s, p, d-элементы, имеющие биологическое значение
Основные физические и химические свойства натрия, калия, магния и кальция. Важнейшие соединения калия. Способность магния гореть как в воде, так и в атмосфере углекислого газа. Получение, нахождение в природе фосфора, азота, хлора, серы, фтора, йода.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.09.2014 |
| Размер файла | 80,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФГОУ ВПО Ивановская государственная
сельскохозяйственная академия имени академика Д. К. Беляева
Кафедра химии
Реферат
«s, p, d-элементы, имеющие биологическое значение»
Выполнила:
Студентка 1 курса 1 группы
факультета ветеринарной медицины и биотехнологии в животноводстве
Кривдина Анастасия Юрьевна
Иваново 2011
S-элементы. Натрий, калий, магний, кальций
Натрий
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 2,64% по массе. Основные минералы: галит NaCl, мирабилит Na2SO4·10H2O, тенардит Na2SO4 , чилийская селитра NaNO3 ,трона NaHCO3·Na2CO3·2H2O, бура Na2B4O7·10H2O и природные силикаты, например, нефелин Na[AlSiO4].
В воде Мирового океана содержится 1,5·1016т солей натрия.
Получение
Na получают электролизом расплава хлорида натрия NaCl, с добавлением NаСl2, КСl и NaF для снижения температуры плавления электролита до 600°C. Аноды изготовлены из графита, катоды -- из меди или железа. Электролиз расплава проводят в стальном электролизере с диафрагмой. Параллельно с Na электролизом получают Cl2:
2NaCl=2Na+Cl2
Получаемый Na очищают вакуумной дистилляцией или обработкой титаном или сплавом титана и циркония.
Физические и химические свойства
Натрий -- мягкий серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воздухе.
Na мягок, легко режется ножом, поддается прессованию и прокатке. Выше -222°C устойчива кубическая модификация. Ниже -- гексагональная модификация. Плотность 0,96842 кг/дм3. Температура плавления 97,86°C, кипения 883,15°C.
Na химически очень активен. При комнатной температуре взаимодействует с O2 воздуха, парами воды и CO2 с образованием рыхлой корки. При сгорании Na в кислороде образуются пероксид Na2О2 и оксид Na2O:
4Na+O2=2Na2O и 2Na+O2=Na2O2
При нагревании на воздухе Na сгорает желтым пламенем, в желтый цвет окрашивают пламя и многие соли натрия. Натрий бурно реагирует с водой и разбавленными кислотами:
2Na+H2O=2NaOH+H2
При взаимодействии Na и спирта выделяется H2 и образуется алкоголят натрия:
С2Н5ОН+2Na=2С2Н5ОNa+H2
Кислородсодержащие кислоты, взаимодействуя с Na, восстанавливаются:
2Na+2Н2SO4=SO2+Na2SO4+2H2O
При нагревании до 200°C Na реагирует с H2 с образованием гидрида NaН:
2Na+H2=2NaH
Натрий самовоспламеняется в атмосфере фтора или хлора, с иодом реагирует при нагревании. При перетирании в ступке Na реагирует с S с образованием сульфидов переменного состава. Na реагирует с жидким аммиаком с образованием голубых растворов, где Na присутствует в виде ионов Na+.
Оксид натрия Na2O проявляет ярко выраженные основные свойства, легко реагирует с водой с образованием сильного основания -- гидроксида натрия NaОН:
Na2O+H2O=2NaOH
Гидроксид натрия -- очень сильное основание, щелочь, хорошо растворим в воде (в 100 г воды при 20 °C растворяется 108 г NaOH). NaОН взаимодействует с кислотными и амфотерными оксидами:
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O,
Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4] (в растворе),
В промышленности гидроксид натрия NaOH получают электролизом водных растворов NaCl или Na2CO3 c применением ионообменных мембран и диафрагм:
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
Карбонат натрия Na2CO3 получают насыщением водного раствора NaCl аммиаком и CO2, основная часть NaHCO3 выпадает в осадок:
NaCl+NH3+CO2=NaHCO3 ,
который отделяют фильтрованием. При прокаливании NaHCO3 образуется кальцинированная сода:
2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O
Na -- сильный восстановитель:
TiCl4+4Na=4NaCl+Ti
Биологическое значение
Ионы натрия Na+ необходимы для нормального функционирования организма, они участвуют в процессах обмена веществ. В плазме крови человека содержание ионов Na+ 0,32% по массе, в костях -- 0,6%, В мышечных тканях -- 1,5%. Для восполнения естественной убыли человек должен ежедневно употреблять с пищей 4-5 г Na.
Применение
Нaтрий применяется как восстановитель активных металлов, его расплав в смеси с калием является теплоносителем в ядерных реакторах, так как он плохо поглощает нейтроны. Пaры Na используются в лампах накаливания.
NaCl используется в пищевой промышленности, гидроксид натрия NaOH -- в производстве бумаги, мыла, искусственных волокон, в качестве электролита. Кaрбонат натрия Na2CO3 и гидрокарбонат NaНСO3 -- применяется в пищевой промышленности, является компонентом огнетушащих средств, лекарством. Фосфат натрия Na3PO4 -- компонент моющих средств, применяют в производстве стекол и красок, в пищевой промышленности, в фотографии. Силикаты mNa2O·nSiO2 -- компоненты шихты в производстве стекла, для получения алюмосиликатных катализаторов, жаростойких, кислотоупорных бетонов.
Калий
Нахождение в природе
Содержание калия в земной коре 2,41% по массе, калий входит в первую десятку наиболее распространенных в земной коре элементов. Основные минералы, содержащие калий: сильвин KСl (52,44% К), сильвинит (Na,K)Cl (этот минерал представляет собой плотно спрессованную механическую смесь кристалликов хлорида калия KCl и хлорида натрия NaCl), карналлит KCl·MgCl2·6H2O (35,8% К), различные алюмосиликаты, содержащие калий, каинит KCl·MgSO4·3H2O, полигалит K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O, алунит KAl3(SO4)2(OH)6. В морской воде содержится около 0,04% калия.
Получение
В настоящее время калий получают при взаимодействии с жидким натрием расплавленных KOH (при 380-450°C) или KCl (при 760-890°C):
Na + KOH = NaOH + K
Калий также получают электролизом расплава KCl в смеси с K2CO3 при температурах, близких к 700°C:
2KCl = 2K + Cl2
От примесей калий очищают вакуумной дистилляцией.
Физические и химические свойства
Металлический калий мягок, он легко режется ножом и поддается прессованию и прокатке. Обладает кубической объемно центрированной кубической решеткой. Плотность калия 0,8629 г/см3. Температура плавления 63,51°C, температура кипения калия 761°C.
Калий, как и другие щелочные металлы, химически очень активен. Легко взаимодействует с кислородом воздуха с образованием смеси, преимущественно состоящей из пероксида К2О2 и супероксида KO2 (К2О4):
2K + O2 = K2O2
При нагревании на воздухе калий сгорает фиолетово-красным пламенем. С водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует со взрывом (воспламеняется образующийся водород):
2K + 2H2O = 2KOH + H2
При нагревании до 200-300 °C калий реагирует с водородом с образованием солеподобного гидрида КН:
2K + H2 = 2KH
С галогенами калий взаимодействует со взрывом. Интересно отметить, что с азотом калий не взаимодействует.
Калий легко растворяется в жидком аммиаке с образованием голубых растворов. В таком состоянии калий используют для проведения некоторых реакций. При хранении калий медленно реагирует с аммиаком с образованием амида KNH2:
2K + 2NH3 жидк. = 2KNH2 + H2
Важнейшие соединения калия: оксид К2О, пероксид К2О2, супероксид К2О4, гидроксид КОН, иодид KI, карбонат K2CO3 и хлорид KCl.
Оксид калия К2О, как правило, получают косвенным путем за счет реакции пероксида и металлического калия:
2K + K2O2 = 2K2O
Этот оксид проявляет ярко выраженные основные свойства, легко реагирует с водой с образованием гидроксида калия КОН:
K2O + H2O = 2KOH
Гидроксид калия, или едкое кали, хорошо растворим в воде (до 49,10% массе при 20°C). Образующийся раствор -- очень сильное основание, относящееся к щелочам. КОН реагирует с кислотными и амфотерными оксидами:
SO2 + 2KOH = K2SO3 + H2O,
Al2O3 + 2KOH + 3H2O = 2K[Al(OH)4] (так реакция протекает в растворе)
В промышленности гидроксид калия KOH получают электролизом водных растворов KCl или K2CO3 c применением ионообменных мембран и диафрагм:
2KCl + 2H2O = 2KOH + Cl2+ H2,
или за счет обменных реакций растворов K2CO3 или K2SO4 с Ca(OH)2 или Ba(OH)2:
K2CO3 + Ba(OH)2 = 2KOH + BaCO3
Карбонат калия K2CO3 (обиходное название поташ) получают при нейтрализации раствора гидроксида калия углекислым газом:
2KOH + CO2 = K2CO3 + Н2О.
В значительных количествах поташ содержится в золе некоторых растений.
Биологическое значение
Калий -- один из важнейших биогенных элементов, постоянно присутствующий во всех клетках всех организмов. Ионы калия К+ участвуют в работе ионных каналов и регуляции проницаемости биологических мембран, в генерации и проведении нервного импульса, в регуляции деятельности сердца и других мышц, в различных процессах обмена веществ. Богаты калием такие продукты, как изюм, курага, горох и другие.
Применение
Металлический калий -- материал для электродов в химических источниках тока. Сплав калия с другим щелочным металлом -- натрием находит применение в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.
В гораздо больших масштабах, чем металлический калий, находят применение его соединения. Калий -- важный компонент минерального питания растений, он необходим им в значительных количествах для нормального развития, поэтому широкое применение находят калийные удобрения: хлорид калия КСl, нитрат калия, или калийная селитра, K2NO3, поташ K2CO3 и другие соли калия. Поташ используют также при производстве специальных оптических стекол, как поглотитель сероводорода при очистке газов, как обезвоживающий агент и при дублении кож.
В качестве лекарственного средства находит применение иодид калия KI. Иодид калия используют также в фотографии и в качестве микроудобрения. Раствор перманганата калия КMnO4 («марганцовку») используют как антисептическое средство.
По содержанию в горных породах радиоактивного 40К определяют их возраст.
Магний
Нахождение в природе
Магний -- один из десяти наиболее распространенных элементов земной коры. В ней содержится 2,35% магния по массе. Из-за высокой химической активности в свободном виде магний не встречается, а входит в состав множества минералов -- силикатов, алюмосиликатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и др. Так, магний содержат широко распространенные силикаты оливин (Mg,Fe)2[SiO4] и серпентин Mg6(OH)8[Si4O10]. Важное практическое значение имеют такие магнийсодержащие минералы, как асбест, магнезит, доломит MgCO3·CaCO3, бишофит MgCl2·6H2O, карналлит KCl·MgCl2·6H2O, эпсомит MgSO4·7H2O, каинит KCl·MgSO4·3H2O, астраханит Na2SO4·MgSO4·4H2O и др. Магний содержится в морской воде (4% Mg в сухом остатке), в природных рассолах, во многих подземных водах.
Получение
Обычный промышленный метод получения металлического магния -- это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl2, натрия NaCl и калия KCl. В этом расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния:
MgCl2 = Mg + Cl2.
Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в нее добавляют новые порции магнийсодержащего сырья. Так как полученный таким способом магний содержит сравнительно много -- около 0,1% примесей, при необходимости «сырой» магний подвергают дополнительной очистке.
Разработан и другой способ получения магния -- термический. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кокс:
MgO + C = Mg + CO
или кремний. Применение кремния позволяет получать магний из такого сырья, как доломит CaCO3·MgCO3, не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции:
CaCO3·MgCO3 = CaO + MgO + 2CO2,
2MgO + 2CaO + Si = Ca2SiO4 + 2Mg.
Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Для получения магния используют не только минеральное сырье, но и морскую воду.
Физические и химические свойства
Металлический магний обладает гексагональной кристаллической решеткой. Температура плавления 650°C, температура кипения 1105°C, плотность 1,74 г/см3
Поверхность магния покрыта плотной пленкой оксида MgO, при обычных условиях надежно защищающей металл от дальнейшего разрушения. Только при нагревании металла до температуры выше примерно 600°C он загорается на воздухе. Горит магний с испусканием яркого света, по спектральному составу близкого к солнечному, образуя рыхлый белый порошок оксида магния MgO:
2Mg + O2 = 2MgO.
Одновременно с оксидом образуется и нитрид магния Mg3N2:
3Mg + N2 = Mg3N2.
С горячей водой он вступает во взаимодействие, причем образуется рыхлый белый осадок гидроксида магния Mg(OH)2:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2.
Горение магния продолжается и в атмосфере углекислого газа:
2Mg + CO2 = 2MgO + C.
Способность магния гореть как в воде, так и в атмосфере углекислого газа существенно усложняет тушение пожаров, при которых горят конструкции из магния или его сплавов.
Оксид магния MgO представляет собой белый рыхлый порошок, не реагирующий с водой. Раньше его называли жженой магнезией или просто магнезией. Этот оксид обладает основными свойствами, он реагирует с различными кислотами, например:
MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O.
Отвечающее этому оксиду основание Mg(OH)2 -- средней силы, но в воде практически нерастворимо. Его можно получить, например, добавляя щелочь к раствору какой-либо соли магния:
2NaOH + MgSO4 = Mg(OH)2 + Na2SO4.
Металлический магний при комнатной температуре реагирует с галогенами:
Mg + Br2 = MgBr2.
При нагревании магний вступает во взаимодействие с серой, давая сульфид магния:
Mg + S = MgS.
Если в инертной атмосфере прокаливать смесь магния и кокса, то образуется карбид магния состава Mg2C3. При разложении карбида магния водой образуется гомолог ацетилена -- пропин С3Н4:
Mg2C3 + 4Н2О = 2Mg(OH)2 + С3Н4.
Так реагирует с азотом при нагревании, в результате образуется нитрид магния:
3Mg + N2= Mg3N2.
Нитрид магния легко разлагается водой:
Mg3N2 + 6Н2О = 3Mg(ОН)2 + 2NН3.
Присутствие в воде растворимых гидрокарбонатов магния обусловливает жесткость воды. Жесткость, вызванная гидрокарбонатом магния Mg(HCO3)2, -- временная. При кипячении гидрокарбонат магния Mg(HCO3)2 разлагается и в осадок выпадает его основной карбонат -- гидроксокарбонат магния (MgOH)2CO3:
2Mg(HCO3)2 = (MgOH)2CO3 + 3CO2 + Н2О.
Практическое применение до сих пор имеет перхлорат магния Mg(ClO4)2, энергично взаимодействующий с парами воды, хорошо осушающий воздух или другой газ, проходящий через его слой. При этом образуется прочный кристаллогидрат Mg(ClO4)2·6Н2О. Это вещество можно вновь обезводить, нагревая в вакууме при температуре около 300°C. За свойства осушителя перхлорат магния получил название «ангидрон».
Биологическое значение
Магний -- биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях всех организмов. Он входит в состав хлорофилла, участвует в минеральном обмене, активирует ферментные процессы в организме, повышает засухоустойчивость растений. С участием ионов Mg+ осуществляется биолюминесценция и ряд других биологических процессов. Широкое практическое применение находят магниевые удобрения -- доломитовая мука, жженая магнезия и др.
В организм животных и человека магний поступает с пищей. Нарушения обмена магния приводят к различным заболеваниям. В медицине применяют препараты магния -- его сульфат, карбонат, жженую магнезию.
Применение
Основная часть добываемого магния используется для получения различных легких магниевых сплавов. В состав этих сплавов, кроме магния, входят, как правило, алюминий, цинк, цирконий. Такие сплавы достаточно прочны и находят применение в самолетостроении, приборостроении и для других целей.
Высокая химическая активность металлического магния позволяет использовать его при магниетермическом получении таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, уран и др. При этом магний реагирует с оксидом или фторидом получаемого металла, например:
2Mg + TiO2 = 2MgO + Ti.
2Mg + UF4 = 2MgF2 + U.
Широкое применение находят многие соединения магния, особенно его оксид, карбонат и сульфат.
Кальций
Нахождение в природе
Кальций -- один из наиболее распространенных на Земле элементов. На его долю приходится 3,38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается. Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.). В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита -- мрамор -- встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как известняк СaCO3, ангидрит CaSO4 и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), доломит MgCO3·СaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит Ca5(PO4)3(OH), или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2 ·Са(OH)2 -- основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др.
Получение
Металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl2 (75-80%) и KCl или из CaCl2 и CaF2, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170-1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca.
Физические и химические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив Ca с кубической гранецентрированной решеткой, выше устойчив Ca с кубической объемно центрированной решеткой. Температура плавления кальция 839 °C, температура кипения 1484 °C, плотность 1,55 г/см3.
Химическая активность кальция высока. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина.
Кальций активно реагирует с водой:
Ca + 2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2.
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О2= 2СаО; Са + Br2= CaBr2.
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Са + Н2= СаН2 (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB6 (борид кальция),
3Ca + N2= Ca3N2 (нитрид кальция)
Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2,
Ca3N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NН3.
Оксид кальция -- типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:
CaCO3 = CaO + CO2.
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью.Он реагирует с водой с образованием Ca(ОН)2 и выделением большого количества теплоты:
CaО + Н2О = Ca(ОН)2.
Полученный таким способом Ca(ОН)2 обычно называют гашеной известью.
При взаимодействии с кислотными оксидами CaO образует соли, например:
СаО + SO3 = CaSO4.
Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4, средний ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего карбоната кальция СаСО3 кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение:
СаСО3 + СО2+ Н2О = Са(НСО3)2.
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2+ Н2О.
Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы , а в пещерах образуются сталактиты и сталагмиты.
Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жесткость воды. Временной ее называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО3.
Биологическое значение
Кальций -- биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях растений и животных. Важный компонент минерального обмена животных и человека и минерального питания растений, кальций выполняет в организме разнообразные функции. В составе апатита, а также сульфата и карбоната кальций образует минеральный компонент костной ткани. Кальций участвует в работе ионных каналов, осуществляющих транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного импульса, в процессах свертывания крови и оплодотворения. Регулируют обмен кальция в организме кальциферолы (витамин D). Недостаток или избыток кальция приводит к различным заболеваниям -- рахиту, кальцинозу и др. Содержание кальция высоко в молочных продуктах (таких, как творог, сыр, молоко), в некоторых овощах и других продуктах питания. Препараты кальция широко используются в медицине.
Применение
Металлический кальций применяют для металлотермического получения урана, тория, титана, циркония, цезия и рубидия.
Природные соединения кальция широко используют в производстве вяжущих материалов (цемент, гипс, известь и др.). Связывающее действие гашеной извести основано на том, что с течением времени гидроксид кальция реагирует с углекислым газом воздуха. В результате протекающей реакции образуются игольчатые кристаллы кальцита СаСОз, которые прорастают в расположенные рядом камни, кирпичи, другие строительные материалы и как бы сваривают их в единое целое. Кристаллический карбонат кальция -- мрамор -- прекрасный отделочный материал. Мел используют для побелки. Большие количества известняка расходуются при производстве чугуна, так как позволяют перевести тугоплавкие примеси железной руды (например, кварц SiO2) в сравнительно легкоплавкие шлаки.
В качестве дезинфицирующего средства очень эффективна хлорная известь -- «хлорка» Ca(OCl)Cl -- смешанный хлорид и гипохлорид кальция, обладающий высокой окислительной способностью.
Широко применяется и сульфат кальция, существующий как в виде безводного соединения, так и в виде кристаллогидратов -- так называемого «полуводного» сульфата -- алебастра CaSO4·0,5H2O и двухводного сульфата -- гипса CaSO4·2H2O. Гипс широко используют в строительстве, в скульптуре, для изготовления лепнины и различных художественных изделий. Применяют гипс и в медицине для фиксации костей при переломах.
Хлорид кальция CaCl2 используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF2 -- прекрасный оптический материал.
Азотные и фосфорные удобрения
Азотные удобрения. Выпускаются в трех видах: аммиачные (сульфат аммония), нитратные(аммиачная селитра), амидные (мочевина). Формы азота определяют сроки и технику внесения удобрения. Аммиачный азот значительно легче поглощается корнями при слабой кислотности почвы, на некоторое время закрепляется в ней. Его можно вносить как весной, так и поздней осенью. Нитратный азот почвой не закрепляется, находится в ней в виде раствора. Поэтому такое удобрение можно вносить только в период с ранней весны до середины лета. Это удобрение легко поглощается растениями и хорошо подходит для летних подкормок. К амидным удобрениям относится мочевина. Азот этого удобрения быстро (особенно при повышенных температурах) переходит в аммиачную форму. Это удобрение быстродействующее. Используется для подкормок, слабо подкисляет почву.
Фосфорные удобрения. По степени растворимости: водорастворимые (суперфосфат простой и двойной); полурастворимые -- не растворяются в воде, но растворяются в слабых кислотах (преципитат); труднорастворимые в воде, но растворимые в слабых кислотах (фосфоритная мука). Водорастворимые применяют на любых почвах. При этом тщательно перемешивать с водой их не обязательно. Полурастворимые и труднорастворимые вносят преимущественно на кислых почвах. Они становятся доступными растениям лишь после воздействия на них кислотности почвы. Вносят их заблаговременно, стараясь перемешать с почвой.
Калийные удобрения. В качестве минеральных удобрений применяются концентрированные хлористые (хлористый калий) и сернокислые (калийная соль) соли. Все они хорошо растворимы в воде. Калий довольно медленно проникает в глубь почвы, но все же быстрей чем фосфор. На глинистых и суглинистых почвах калийные удобрения надо вносить в те слои почвы, где развивается основная масса мелких корней, чтобы обеспечить быстрое поступление в них калия. На песчаных почвах калия меньше, чем на глинистых, поэтому потребность в калийных удобрениях здесь выше. На легких и торфяных почвах внесение калийных удобрений с осени нежелательно из-за вымывания калия.
Сера, входящая в состав сернокислых удобрений, -- элемент, необходимый растению. Хлор же не нужен. Хлористые удобрения поэтому лучше вносить с осени в повышенных дозах. Осенними дождями и весенними водами входящий в их состав хлор вымывается в глубокие слои почвы и не вредит растениям. В небольших дозах эти удобрения можно вносить и весной.
Пестициды, гербициды, зооциды и их применение
Пестициды (сельскохозяйственные ядохимикаты)-- собирательное название химических и биологических средств, используемых для борьбы с вредными организмами. Пестициды объединяют следующие группы таких веществ: гербициды, уничтожающие сорняки, инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей, фунгициды, уничтожающие патогенные грибы, зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных и т. д. Большая часть пестицидов -- это яды, отравляющие организмы-мишени, но к ним относят также стерилизаторы (вещества, вызывающие бесплодие) и ингибиторы роста.
Пестициды относятся к ингибиторам (отравителям) ферментов (биологических катализаторов). Под действием пестицидов часть биологических реакций перестаёт протекать и это позволяет: бороться с болезнями (антибиотики), дольше хранить пищу (консерванты), уничтожать насекомых (инсектициды), уничтожать сорняки (гербициды).
Пестициды применяются главным образом в сельском хозяйстве, хотя их используют также для защиты запасов продовольствия, древесины и других природных продуктов. Во многих странах с помощью пестицидов ведётся химическая борьба с вредителями лесов, а также переносчиками заболеваний человека и домашних животных (например с малярийными комарами).
P-элементы. Фосфор, азот, хлор, сера, фтор, йод.
Фосфор
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 0,105% по массе, что значительно превосходит содержание, например, азота. В морской воде 0,07 мг/л. В свободном виде в природе фосфор не встречается, но он входит в состав 200 различных минералов. Наиболее известны фосфорит кальция Са3(РО4)3, апатиты (фторапатит 3Са3(РО4)3 ·СаF2, или, Ca5(PO4)3F), монацит, бирюза. Фосфор входит в состав всех живых организмов.
Получение
Производство фосфора осуществляется электротермическим восстановлением его из фосфоритов и апатитов при 1400-1600°C коксом в присутствии кремнезема:
2Са3(РО4)2 + 6SiO2 + 10C = P4 + 6CaSiO3 + 10CO
4Са5(РО4)3F +21SiO2 +30C = 3P4 + 20CaSiO3 + 30CO + SiF4
Выделяющиеся пары Р4 далее обрабатывают перегретым водяным паром для получения термической фосфорной кислоты Н3РО4:
Р4 + 14Н2О = 4Н3РО4 + 8Н2
При десублимации паров Р4 образуется белый фосфор. Его перерабатывают в красный фосфор нагреванием без доступа воздуха при температуре 200-300°C в реакторах, снабженных шнековым измельчителем реакционной массы.
Физические и химические свойства
Элементарный фосфор существует в нескольких аллотропных модификациях, главные из которых: белая (фосфор III), красная (фосфор II) и черная (фосфор I).
Белый фосфор -- воскообразное, прозрачное вещество, с характерным запахом. Состоит из тетраэдрических молекул Р4, которые могут свободно вращаться. Белый фосфор обладает кубической кристаллической решеткой молекулярного типа. Плотность 1,828 кг/дм3. Температура плавления 44,14°C, температура кипения 287°C. Существует две формы белого фосфора: a-модификация, с кубической кристаллической решеткой, при -76,9°C переходит в b-модификацию, кристаллическая решетка которой не установлена и отсутствует свободное вращение молекул Р4. Диэлектрик. Растворяется в этиловом спирте, бензоле, сероуглероде CS2.
Нагревая белый фосфор без доступа воздуха при 250-300°C получают красный фосфор. Примеси натрия, иода и селена и УФ-лучи ускоряют переход одной модификации в другую.
Красный фосфор аморфен, имеет цвет от алого до темно-коричневого и фиолетового. Существует несколько кристаллических форм с различными свойствами. Кристаллический красный фосфор (фосфор Гитторфа) получают охлаждая насыщенный при температуре 600°C раствор красного фосфора в расплавленном свинце. Он обладает моноклинной решеткой. Плотность красного фосфора 2,0-2,4 кг/дм3. Диэлектрик. При нагревании красный фосфор испаряется в виде молекул Р4, конденсация которых приводит к образованию белого фосфора.
При нагревании белого фосфора до 200-220°C под давлением 1,2 ГПа образуется кристаллический черный фосфор. Решетка построена из волокнистых слоев с пирамидальным расположением атомов. Наиболее устойчивая разновидность черного фосфора имеет орторомбическую решетку. Плотность черного фосфора 2,702 кг/дм3. Внешне похож на графит; полупроводник, диамагнитен. При нагревании до 560-580°C превращается в красный фосфор. Черный фосфор малоактивен, с трудом воспламеняется.
Фосфор в соединениях главным образом ковалентен. Фосфор обладает свободными 3d-орбиталями, что приводит к образованию донорно-акцепторных связей. Наиболее активен белый фосфор. Он окисляется на воздухе. Окисление происходит по механизму цепных реакций и сопровождается хемолюминесценцией. При горении фосфора в избытке кислорода получается P2O5, который образует димеры Р4О10 и тетрамеры Р8О20. При недостатке кислорода получается P2O3. Самовоспламеняется на воздухе за счет выделяющейся при окислении теплоты. Красный фосфор на воздухе окисляется медленно, не самовоспламеняется. Черный фосфор на воздухе не окисляется.
Оксид фосфора(V) -- кислотный оксид. Он реагирует с водой с выделением большого количества теплоты. При этом сначала образуется полимерная метафосфорная кислота (НРО3)n. При обработке горячей водой она превращается в трехосновную ортофосфорную кислоту средней силы Н3РО4:
Р4О10 + 2Н2О = (НРО3)4
(НРО3)4 + 4Н2О = 4Н3РО4
Фосфор взаимодействует с галогенами с выделением большого количества тепла. С F, Cl, Br образует тригалогениды и пентагалогениды, с I -- только триодид РI3. Все галогениды фосфора легко гидролизуются до ортофосфорной Н3РО4, фосфористой Н3РО3 и галогеноводородной кислот:
РСl5 + 4Н2О = Н3РО4 + 5НСl
PI3 + 3H2O = H3PO3 + 3HI
С серой фосфор образует сульфиды Р4S3, Р4S5, Р4S7, Р4S10. Известны оксисульфиды фосфора: P2O3S2, P2O2S3, P4O4S3, P6O10S5, P4O4S3. Реагирует фосфор с Se и Te, образует соединения с Si и C (PC3).
С водородом непосредственно в реакцию не вступает. При взаимодействии с разбавленным раствором гидроксида калия КОН образуется газообразный фосфин РН3:
4Р + 3КОН +3Н2О = 3КН2РО2 + РН3
Как примесь при этом образуется также дифосфин Р2Н4. Оба фосфина имеют характерный запах тухлой рыбы.
Фосфин РН3 по химическим свойствам напоминает аммиак NH3, но менее устойчив.
Фосфор при сплавлении реагирует с металлами. С щелочноземельными образует ионные фосфиды М3Р2,разлагающиеся при контакте с водой:
Mg3P2 + 6H2O = 3Mg(OH)2+ 2PH3,
Са3Р2 + 6Н2О = 3Са(ОН)2 + 2РН3
Со переходными металлами фосфор образует металлоподобные фосфиды Mn3P, FeP, Ni2P.
Фосфор входит в состав неорганических кислот. Это ортофосфорная кислота Н3РО4 (ее соли -- ортофосфаты, моногидрофосфаты, Na2HPO4 и дигидрофосфаты, Са(Н2РО4)2); метафосфорная кислота (НРО3)n (ее соли -- метафосфаты), одноосновная фосфорноватистая кислота Н3РО2 (ее соли -- гипофосфиты, NaН2РО2), двухосновная фосфористая кислота Н3РО3 (ее соли -- фосфиты, Na2HPO3).
Фосфор входит в состав органических эфиров, спиртов и кислот.
Биологическое значение
Фосфор входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са3(РО4)3·СаF2. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.
Соединения фосфора токсичны. Смертельная доза белого фосфора -- 50-150 мг. Попадая на кожу, белый фосфор дает тяжелые ожоги. Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2-3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию.
Применение
Белый фосфор используется при изготовлении фосфорной кислоты Н3РО4 (для получения пищевых фосфатов и синтетических моющих средств). Применяется при изготовлении зажигательных и дымовых снарядов, бомб. Красный фосфор используют в изготовлении минеральных удобрений, спичечном производстве. Фосфор применяется в производстве сплавов цветных металлов как раскислитель, служит легирующей добавкой. Используется в производстве магнитомягких сплавов, при получении полупроводниковых фосфидов. Соединения фосфора служат исходными веществами для производства медикаментов.
Азот
калий хлор соединение химический
Нахождение в природе
В природе свободный (молекулярный) азот входит в состав атмосферного воздуха (в воздухе 78,09% по объему и 75,6% по массе азота), а в связанном виде -- в состав двух селитр: натриевой NaNO3 и калиевой KNO3 и ряда других соединений. По распространенности в земной коре азот занимает 17-е место, на его долю приходится 0,0019% земной коры по массе.
Получение
В промышленности азот получают из воздуха. Для этого воздух сначала охлаждают, сжижают, а жидкий воздух подвергают перегонке (дистилляции).
В лаборатории чистый («химический») азот получают, добавляя при нагревании насыщенный раствор хлорида аммония NH4Cl к твердому нитриту натрия NaNO2:
NaNO2 + NH4Cl = NaCl + N2 + 2H2O.
Можно также нагревать твердый нитрит аммония:
NH4NO2 = N2 + 2H2O.
Физические и химические свойства
Плотность газообразного азота при 0 °C 1,25046 г/дм3, жидкого азота (при температуре кипения) -- 0,808 кг/дм3. Газообразный азот при нормальном давлении при температуре -195,8°C переходит в бесцветную жидкость, а при температуре -210,0 °C -- в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже -237,54 °C устойчива форма с кубической решеткой, выше -- с гексагональной. Критическая температура азота -146,95 °C, критическое давление 3,9МПа, тройная точка лежит при температуре -210,0 °C и давлении 125,03 гПа, из чего следует, что азот при комнатной температуре ни при каком, даже очень высоком давлении, нельзя превратить в жидкость. Из-за высокой прочности молекулы N2 процессы разложения различных соединений азота (в том числе и печально знаменитого взрывчатого вещества гексогена) при нагревании, ударах и т. д. приводят к образованию молекул N2. Так как объем образовавшегося газа значительно больше, чем объем исходного взрывчатого вещества, гремит взрыв.
Химически азот довольно инертен и при комнатной температуре реагирует только с металлом литием с образованием твердого нитрида лития Li3N. В соединениях проявляет различные степени окисления (от -3 до +5). С водородом образует аммиак NH3. Косвенным путем (не из простых веществ) получают гидразин N2H4 и азотистоводородную кислоту HN3. Соли этой кислоты -- азиды. Азид свинца Pb(N3)2 разлагается при ударе, поэтому его используют как детонатор, например, в капсюлях патронов.
Известно несколько оксидов азота. С галогенами азот непосредственно не реагирует, косвенными путями получены NF3, NCl3, NBr3 и NI3, а также несколько оксигалогенидов (соединений, в состав которых, кроме азота, входят атомы и галогена, и кислорода, например, NOF3).
Галогениды азота неустойчивы и легко разлагаются при нагревании (некоторые -- при хранении) на простые вещества.
2NI3 = N2 + 3I2.
Азот не реагирует с серой, углеродом, фосфором, кремнием и некоторыми другими неметаллами.
При нагревании азот реагирует с магнием и щелочноземельными металлами, при этом возникают солеобразные нитриды общей формулы М3N2, которые разлагаются водой с образованием соответствующих гидроксидов и аммиака, например:
Са3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3.
Аналогично ведут себя и нитриды щелочных металлов. Взаимодействие азота с переходными металлами приводит к образованию твердых металлоподобных нитридов различного состава. Например, при взаимодействии железа и азота образуются нитриды железа состава Fe2N и Fe4N. При нагревании азота с ацетиленом C2H2 может быть получен цианистый водород HCN.
Из сложных неорганических соединений азота наибольшее значение имеют азотная кислота HNO3, ее соли нитраты, а также азотистая кислота HNO2 и ее соли нитриты.
Биологическое значение
Азот присутствует во всех живых организмах (1-3% на сухую массу), являясь важнейшим биогенным элементом. Он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот, коферментов, гемоглобина, хлорофилла и многих других биологически активных веществ. Некоторые, так называемые азотфиксирующие, микроорганизмы способны усваивать молекулярный азот воздуха, переводя его в соединения, доступные для использования другими организмами. Превращения соединений азота в живых клетках -- важнейшая часть обмена веществ у всех организмов.
Применение
В промышленности газ азот используют главным образом для получения аммиака. Как химически инертный газ азот применяют для обеспечения инертной среды в различных химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей. Жидкий азот широко используют как хладагент, его применяют в медицине, особенно в косметологии. Важное значение в поддержании плодородия почв имеют азотные минеральные удобрения.
Хлор
Нахождение в природе
Содержание хлора в земной коре составляет 0,013% по массе, в заметной концентрации он в виде иона Cl- присутствует в морской воде (в среднем около 18,8 г/л). Химически хлор высоко активен и поэтому в свободном виде в природе не встречается. Он входит в состав таких минералов, образующих большие залежи, как поваренная, или каменная, соль (галит) NaCl, карналлит KCl·MgCl2·6H2O, сильвин КСl, сильвинит (Na, K)Cl, каинит КСl·MgSO4·3Н2О, бишофит MgCl2·6H2O и многих других. Хлор можно обнаружить в самых разных породах, в почве.
Получение
Для получения газообразного хлора используют электролиз крепкого водного раствора NaCl (иногда используют KCl). Электролиз проводят с использованием катионообменной мембраны, разделяющей катодное и анодное пространства:
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
Для получения хлора в лаборатории используют реакцию концентрированной соляной кислоты с каким-либо сильным окислителем (перманганатом калия KMnO4, дихроматом калия K2Cr2O7, хлоратом калия KClO3, хлорной известью CaClOCl, оксидом марганца (IV) MnO2). Наиболее удобно использовать для этих целей перманганат калия: в этом случае реакция протекает без нагревания:
2KMnO4 + 16HCl = 2KСl + 2MnCl2+ 5Cl2+ 8H2O.
Физические и химические свойства
При обычных условиях хлор -- желто-зеленый газ, плотность газа при 25°C 3,214 г/дм3. Температура плавления твердого хлора -100,98°C, температура кипения -33,97°C.
Хлор немного растворим в воде. Раствор хлора в воде называют хлорной водой.
Хлор хорошо растворим во многих неполярных жидкостях. Жидкий хлор сам служит растворителем таких веществ, как ВСl3, SiCl4, TiCl4.
Из-за низкой энергии диссоциации молекул Сl2 на атомы и высокого сродства атома хлора к электрону химически хлор высоко активен. Он вступает в непосредственное взаимодействие с большинством металлов (в том числе, например, с золотом) и многими неметаллами. Так, без нагревания хлор реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами, с сурьмой:
2Sb + 3Cl2 = 2SbCl3
При нагревании хлор реагирует с алюминием и железом:
3Сl2 + 2Аl = 2А1Сl3
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3.
С водородом H2 хлор реагирует или при поджигании или при облучении смеси хлора и водорода ультрафиолетовым светом. При этом возникает газ хлороводород НСl:
Н2 + Сl2 = 2НСl.
Раствор хлороводорода в воде называют соляной (хлороводородной) кислотой. Соли соляной кислоты -- хлориды , например, хлорид аммония NH4Cl, хлорид кальция СаСl2, хлорид бария ВаСl2 и другие. Многие хлориды хорошо растворимы в воде. Практически нерастворим в воде и в кислых водных растворах хлорид серебра AgCl. Качественная реакция на присутствие хлорид-ионов в растворе -- образование с ионами Ag+ белого осадка AgСl, практически нерастворимого в азотнокислой среде:
СаСl2 + 2AgNO3 = Ca(NO3)2 + 2AgCl.
При комнатной температуре хлор реагирует с серой (образуется так называемая однохлористая сера S2Cl2) и фтором (образуются соединения ClF и СlF3). При нагревании хлор взаимодействует с фосфором (образуются, в зависимости от условий проведения реакции, соединения РСl3 или РСl5), мышьяком, бором и другими неметаллами. Непосредственно хлор не реагирует с кислородом, азотом, углеродом (многочисленные соединения хлора с этими элементами получают косвенными путями) и инертными газами (в последнее время ученые нашли способы активирования подобных реакций и их осуществления «напрямую»). С другими галогенами хлор образует межгалогенные соединения, например, очень сильные окислители -- фториды ClF, ClF3, ClF5 . Окислительная способность хлора выше, чем брома, поэтому хлор вытесняет бромид-ион из растворов бромидов, например:
Cl2 + 2NaBr = Br2 + 2NaCl
Хлор вступает в реакции замещения со многими органическими соединениями, например, с метаном СН4 :
СН4+ Сl2 = СН3Сl + НСl
Хлор вступает во взаимодействие с водными растворами щелочей. Если реакция протекает при комнатной температуре, то образуются хлорид (например, хлорид калия КCl) и гипохлорит (например, гипохлорит калия КClО):
Cl2 + 2КОН = КClО + КСl +Н2О.
При взаимодействии хлора с горячим раствором щелочи образуется соответствующий хлорид и хлорат , например:
3Сl2+ 6КОН= 5КСl + КСlО3+ 3Н2О.
При взаимодействии хлора с влажной кашицей из гидроксида кальция Са(ОН)2 образуется хлорная известь («хлорка») СаСlОСl.
Степени окисления хлора +1 отвечает слабая малоустойчивая хлорноватистая кислота НСlО. Ее соли -- гипохлориты, например, NaClO -- гипохлорит натрия. Гипохлориты -- сильнейшие окислители, широко используются как отбеливающие и дезинфицирующие агенты. При взаимодействии гипохлоритов, в частности, хлорной извести, с углекислым газом СО2 образуется среди других продуктов летучая хлорноватистая кислота , которая может разлагаться с выделением оксида хлора (I) Сl2О:
2НСlО = Сl2О + Н2О.
Именно запах этого газа Сl2О -- характерный запах «хлорки».
Степени окисления хлора +3 отвечает малоустойчивая кислота средней силы НСlО2. Эту кислоту называют хлористой, ее соли -- хлориты , например, NaClO2 -- хлорит натрия. Степени окисления хлора +4 соответствует только одно соединение -- диоксид хлора СlО2. Степени окисления хлора +5 отвечает сильная, устойчивая только в водных растворах при концентрации ниже 40%, хлорноватая кислота НСlО3. Ее соли -- хлораты, например, хлорат калия КСlО3. Степени окисления хлора +6 соответствует только одно соединение -- триоксид хлора СlО3 (существует в виде димера Сl2О6). Степени окисления хлора +7 отвечает очень сильная и довольно устойчивая хлорная кислота НСlО4. Ее соли -- перхлораты , например, перхлорат аммония NH4ClO4 или перхлорат калия КСlО4. Следует отметить, что перхлораты тяжелых щелочных металлов -- калия, и особенно рубидия и цезия мало растворимы в воде. Оксид, соответствующий степени окисления хлора +7 -- Сl2О7.
Среди соединений, содержащих хлор в положительных степенях окисления, наиболее сильными окислительными свойствами обладают гипохлориты. Для перхлоратов окислительные свойства нехарактерны.
Биологическое значение
Хлор относится к важнейшим биогенным элементам и входит в состав всех живых организмов. Некоторые растения, так называемые галофиты, не только способны расти на сильно засоленных почвах, но и накапливают в больших количествах хлориды. Известны микроорганизмы (галобактерии и др.) и животные, обитающие в условиях высокой солености среды. Хлор -- один из основных элементов водно-солевого обмена животных и человека, определяющих физико-химические процессы в тканях организма. Он участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в тканях, осморегуляции (хлор -- основное осмотически активное вещество крови, лимфы и др. жидкостей тела), находясь, в основном, вне клеток. У растений хлор принимает участие в окислительных реакциях и фотосинтезе.
Применение
Хлор -- один из важнейших продуктов химической промышленности. Его мировое производство составляет десятки миллионов тонн в год. Хлор используют для получения дезинфицирующих и отбеливающих средств (гипохлорита натрия, хлорной извести и других), соляной кислоты, хлоридов многих металлов и неметаллов, многих пластмасс (поливинилхлорида и других), хлорсодержащих растворителей (дихлорэтана СН2СlСН2Сl, четыреххлористого углерода ССl4 и др.), для вскрытия руд, разделения и очистки металлов и т.д. Хлор применяют для обеззараживания воды (хлорирования ) и для многих других целей.
Сера
Нахождение в природе
Сера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание оценивается в 0,05% по массе. В природе часто встречаются значительные залежи самородной серы (обычно вблизи вулканов). В природе сера встречается как россыпями, так и в виде кристаллических пластов, иногда образуя изумительные по красоте группы полупрозрачных желтых кристаллов (так называемые друзы). В вулканических местностях часто наблюдается выделение из-под земли газа сероводорода H2S; в этих же регионах сероводород встречается в растворенном виде в серных водах. Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO2.
На поверхности нашей планеты широко распространены месторождения различных сульфидных соединений. Наиболее часто среди них встречаются: железный колчедан (пирит) FeS2, медный колчедан (халькопирит) CuFeS2, свинцовый блеск PbS, киноварь HgS, сфалерит ZnS и его кристалическая модификация вюртцит, антимонит Sb2S3 и другие. Известны также многочисленные месторождения различных сульфатов, например, сульфата кальция (гипс CaSO4·2H2O и ангидрит CaSO4), сульфата магния MgSO4 (горькая соль), сульфата бария BaSO4 (барит), сульфата стронция SrSO4 (целестин), сульфата натрия Na2SO4·10H2O (мирабилит) и др.
Каменные угли содержат в среднем 1,0-1,5% серы. Сера может входить и в состав нефти. Целый ряд месторождений природного горючего газа , содержат как примесь сероводород.
Получение
Серу получают, в основном, выплавляя ее из горных пород, содержащих самородную (элементарную) серу.
В связи с тем, что потребность промышленности в сере очень велика, разработаны методы ее получения из сероводорода H2S и сульфатов. Метод основан на восстановлении сульфата натрия углем в присутствии известняка CaCO3.
Na2SO4 + 2C = Na2S + 2CO2
Na2S + CaCO3 = Na2CO3 + CaS.
Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:
CaS + CO2 + H2O = CaCO3 + H2S
Образующийся сероводород H2S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:
2H2S + O2 = 2H2O +2S
Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.
Физические и химические свойства
Сера образует несколько десятков как кристаллических, так и аморфных модификаций, отличающихся как составом молекул и полимерных цепей, так и способом их упаковки в твердом состоянии.
При нормальном давлении и температурах до 98,38 °C стабильна ромбическая сера, образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая. Плотность 2,07 кг/дм3. Выше 95,39 °C стабильна моноклинная сера. Плотность 1,96 кг/дм3.
Еще одну модификацию серы -- так называемую ромбоэдрическую серу -- можно получить выливанием раствора тиосульфата натрия Na2S2O3 в концентрированную соляную кислоту при 0 °C с последующей экстракцией серы толуолом. После испарения растворителя возникают ромбоэдрические кристаллы
Аморфную серу (плотность 1,92 г/см3) и резиноподобную пластическую серу получают при резком охлаждении расплавленной серы (выливая расплав в холодную воду).
Температура плавления ромбической 112,8 °С, а моноклинной 119,3 °С.
В воде сера практически нерастворима. Некоторые ее модификации растворяются в органических жидкостях (толуоле, бензоле) и особенно хорошо -- в сероуглероде CS2 и жидком аммиаке NH3.
Сера -- достаточно активный неметалл. Даже при умеренном нагревании она окисляет многие простые вещества, но и сама довольно легко окисляется кислородом и галогенами.
S + O2 = SO2, S + 3F2 = SF6,
2S + Cl2 = S2Cl2 (c примесью SCl2)
С водородом при нагревании сера образует сероводород H2S
H2 + S = H2S.
Примеры реакций серы с металлами:
2Na + S = Na2S,
Ca + S = CaS, Fe + S = FeS
Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет серу до SO2:
S + 2H2SO4 = 2H2O + 3SO2.
Царская водка (смесь азотной и соляной кислот) окисляет серу до серной кислоты.
Разбавленная азотная кислота, соляная кислота без окислителей и серная кислота на холоде с серой во взаимодействие не вступают. При нагревании в кипящей воде или растворах щелочей сера диспропорционирует:
3S + 6NaOH = 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O;
При нагревании сера реагирует почти со всеми элементами, кроме инертных газов, иода, азота, платины и золота.
Известно несколько оксидов серы. Кроме устойчивых диоксида серы SO2 и триоксида серы SO3, получены неустойчивые оксиды S2O (при пропускании тока SO2 через тлеющий разряд) и S8O (при взаимодействии H2S c SOCl2). Пероксиды SO4 и S2O7 образуются при пропускании SO2 в смеси с кислородом через тлеющий разряд или за счет окисления SO2 озоном.
Кислотному диоксиду серы SO2 соответствует неустойчивая кислота средней силы H2SO3 (сернистая кислота):
Н2О + SO2 = H2SO3,
а кислотному триоксиду серы SO3-- сильная двухосновная серная кислота H2SO4:
SO3 + H2O = H2SO4
И сернистой кислоте H2SO3, и серной H2SO4 соответствуют по два ряда солей: кислые NaHSO3, Ca(HSO3)2, КНSO4, NaНSO4 и др. и средние Na2SO3, K2SO3 , CaSO4, Fe2(SO4)3.
Сера входит в состав многих органических соединений.
Биологическое значение
Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи -S-S- в полипетидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (-SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.
...Подобные документы
Характеристика элемента. Получение магния. Физические и химические свойства магния. Соединения магния. Неорганические соединения. Магнийорганические соединения. Природные соединения магния. Определение магния в почвах, в воде. Биологическое значение магни
реферат [40,1 K], добавлен 05.04.2004Физические и химические свойства галогенов, их положение в Периодической таблице элементов Менделеева. Основные источники и биологическое значение хлора, брома, иода, фтора. Нахождение галогенов в природе, их получение и промышленное использование.
презентация [64,6 K], добавлен 01.12.2014Характеристика магния: химические свойства, изотопы в природе. Соли магния: бромид, гидроксид, иодид, сульфид, хлорид, цитрат, английская соль; их получение и применение. Синтез нитрата магния по реакции концентрированной азотной кислоты с оксидом магния.
курсовая работа [74,6 K], добавлен 29.05.2016Характеристика магния, способы его производства. Знакомство с вредными веществами, образуемыми при получении магния. Паспорта ингредиентных загрязнителей: хлора, диоксида и монооксида углерода, фторидов натрия и кальция. Происхождение твердых отходов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 11.05.2014Физические и химические свойства хлора. Химическая активность, соединение с другими элементами, распространенность в природе в чистом виде и в соединениях. Биологическое значение и применение хлора. Основная форма поступления в организм – хлорид натрия.
презентация [942,9 K], добавлен 09.12.2012История открытия магния. Характеристика по положению в периодической системе Д.И. Менделеева. Применение магния и его соединений. Его физические свойства. Химические свойства магния и его соединений. Распространение в природе и особенности получения.
реферат [37,0 K], добавлен 26.08.2014Роль углекислого газа в живой природе, в процессах метаболизма живой клетки. Строение молекулы газа. Получение углекислого газа в лаборатории и промышленности. Физические и химические свойства диоксида углерода. Примеры применения углекислого газа.
презентация [561,6 K], добавлен 18.04.2014Химические свойства элементов s-блока периодической системы. Механизмы образования осадков элементов групп IА и IIА. Возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах. Электронное строение и биологический антагонизм натрия, калия, кальция, магния.
реферат [66,2 K], добавлен 26.11.2010Соединения магния, кальция и бария как лекарственные средства. Изменения в группе величины радиусов атомов и ионов, потенциал ионизации. Качественные реакции на ионы магния, кальция, стронция. Биологическая роль магния и кальция, значение для организма.
реферат [24,6 K], добавлен 14.04.2015Химические свойства металлов, их присутствие в организме человека. Роль в организме макроэлементов (калия, натрия, кальция, магния) и микроэлементов. Содержание макро- и микроэлементов в продуктах питания. Последствия дисбаланса определенных элементов.
презентация [2,2 M], добавлен 13.03.2013Нахождение азота в природе, его физические и химические свойства. Выделение азота из жидкого воздуха. Свойство жидкого азота при испарении резко понижать температуру. Получение аммиака и азотной кислоты. Образование и скопление селитры в природе.
реферат [490,6 K], добавлен 20.11.2011Магний как элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода с атомным номером 12, его основные физические и химические свойства, строение атома. Распространенность магния, соединения и сферы их практического применения. Регенерация клеток.
реферат [475,5 K], добавлен 18.04.2013Физические и химические свойства йода. Важнейшие соединения йода, их свойства и применение. Физиологическое значение йода и его солей. Заболевания, связанные с его нехваткой. Применение йода в качестве антисептика, антимикробные свойства его соединений.
реферат [26,7 K], добавлен 26.10.2009Строение атома оксида серы, его молекулярная формула, валентность, тип кристаллической решетки. Нахождение в природе сернистого газа SO2. Его физические и химические свойства. Получение сернистого газа в промышленности и в лабораторных условиях.
презентация [330,6 K], добавлен 13.05.2015Переходные металлы - элементы побочных подгрупп периодической системы химических элементов. Элементы VIIB и VIIIB группы: химические и физические свойства. Соединения марганца. Применение перманганата калия. Соединения кобальта и никеля и их свойства.
презентация [73,6 K], добавлен 02.05.2013Понятие и практическое значение галогенов, их физические и химические свойства, отличительные признаки. Характеристика и способы получения галогенов: йода, брома, хлора, фтора, астат. Реакции, характерные для данных галогенов, сферы их использования.
презентация [988,7 K], добавлен 11.03.2011Фосфор как элемент и как простое вещество: физические, химические свойства, получение, применение. Соединения фосфора: оксиды, кислоты и их соли, фосфорные удобрения. Биологическое значение фосфора - составной части тканей человека, животных и растений.
реферат [324,5 K], добавлен 18.03.2009История открытия азота, его формула и свойства, нахождение в природе и химические реакции, которые происходят непосредственно в природе при участии азота. Методы связывания, получение и свойства нескольких важнейших соединений, области применения азота.
курсовая работа [896,1 K], добавлен 22.05.2010История открытия галогенов – типичных неметаллов, их соединения в природе. Строение и свойства атомов фтора, хлора, брома, йода и астата. Особенности их взаимодействия с металлами, водородом и растворами солей. Физические свойства и строение галогенов.
презентация [599,8 K], добавлен 10.01.2012Как распространены оксидные соединения в природе. Какие оксиды образуют природные минералы. Химические свойства диоксида углерода, углекислого газа, карбона (II) оксида, красного, магнитного и бурого железняков, оксида хрома (III), оксида кальция.
презентация [1,7 M], добавлен 19.02.2017
