проявляют элементы подгруппы титана?

2. В виде каких минералов встречаются в природе титан, цирконий и гафний?

3. Напишите уравнения реакций получения титана, циркония и гафния из их природных соединений.

4. Можно ли применить метод восстановления водородом для получения в свободном виде металлов подгруппы титана из их оксидов?

5*. Напишите уравнение реакции взаимодействия между титаном и кипящей водой?

6. При каких условиях элементы подгруппы титана вступают в соединения с галогенами, кислородом, серой, углеродом, азотом? Напишите уравнения соответствующих реакций.

7*. Какие металлы, относящиеся к подгруппе титана, растворяются в разбавленных растворах соляной, серной и азотной кислот? Напишите уравнения реакций.

8. Напишите уравнения реакций взаимодействия между титаном и концентрированной азотной кислотой.

9*. Напишите уравнения реакций взаимодействия элементов подгруппы титана с «царской водкой».

10*. Почему добавление плавиковой кислоты к азотной способствует растворению металлов подгруппы титана?

11*. При одинаковых ли условиях протекает реакция взаимодействия титана и циркония со щелочами? Напишите уравнения соответствующих реакций.

12*. Напишите уравнение реакции взаимодействия между ТiО2 и концентри-

рованной кислотой. При каких условиях протекает эта реакция?

13*. Как можно перевести в растворимое состояние ТiО2 и ZrО2 при помощи НF и щелочей? Напишите уравнения реакций.

14. Напишите уравнения реакций получения гидроксидов элементов подгруппы титана.

15. Обладают ли гидроксиды элементов подгруппы титана амфотерными

свойствами?

16. Взаимодействует ли гидроксид титана (IV) со щелочами?

17*. Как получить титанат бария? Напишите уравнение реакции перевода титаната бария в растворимую форму.

18. Можно ли ТiСl3 и ТiСl4 растворить в воде?

19*. Напишите уравнения реакций взаимодействия между раствором Тi(SО4)2 и сульфидом аммония.

20. Предложите методику получения титаната калия.

21. Окислительно-восстановительный потенциал системы

Тi3+ + Н2О – ē = ТiО2+ + 2Н+

составляет 0,10 В. Можно ли восстановить соединения Тi(IV) в Тi(III): а) металлическим калием; б) хлоридом хрома(II); хлоридом олова(II)? Напишите уравнения соответствующих реакций.

22. Какими свойствами обладают соединения титана (III)? Закончите уравнения реакций:

а) TiCl3 + FeCl3

б) TiCl3 + K2Cr2O7 + HCl ()→

в) TiCl3 + O2 + H2O →

г) Ti2(SO4)3 + KMnO4 + H2SO4

Элементы VB подгруппы

V Nb Ta

Атомы ванадия, ниобия, тантала имеют следующие электронные конфигурации: V.....3d34s2, Nb.....4d45s1, Ta....5d36s2 и проявляют степени окисления: +2, +3, +4, +5

 

Физические свойства

Элемент Rат.Å I,эВ d,г/см3 Т°плавл. Т°кипен. % в з.к.
V 1,32 6,7 5,98     1,6∙10–2
Nb 1,43 6,9 8,58     1,0∙10–3
Ta 1,43 7,9 16,7     2,0∙10–4

Минералы, имеющие промышленное значение, представлены ниже.

Элемент Ванадий Ниобий, тантал
Минерал 3Pb3(VO4)2∙PbCl2 ванадит (0,1 - 0,2%) - в бурых железняках   (Fe,Mn)NbO3∙TaO3 колумбиты, танталиты (~16% Nb2O5) – - лопарит

Получение металлов можно представить схемой:

1. Обогащение руды и получение концентрата

2.Извлечение из концентрата Ме2О5

3. Получение Ме из Ме2О5 (алюмотермия)

4. Переплавка Ме в вакуумных печах

Например, ванадий из оксида металла получают восстановлением металлическим алюминием (а) или термическим разложением иодида ванадия (б):

а) 3V2O5 + 10Al 6V + 5Al2O3

б) VI2 V + I2

Химические свойства. Химическая активность увеличивается снизу в верх, самый активный элемент в подгруппе - ванадий. Они реагируют при нагревании практически со всеми простыми веществами:

4V + 5O2 = 2V2O5

V + Г2

F2: → VF5

Cl2: → VCl2, VCl3, VCl4

Nb, Ta + Г2 МеГ5

ô твердые р-ры

V, Nb, Ta ô MeN

ô MeSi2

ô MeC

Отношение к кислотам и щелочам. Из-за защитной пленки эти металлы с разбавленными кислотами HCl и H2SO4 - не взаимодействуют.

V - растворяется в НF, НNО3(конц.), царской водке, H3PO4(конц.) и H2SO4(конц.) при нагревании:

3V + 5HNO3 = 3HVO3 + 5NO + H2O

Nb, Ta - растворяются в НF, царской водке и смеси HNO3+ HF

(HF - растворяет защитную пленку):

3Nb + 5HNO3 = 3HNbO3 + 5NO +H2O

При сплавлении со щелочами в присутствии окислителей (NaNO3, (NH4)2S2O8)

образуются соли - ванадаты, ниобаты:

4Nb + 4NaOH + 5O2 = 4NaNbO3 + 2H2O

расплав

Процесс протекает за счет растворения расплавленной щелочью оксидной пленки, имеющей кислотный характер:

Ме2О5 + 2КОН = 2КМеО3 + Н2О

Соединения ванадия, ниобия, тантала

Оксиды и гидроксиды. Для V: Ме2О3, Ме2О2, Ме2О5

для Nb,Ta: Ме2О5

VO (V2O2) - светло-серого цвета

V2O3 - черного

VO2 (V2O4) - сине-голубого

V2O5 - красного

+2 +3 +4 +5

VO V2O3 VO2 V2O5

основной характер амфотерный кислотный

1) VO + H2SO4 = VSO4 + H2

осн.св. разбавл.

 

2) V2O3 + 3H2SO4 = V2(SO4)3 + 3H2O (быстрее в HNO3 и HF)

слабо-осн. св.

 

3) а) VO2 + H2SO4 = VOSO4 + H2O (VО2+- радикал ванадил)

амфотер. сульфат ванадила

 

б) 4VO2 + 2NaOH = Na2V4O9 + H2O

H2V4O9 = 4VO2∙H2O -поливанадистая кислота

соли - ванадиты

 

4) V2О5 - соответствуют ванадиевые кислоты (соли-ванадаты):

V2O5∙H2O = 2HVO3 - мета-

V2O5∙2H2O = H4V2O7 - пиро-

V2O5∙3H2O = 2H3VO4 -ортованадиевая кислота

 

V2O5 Nb2O5 Ta2O5

 

Существуют поливанадиевые кислоты (xV2O5∙yH2O)

Например, получить поливанадат аммония можно по реакции:

 

6NH4VO3 + 2HCl = 2NH4Cl + H2O + (NH4)4V6O17 (3V2O5∙2H2O≡ H4V6O17)

оранж.-желттого цв.

 

Восстановление ванадата аммония из степени окисления +5 в +4, +3, +2 –можно провести последовательно, констатируя изменение окраски получаемых соединений:

NH4VO3 + 2H + ® VO2+

V IV III II

VO2+ VO2+ V V

желтый зеленый голубой сиреневый

 

Получение надванадиевой кислоты можно осуществить по реакции:

NH4VO3 + H2O2 + HCl = H2O + HVO4 + NH4Cl

вишнево-красного

цвета

Применение

Металлы относятся к перспективным материалам современной техники. Применяют как добавки для улучшения свойств специальных сталей.

Nb и Ta - при сварке разнородных металлов, в вакуумной технике и радиоэлектронике. Из Tа изготовляют медицинские инструменты, используют для замены поврежденной костной ткани в человеческом организме (он срастается с живыми тканями).

 

Образцы решения задач

Пример 1. При взаимодействии раствора метаванадата аммония и H2S образуется тиометаванадат аммония. Последний при действии соляной кислоты разлагается, образуя соответствующий малорастворимый сульфид ванадия(V) (тиоангидрид). Написать уравнения реакций.

Решение.

1. Образование тиометаванадата аммония проходит по реакции:

NH4VO3 + 3H2S = NH4VS3 + 3H2O

2. Разложение тиометаванадата аммония соляной кислотой:

2NH4VS3 + 2HCl = V2S5 + 2NH4Cl + H2S

 

Пример 2. Ванадаты проявляют в кислой среде окислительную функцию, образуя при этом соли ванадила (VO2+). Закончите уравнение реакции:

NH4VO3 + FeSO4 + H2SO4 =

Решение.

Составим электронно-ионный баланс, учитывая, что FeSO4 -восстановитель:

 

2 VO3– + 4H+ + ē = VO2+ + 2H2O

1 2Fe2+ – 2ē = 2Fe3+

2VO3– + 8H+ + 2Fe2+ = 2VO2+ + 2Fe3+ + 4H2O

2NH4+ 4SO42– 2SO42–= 2SO42– 4SO42– 2NH4+

Окончательное уравнение:

2NH4VO3 + 2FeSO4 + 4H2SO4 = 2VOSO4 + Fe2(SO4)3 + (NH4)2SO4 + 4H2O.

 

Пример 3. При кипячении разбавленного раствора сульфата ниобила последний подвергается гидролизу. Напишите уравнение реакции.

Решение.

NbOSO4 + 3H2O H2SO4 + HNbO3

Образец тестового опроса

V, Nb, Ta

1. Укажите самый активный элемент в VB подгруппе

1) Та; 2) V; 3) Nb

2. Укажите продукты реакции взаимодействия ниобия с конц. HNO3:

1) Nb(NO3)3 + NO + H2O; 2) HNbO3 + H2 + H2O;

3) HNbO3 + NO + H2O; 4) H[Nb(NO3)6]; 5) Nb(NO3)2 + NO + H2O.

3) Укажите формулу ниобата кальция:

1) СaNbO3 2) Ca2 NbO4 3) Ca(NbO3)2 4) Са2V2O7 5) СaV4O9

4. Какими свойствами обладает оксид ванадия (IV):

1) основными; 2) слабоосновными; 3) амфотерными;

4) кислотными; 5) восстановительными

5. Укажите формулу пированадиевой кислоты:

1) HVO3 2) H2VO3 3) H3VO4 4) H4V2O7 5) H2V2O9

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какую валентность проявляют элементы подгруппы ванадия?

2. Где применяются ванадий, ниобий, тантал и их соединения?

3. Какие химические реакции лежат в основе получения в промышленности металлов подгруппы ванадия?

4. В чем растворяются тантал, ниобий и ванадий?

5. Напишите уравнение реакции взаимодействия между ванадием и азотной кислотой.

6*. Напишите уравнения реакций растворения ниобия и тантала в смеси азотной и плавиковой кислот.

7*. Напишите уравнение реакции взаимодействия между ванадием и расплавом щелочи

8. Какие продукты получаются при взаимодействии ниобия и тантала с НСl? Укажите условия протекания этих реакций.

9. Приведите примеры соединения двух-, трех- и четырехвалентного ванадия.

10. Напишите уравнение реакции взаимодействия междуV2О5 и водородом.

11. Напишите уравнение реакции получения НVО3.

12. Напишите уравнение реакции получения гидроксидов пятивалентных ванадия и тантала. Проявляют ли указанные гидроксиды амфотерные свойства?

13. Напишите уравнение реакции взаимодействия между V2О5 и раствором щелочи.

14. Напишите уравнения реакций между VО2 и: а) кислотой; б) щелочью.

Составьте эти уравнения в ионной форме.

15. Какие элементы подгруппы ванадия образуют пентагалогениды?

Можно ли эти соединения назвать солями?

16 *. Напишите уравнение реакции взаимодействия между раствором сульфата ванадила и концентрированной азотной кислотой

17. Предложите методику получения ниобата натрия.

18. Напишите формулу сульфата ванадила. Как можно получить это соединение?

19*. Может ли реагировать сульфат ванадила с КМnО4?

20. Закончить уравнения реакций:

1) 4VO3 + (NH4)2S + H2O →

2) NaVO3 + H2SO4 + H2O2

3) Nb2O5 + Cl2 (tº) → NbOCl3 +...

4)Ta2O5 + Cl2 (tº) → TaCl5 +...

5) Zn + NaVO3 + HCl →

6) NaVO3 + H2O2

7) KI + NaVO3 + H2SO4

8) NaVO3 + H2SO4 + FeSO4

9) NaVO3 + Na2SO3 + H2SO4

Элементы VIB подгруппы

Cr Mo W

Атомы хрома, молибдена, вольфрама имеют электронные конфигурации валентных уровней Cr....4s13d5 Mo....5s14d5 W....6s25d4 (4f14)

и проявляют степени окисления (в скобках указаны малохарактерные):

Cr (+2), +3, (+4, +5), +6; Mo,W - (+2, +3, +4) +6

 

Физические свойства

 

Элемент. Rат. I, d, Т°С   φ°, % в зем-
  Å эВ г/см3 плавления. кипения. В ной коре
Cr 1,25 6,76 7,2     – 0,7 6∙10–3
Mo 1,36 7,10 10,2     – 0,2 3∙10–4
W 1,37 7,98 19,1     + 1,1 6∙10–4

 

Ниже приведены минералы, имеющие промышленное применение

 

Элемент Хром Молибден Вольфрам
Минералы FeO∙Cr2O3 - хромистый железняк   MoS2 молибденит x∙FeWO4∙yMnWO4 вольфрамит CaWO4- шеелит  

 

 

Получение металлов можно представить схемой:

1. Хром

Руда ® Cr2O3 a) Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3 или

б) 2Cr2O3 + 3C 4Cr + 3CO2

Cr переплавляют в вакууме.

Для производства сплава феррохрома:

FeO∙Cr2O3 + 4CO = 2Cr +Fe + 4CO2

2. Молибден, вольфрам

2MoS2 + 7O2 2MoO3 + 4SO2

FeWO4 Na2WO4 H2WO4 WO3

WO3 + 3H2 = W + 3H2O

 

Химические свойства Хром в этой подгруппе самый активный элемент

усиление химической активности

 

При нагревании эти металлы реагируют практически со всеми простыми веществами, кроме водорода:

 

Cr + F2, Cl2, Br2, I2 MexOy

Mo + F2, Cl2 Br2 – Me MexЭy

W + F2, Cl2, – – MeC,MeC2

MeSi2 и др.

Карбиды Cr, Mo, W - фазы переменного состава,

сплав W2C и WC с добавкой 10% кобальта ® «победит».

Отношение к кислотам

пассивирует

пассивирует

Cr пассивирует

CrCl2 + H2

CrSO4 + H2

 

H2MoO4 + NO +...

Mo MoO3 + SO2 +...

≠ не идет

 
 


WF6 + NO +...

W Na2WO4 +...

≠ не идет

 

Mo + 2HNO3 = MoO3 + 2NO + H2O

W + 2HNO3 + 6HF = WF6 + 2NO + 4H2O

 

2W + 4NaOH + 3O2 = 2Na2WO4 + 2H2O

расплав или кипящ. конц. NaOH

 

VI - валентные соединения

2W + 3O2 = 2WO3

2Mo + 3O2 = 2MoO3

CrO3 можно получить лишь косвенно:

K2Cr2O7 + H2SO4 = 2CrO3$ + K2SO4 + H2O

насыщенный концентр.

 

Кислоты Э(VI) существуют в двух формах: Н2ЭО4, и Н2Э2О7



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-06; просмотров: 443; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.222.104.49 (0.312 с.)