Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Рассмотрены строение, физические и химические свойства, получение простых веществ и соединений р-элементов III-VII групп Периодической системы элементов Менделеева. Содержит описание строения, физических, химических свойств простых веществ и соединений p-элементов и их промышленных способов получения; тестовые вопросы для оценки уровня усвоения учебного материала; описание опытов лабораторных работ. Предназначено для студентов СПО технологических специальностей, изучающих дисциплину «Химия», преподавателей химии СПО. Подготовлено на кафедре неорганической химии.
Хамитова, А. И. Химия р-элементов : учебное пособие / А. И. Хамитова, Т. Т. Зинкичева, Т. Н. Гришаева ; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. - 216 с. - ISBN 978-5-7882-3184-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/2067256 (дата обращения: 20.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

А. И. Хамитова, Т. Т. Зинкичева, Т. Н. Гришаева

ХИМИЯ р-ЭЛЕМЕНТОВ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2022
УДК 546.8(075)
ББК Г124я7

Х18

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р пед. наук, проф. С. И. Гильманшина

канд. хим. наук, доц. М. А. Казымова

Х18

Хамитова А. И.
Химия р-элементов : учебное пособие / А. И. Хамитова, Т. Т. Зинки-
чева, Т. Н. Гришаева; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. 
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 216 с.

ISBN 978-5-7882-3184-6

Рассмотрены строение, физические и химические свойства, получение про-

стых веществ и соединений р-элементов III–VII групп Периодической системы 
элементов Менделеева. Содержит описание строения, физических, химических 
свойств простых веществ и соединений p-элементов и их промышленных способов 
получения; тестовые вопросы для оценки уровня усвоения учебного материала; 
описание опытов лабораторных работ. 

Предназначено для студентов СПО технологических специальностей, изуча-

ющих дисциплину «Химия», преподавателей химии СПО. 

Подготовлено на кафедре неорганической химии.

ISBN 978-5-7882-3184-6
© Хамитова А. И., Зинкичева Т. Т., 

Гришаева Т. Н., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 546.8(075)
ББК Г124я7

2
О Г Л А В Л Е Н И Е

Введение.........................................................................................................................9

1. р-ЭЛЕМЕНТЫ VII ГРУППЫ.................................................................................11

1.1. Положение в Периодической системе химических 
элементов Д. И. Менделеева...................................................................................11

1.1.1. История открытия.......................................................................................11

1.1.2. Изотопы........................................................................................................12

1.1.3. Валентные конфигурации атомов.............................................................13

1.1.4. Степени окисления .....................................................................................13

1.1.5. Периодические свойства............................................................................13

1.2. Простые вещества.............................................................................................14

1.2.1. Физические свойства..................................................................................14

1.2.2. Кристаллические решетки .........................................................................15

1.3. Нахождение в природе .....................................................................................16

1.3.1. Минералы ....................................................................................................18

1.3.2. Получение простых веществ в промышленности и лаборатории .........19

1.3.3. Биологическая роль ....................................................................................22

1.4. Химические свойства простых веществ.........................................................24

1.4.1. Взаимодействие с металлами ....................................................................24

1.4.2. Взаимодействие с неметаллами ................................................................25

1.4.3. Взаимодействие со сложными веществами .............................................28

1.5. Бескислородные кислоты.................................................................................31

1.5.1. Физические свойства галогеноводородов и бескислородных 
кислот галогенов...................................................................................................31

1.5.2. Сила бескислородных кислот галогенов..................................................32

1.5.3. Химические свойства галогеноводородных кислот................................33

1.5.4. Получение галогеноводородных кислот ..................................................35

1.6. Кислородсодержащие соединения хлора .......................................................36

1.6.1. Оксиды хлора ..............................................................................................36
1.6.2. Кислородсодержащие кислоты хлора ......................................................38

1.7. Применение галогенов и их соединений........................................................42

Тесты для самоконтроля........................................................................................43

Лабораторная работа по теме «p-Элементы VII группы» ...............................48

2. р-ЭЛЕМЕНТЫ VI ГРУППЫ..................................................................................52

2.1. Положение в Периодической системе химических элементов 
Д. И. Менделеева......................................................................................................52

2.1.1. История открытия.......................................................................................52

2.1.2. Изотопы........................................................................................................53

2.1.3. Валентные конфигурации атомов.............................................................53

2.1.4. Степени окисления .....................................................................................54

2.1.5. Периодические свойства............................................................................54

2.2. Простые вещества.............................................................................................55

2.2.1. Физические свойства..................................................................................57

2.2.2. Кристаллические решетки .........................................................................58

2.3. Нахождение в природе .....................................................................................59

2.3.1. Минералы ....................................................................................................60

2.3.2. Получение простых веществ в промышленности и лаборатории .........62

2.3.3. Биологическая роль ....................................................................................65

2.4. Химические свойства простых веществ.........................................................66

2.4.1. Взаимодействие с металлами ....................................................................66

2.4.2. Взаимодействие с неметаллами ................................................................67

2.4.3. Взаимодействие со сложными веществами .............................................69

2.5. Летучие водородные соединения....................................................................70

2.5.1. Физические свойства..................................................................................71

2.5.2. Химические свойства .................................................................................72

2.5.3. Получение летучих водородных соединений..........................................76

2.6. Пероксид водорода ...........................................................................................78

2.7. Оксиды серы......................................................................................................79

2.7.1. Сернистая и серная кислоты......................................................................82

2.7.2. Тиосерная кислота ......................................................................................88
2.8. Применение халькогенов и их соединений....................................................90

Тесты для самоконтроля........................................................................................91

Лабораторная работа по теме «р-Элементы VI группы».................................97

3. р-ЭЛЕМЕНТЫ V ГРУППЫ ...................................................................................99

3.1. Положение в Периодической системе химических элементов 
Д. И. Менделеева......................................................................................................99

3.1.1. История открытия.......................................................................................99

3.1.2. Изотопы......................................................................................................100

3.1.3. Валентные конфигурации атомов...........................................................100

3.1.4. Степени окисления ...................................................................................100

3.1.5. Периодические свойства..........................................................................100

3.2. Простые вещества...........................................................................................101

3.2.1. Физические свойства................................................................................103

3.2.2. Кристаллические решетки .......................................................................104

3.3. Нахождение в природе ...................................................................................105

3.3.1. Минералы ..................................................................................................107

3.3.2. Получение простых веществ в промышленности и лаборатории .......108

3.3.3. Биологическая роль ..................................................................................109

3.4. Химические свойства простых веществ.......................................................111

3.4.1. Взаимодействие с металлами ..................................................................111

3.4.2. Взаимодействие с неметаллами ..............................................................112

3.4.3. Взаимодействие со сложными веществами ...........................................113

3.5. Летучие водородные соединения..................................................................114

3.5.1. Физические свойства................................................................................114

3.5.2. Строение ....................................................................................................115

3.5.3. Химические свойства ...............................................................................116

3.5.4. Получение летучих водородных соединений........................................119

3.6. Оксиды азота ...................................................................................................121

3.7. Оксиды фосфора .............................................................................................124

3.8. Азотистая и азотная кислоты.........................................................................126

3.9. Фосфоновая, ортофосфорная и пирофосфорная кислоты ..........................131
3.10. Применение простых веществ р-элементов V группы 
и их соединений .....................................................................................................135

Тесты для самоконтроля......................................................................................136

Лабораторная работа по теме «р-Элементы V группы» ................................141

4. р-ЭЛЕМЕНТЫ IV ГРУППЫ................................................................................144

4.1. Положение в Периодической системе химических элементов 
Д. И. Менделеева....................................................................................................144

4.1.1. История открытия.....................................................................................144

4.1.2. Изотопы......................................................................................................144

4.1.3. Валентные конфигурации атомов...........................................................145

4.1.4. Степени окисления ...................................................................................145

4.1.5. Периодические свойства..........................................................................146

4.2. Простые вещества...........................................................................................146

4.2.1. Физические свойства................................................................................150

4.2.2. Кристаллические решетки .......................................................................151

4.3. Нахождение в природе ...................................................................................152

4.3.1. Минералы ..................................................................................................153

4.3.2. Получение простых веществ в промышленности 
и лаборатории......................................................................................................154

4.3.3. Биологическая роль ..................................................................................155

4.4. Химические свойства простых веществ.......................................................157

4.4.1. Взаимодействие с металлами ..................................................................157

4.4.2. Взаимодействие с неметаллами ..............................................................158

4.4.3. Взаимодействие со сложными веществами ...........................................159

4.5. Летучие водородные соединения..................................................................162

4.5.1. Физические свойства................................................................................162

4.5.2. Строение ....................................................................................................163

4.5.3. Химические свойства ...............................................................................163

4.5.4. Получение летучих водородных соединений........................................165

4.6. Оксиды углерода и кремния ..........................................................................166

4.7. Угольная и кремниевая кислоты ...................................................................170
4.8. Уксусная кислота ............................................................................................173

4.9. Применение простых веществ р-элементов IV группы 
и их соединений .....................................................................................................174

Тесты для самоконтроля......................................................................................175

Лабораторная работа по теме «р-Элементы IV группы»...............................178

5. р-ЭЛЕМЕНТЫ III ГРУППЫ ................................................................................181

5.1. Положение в Периодической системе химических элементов 
Д. И. Менделеева....................................................................................................181

5.1.1. История открытия.....................................................................................181

5.1.2. Изотопы......................................................................................................181

5.1.3. Валентные конфигурации атомов...........................................................182

5.1.4. Степени окисления ...................................................................................182

5.1.5. Периодические свойства..........................................................................182

5.2. Простые вещества...........................................................................................183

5.2.1. Физические свойства................................................................................185

5.2.2. Кристаллические решетки .......................................................................185

5.3. Нахождение в природе ...................................................................................186

5.3.1. Минералы ..................................................................................................187

5.3.2. Получение простых веществ в промышленности и лаборатории .......188

5.3.3. Биологическая роль ..................................................................................190

5.4. Химические свойства простых веществ.......................................................192

5.4.1. Взаимодействие с металлами ..................................................................192

5.4.2. Взаимодействие с неметаллами ..............................................................192

5.4.3. Взаимодействие со сложными веществами ...........................................194

5.5. Водородные соединения ................................................................................196

5.5.1. Физические свойства................................................................................197

5.5.2. Строение ....................................................................................................197

5.5.3. Химические свойства ...............................................................................199

5.5.4. Получение водородных соединений.......................................................201

5.6. Оксиды бора и алюминия...............................................................................202

5.7. Гидроксосоединения бора и алюминия........................................................204
5.8. Применение простых веществ р-элементов III группы 
и их соединений .....................................................................................................207

Тесты для самоконтроля......................................................................................208

Лабораторная работа по теме «р-Элементы III группы»...............................211

Заключение ................................................................................................................214

Библиографический список .....................................................................................215

8 
В В Е Д Е Н И Е

р-Элементы – это элементы, у которых валентные электроны рас-

положены на внешних s- и р-подуровнях. В Периодической системе химических 
элементов Д. И. Менделеева р-элементы расположены начиная 
со второго периода. В малых периодах они следуют за s-элементами, 
а в больших – за d-элементами, завершая период. В каждом периоде 
находится шесть р-элементов – по максимальному числу валентных 
электронов, расположенных на s- и р-подуровнях.

В периодах слева направо по мере увеличения заряда ядра радиусы 

атомов р-элементов уменьшаются, энергия ионизации и сродство 
к электрону в целом возрастают, электроотрицательность увеличивается, 
неметаллические свойства усиливаются. В подгруппах р-элементов 
сверху вниз с ростом атомного номера радиусы атомов увеличиваются, 
энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность 
уменьшаются, металлические свойства усиливаются.

Степень окисления р-элемента определяется числом электронов, 

участвующих в образовании химических связей. Максимальная положительная 
степень окисления р-элемента равна числу электронов на валентном 
слое и совпадает с номером группы, в которой находится элемент, 
при использовании короткопериодной формы Периодической системы 
химических элементов Д. И. Менделеева. Исключения составляют 
фтор и кислород, для которых вследствие высокой электроотрицательности 
высшая степень окисления, равная номеру группы, нехарактерна. 
Низшую отрицательную степень окисления находят по разности (№ 
группы – 8). С увеличением порядкового номера р-элемента 
в подгруппе устойчивая степень окисления уменьшается. Например, 
для углерода устойчивая степень окисления +4, а для свинца она составляет +
2. 

Физические свойства простых веществ р-элементов в нормальных 

условиях сильно различаются. По агрегатному состоянию они являются 
и газообразными веществами (водород, фтор, хлор, кислород, 
азот, инертные газы), и жидкостями (бром), и твердыми веществами 
(йод, сера, селен, р-металлы и др.).

Химические свойства простых веществ р-элементов весьма разно-

образны. Одна часть р-элементов являются достаточно активными металлами, 
например алюминий. Другая часть р-элементов – неметаллов 
(фтор, хлор, бром, кислород и ряд других при повышенных 
температурах) – являются высокореакционноспособными веществами, 
а третья часть представляют собой инертные простые вещества – инертные 
газы. 

Следует подчеркнуть, что свойства р-элементов второго периода 

резко отличаются от свойств элементов нижеследующих периодов. 
Умение разобраться в причинах этого, разнообразие физических и химических 
свойств р-элементов обусловливают важность их тщательного 
изучения. Попыткам подобного изучения и посвящено данное 
пособие.

10 
1 .  р - Э Л Е М Е Н Т Ы  V I I  Г Р У П П Ы

1.1. Положение в Периодической системе химических 

элементов Д. И. Менделеева

р-Элементы VII группы: фтор хлор, бром, йод, астат – расположены 

в главной подгруппе VII группы. Эти элементы называют галогенами
(от греч. «галос» – соль и «генос» – рождение, т. е. галогены буквально – 
рождающие соли).

1.1.1. История открытия

В 1771 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле была по-

лучена плавиковая кислота при обработке минерала флюорита серной 
кислотой. Это событие рассматривается как открытие фтора. Как химический 
элемент, входящий в состав плавиковой кислоты, фтор был 
предсказан в 1810 г.

В свободном виде фтор был выделен Анри Муассаном в 1886 г.

электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего 
примесь кислого фторида калия (KHF2). Название «фтор» происходит 
от греч. «фторос» – разрушающий.

Хлор был открыт в 1774 г. Карлом Шееле при взаимодействии пи-

ролюзита с соляной кислотой:

MnO2 + 4HCl = Cl2 + MnCl2 + 2H2O.

Название «хлор» происходит от греч. хлорос – «зеленый».
Бром был независимо открыт двумя химиками: Карлом Якобом Де-

вихом в 1825 г. и Антуаном Жеромом Баларом в 1826 г. Балар заметил 
бурое окрашивание при добавлении хлорной воды к маточному раствору 
бассейнов. Он дал открытому элементу название «мурид», но по 
предложению проверявшей его открытие комиссии Парижской АН изменил 
его на закрепившееся «бром», от греч. бромос – «вонь».
Йод был открыт в 1811 г. французским химиком Бернаром Куртуа. 

При кипячении серной кислоты с рассолом золы морских водорослей 
Куртуа наблюдал выделение фиолетового пара, при охлаждении превращающегося 
в темные кристаллы с ярким блеском. Название «йод»
происходит от греческого йодос – «фиолетовый».

Астат, самый редкий природный элемент Периодической системы,

был синтезирован искусственно до того, как обнаружен в природе. 
Во всей земной коре его насчитывается не более 1 г. Астат был предсказан 
как «эка-йод» Д. И. Менделеевым в 1898 г., а впервые получен 
искусственно в 1940 г. Д. Корсоном, К. Р. Маккензи и Э. Сегре в Калифорнийском 
университете. Для синтеза изотопа 211At ученые облучали 
висмут альфа-частицами:

209
4
211
1
83
2
85
0
Bi+ He
At
2
.n
→
+

В 1943–1946 гг. изотопы астата были обнаружены в составе при-

родных радиоактивных рядов. Название элемента произошло от греч. 
астатос – «неустойчивый».

1.1.2. Изотопы

Фтор состоит только из атомов c атомной массой 19 г/моль – 19F.

Природный хлор состоит из смеси двух изотопов: 35Cl (75,4 % по массе) 
и 37Cl (24,6 %). При расчете атомной массы, указанной в Периодической 
системе химических элементов Д. И. Менделеева, для любого элемента 
учитывается распространенность в земной коре его стабильных 
изотопов: 

Ar(Cl) = Ar(35Cl).w(35Cl) + Ar(37Cl).w(37Cl) = 35·0,754 + 37·0,246 = 

= 35,455 г/моль.

Для расчетов берется округленное значение атомной массы хлора –
35,5 г/моль. 

Природный бром состоит из смеси изотопов 
79Br
(50,5 %) 

и 81Br(49,5 %), тогда как йод – только из атомов 127I.
Для астата известны только радиоактивные изотопы с небольшой 

продолжительностью жизни – в среднем 12 ч для наиболее долгоживущего 
210At.

1.1.3. Валентные конфигурации атомов

На внешнем электронном слое у р-элементов VII группы находятся 

7 электронов. Таким образом, валентная электронная конфигурация галогенов 
в общем виде записывается следующим образом: ns2np5, где n –
номер периода, в котором находится элемент.

1.1.4. Степени окисления

Исходя из валентной электронной конфигурации галогенов можно 

выделить низшую степень окисления −1 (по числу недостающих до завершения 
электронного слоя электронов) и высшую степень окисления
+7 (исходя из числа валентных электронов). Однако в этой общей закономерности 
исключением является фтор – самый электроотрицательный 
элемент, который во всех сложных соединениях проявляет степень 
окисления −1. 

Для хлора, брома и йода как элементов нечетной подгруппы (со-

гласно так называемому правилу четности) более устойчивы соединения 
в нечетных степенях окисления (+1, +3, +5, +7), хотя соединения 
в четных степенях окисления также существуют.

1.1.5. Периодические свойства

Периодические свойства атомов галогенов представлены в табл. 1.1.
Как видно из табл. 1.1, в ряду F – Cl – Br – I – At радиус атомов 

увеличивается с увеличением числа электронных слоев. Энергия ионизации 
в данном ряду соответственно уменьшается. Это свидетельствует 
об уменьшении неметаллических признаков и увеличении металли-
ческих. Фтор является самым активным неметаллом, а астат уже имеет 
некоторые признаки элемента-металла.

Таблица 1.1

Периодические свойства атомов галогенов

Валентная 
электронная 
конфигурация

Элемент
Ковалентный 
радиус атома, 

нм

Первая 
энергия 

ионизации, эВ

Сродство 

к электрону, 

эВ

Относительная электроотрицательность 

(
по Полингу)

2s22p5
Фтор
0,064
17,42
3,5
4,0

3s23p5
Хлор
0,099
12,97
3,6
3,0

4s24p5
Бром
0,114
11,81
3,5
2,8

5s25p5
Йод
0,133
10,45
3,3
2,5

6s26p5
Астат
0,144
9,2
–
2,2

1.2. Простые вещества

Простые вещества галогенов представляют собой двухатомные мо-

лекулы: F2, Cl2, Br2, I2. At2.

Фтор в обычных условиях – чрезвычайно токсичный газ светло-

желтого цвета с резким запахом. Фтор легче воздуха. Простое вещество
хлор – чрезвычайно токсичный газ желто-зеленого цвета с резким запахом. 
Хлор тяжелее воздуха. Бром представляет собой тяжелую красно-
коричневую жидкость с сильным неприятным запахом. Бром летуч 
и ядовит. Йод в нормальных условиях – кристаллическое вещество 
темно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском. Йод легко 
образует фиолетовые пары, обладающие резким запахом. Элементарный 
йод высокотоксичен. Астат представляет собой нестабильные кристаллы 
темно-синего цвета. Астат радиоактивен и радиотоксичен.

1.2.1. Физические свойства

Некоторые физические свойства галогенов представлены в табл. 1.2.
Как видно из табл. 1.2, в ряду двухатомных молекул F2 – Cl2 – Br2 –

I2 – At2 закономерно увеличиваются температуры кипения и плавления, 
что связано с увеличением размеров и массы соединений, а следовательно, 
и с увеличением силы взаимодействия между молекулами.

Таблица 1.2

Физические свойства простых веществ галогенов

Соединение
Молярная масса,

г/моль

Температура 
кипения, °С

Температура 
плавления, °С

F2
38
–219,7
–188,2

Cl2
71
–101
–34,1

Br2
160
–7,2
59,82

I2
254
113,6
184,35

At2
420
244
309

Растворимость галогенов в воде сравнительно мала. Гораздо лучше 

галогены растворяются в неполярных растворителях: спиртах, бензоле, 
эфирах, сероуглероде и др.

1.2.2. Кристаллические решетки

В конденсированном состоянии галогены, кроме астата, имеют мо-

лекулярные кристаллические решетки. В узлах такого типа решеток 
находятся молекулы, в данном случае двухатомные молекулы галогенов (
табл. 1.3).

Таблица 1.3

Кристаллические решетки галогенов

Вещество
Тип кристаллической решетки
Структура

-Фтор
Молекулярная, структура 
моноклинная 

-Фтор
Молекулярная, структура 
кубическая 

Хлор 
Молекулярная, структура 
орторомбическая 
Бром
Йод 
Астат 
Атомная, структура гранецентрированная 
кубическая
Фтор существует в двух стабильных кристаллических модифика-

циях: -фтор и -фтор. -Фтор непрозрачный, твердый и хрупкий, существует 
при температуре ниже −227,4 °С. В моноклинной решетке -фтора 
три оси имеют разную длину и два угла являются прямыми. Базовый элемент – 
наклонная призма, в основании которой находится ромб.

-Фтор прозрачный, менее плотный и твердый, существует в ин-

тервале температур от −227,4 до −219,47 °С. В кубической решетке 
-фтора три оси имеют одинаковую длину и три угла являются прямыми. 
Базовый элемент – куб.

В орторомбической решетке хлора, брома и йода три оси имеют 

разную длину, а три угла являются прямыми. Базовый элемент решетки – 
прямоугольный параллелепипед. В гранецентрированной кубической 
решетке астата атомы расположены в центрах граней и вершинах 
простой кубической решетки.

1.3. Нахождение в природе

Простые вещества галогены имеют высокую реакционную (окис-

лительную) способность, поэтому в природе встречаются обычно 
в виде соединений – галогенидов (фторидов, хлоридов, бромидов, йодидов) 
в соответствии с устойчивой степенью окисления −1. Распространенность 
галогенов (за исключением фтора) уменьшается с увеличением 
атомного радиуса – от фтора к йоду (табл. 1.4).

Фтор – достаточно распространенный в природе элемент. Его со-

держание в земной коре составляет 2,8 % от общего числа атомов, или 
6.10−2 % – по массе. В почве фтор накапливается в результате вулканической 
деятельности. В составе вулканических газов обычно содержится 
большое количество фтороводорода. Основная масса фтора земной 
поверхности обязана своим происхождением горячим недрам 
Земли, откуда выделялись пары фтороводорода.

Подобно фтору основная масса хлора поступила на земную поверх-

ность из горячих недр Земли. В настоящее время с вулканическими газами 
ежегодно выделяются миллионы тонн фторо- и хлороводородов. 
Хлор также относится к распространенным элементам. Содержание 
хлора в земной коре составляет 2,6 % от общего числа атомов, а массовая 
доля хлора равна 1,7.10−2 %.
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину