Химия и биологическая роль элементов IIIB-VB групп

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВПО «ОрГМА Министерства здравоохранения России»

РЕФЕРАТ

ХИМИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ IIIB - VB групп

Выполнила: студентка 107 гр.

Гаджимагомедова П.И

Преподаватель: Кузмичева Н.А.

Оренбург 2013

Содержание

атом ион комплексообразование тастин

Введение

Глава 1. Общая характеристика, история открытия и распространенность в природе

Глава 2. Изменения в группе величин радиусов атомов и ионов, потенциала ионизации

Глава 3. Устойчивые соединения элементов. Окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования и образования малорастворимых соединений

Глава 4. Особенности свойств элементов III б группы по сравнению с другими элементами d-блока

Глава 5. Медикобиологическое значение элементов III б - V б групп. Применение тастина и тантала в медицине

Заключение

Список использованных источников

Введение

Объектом данной работы являются побочные элементы 5, 6 и 7 групп периодической системы химических элементов.

Основной целью данной работы является изучить и описать химию и биологическую роль этих элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Дать общую характеристику этих элементов

Рассмотреть устойчивые соединения с этими элементами, изучить Окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования и образования малорастворимых соединений.

Выявить особенности свойств элементов III б группы по сравнению с другими элементами D-блока

Выяснить медикобиологическое значение этих элементов и их применение в медицине.



Глава 1. Общая характеристика, история открытия и распространенность в природе

Подгрумппа скамндия -- химические элементы 3-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации -- элементы побочной подгруппы III группы). Ввиду особенностей строения электронной конфигурации элементов этой группы точный состав её в разных источниках имеет различия. Следующие d-элементы из переходных металлов всегда считаются членами группы 3:

скандий (Sc)

иттрий (Y)

При определении оставшейся части группы 3 возникли 4 конвенции:

Некоторые таблицы включают в члены группы 3 лантан (La) и актиний (Ac) (начальные элементы семейств лантаноидов и актиноидов, соответственно). В наиболее часто встречающихся формах 3+ ионов эти элементы не имеют частично заполненных f-орбиталей, в результате чего их поведение ближе к поведению d-элементов.

Некоторые таблицы включают в члены группы 3 лютеций (Lu) и лоуренсий (Lr). Эти элементы стоят в конце списка семейств лантаноидов и актиноидов, соответственно. Поскольку для обоих этих металлов в электронной конфигурации основного состояния f-оболочки заполнены в полном объёме, то они ведут себя как наиболее близкие к d-элементам металлы из всех лантанидов и актинидов, и, таким образом, демонстрируют наибольшее сходство свойств со скандием и иттрием. Для лоуренсия ожидается именно такое поведение, но наблюдать его на практике не приходилось, поскольку этого элемента нет в достаточном количестве.

Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-бор) и открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии.

В 1794 году финский химик Юхан (Иоганн) Гадолин (1760--1852) выделил из минерала иттербита оксид элемента, который он назвал иттрием -- по названию шведского населённого пункта Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг (иттербит был найден здесь в заброшенном карьере). В 1843 году Карл Мосандер доказал, что этот оксид на самом деле является смесью оксидов иттрия, эрбия и тербия и выделил из этой смеси Y2O3. Металлический иттрий, содержащий примеси эрбия, тербия и других лантаноидов, был получен впервые в 1828 году Фридрихом Велером.

Лантан, как химический элемент, не удавалось открыть на протяжении 36 лет. В 1803 г. 24-летний шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус исследовал минерал, известный теперь под названием церита. В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мозандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия, содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мозандеру удалось лишь в 1839 г. Он сумел выделить новый элемент, когда в его распоряжении оказалось большее количество церита.

Актиний был открыт в 1899 году А. Дебьерном в отходах от переработки урановой смолки, из которой удалили полоний и радий. Новый элемент был назван актинием. Вскоре после открытия Дебьерна независимо от него немецкий радиофизик Ф. Гизель из такой же фракции урановой смолки, содержащей редкоземельные элементы, получил сильно радиоактивный элемент и предложил ему название «эманий».

Дальнейшее исследование показало идентичность препаратов, полученных Дебьерном и Гизелем, хотя они наблюдали радиоактивное излучение не самого актиния, а продуктов его распада -- 227Th (радиоактиний) и 230Th (ионий).

Скандий, иттрий и лантаноиды (кроме прометия) встречаются в земной коре, как правило, вместе, и в относительном изобилии по сравнению с большинством d-металлов, но зачастую их трудно извлечь из руд.

Содержание в земной коре элементов подгруппы скандия таково: скандий - 2·10?4%, иттрий - 5·10?4%, лантан - 2·10?4%, актиний - 5·10?15%. Богатые каким-либо одним из них минералы встречаются крайне редко. Отдельные элементы подгруппы скандия и их производные ещё не нашли применения, а соединения актиния даже почти не изучены. Немногие имеющиеся данные указывают на его большое сходство с лантаном.

В более или менее чистом состоянии был пока выделен только лантан, свойства которого изучены довольно подробно. Он представляет собой белый металл с плотностью 6,2, несколько более твёрдый, чем олово, плавящийся при 826 и кипящий около 1800 °C. Электропроводность лантана примерно в два раза больше, чем у ртути.

Химическая активность лантана очень велика. Он медленно разлагает воду с выделением водорода, легко растворяется в кислотах и при нагревании энергично реагирует со всеми металлоидами. Свойства Sc и Y похожи на свойства лантана. В своих соединениях скандий и его аналоги исключительно трёхвалентны.

Подгруппа титана -- химические элементы 4-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации -- элементы побочной подгруппы IV группы). Подгруппа титана содержит в себе титан, цирконий, гафний и резерфордий.

Первые три элемента данной подгруппы находятся в природе в заметных количествах. Они относятся к тугоплавким металлам. Последний представитель -- резерфордий -- радиоактивный элемент. У него нет стабильных изотопов. Его физические и химические свойства не изучены.

Цирконий и титан были изучены в XVII веке, в то время как гафний был открыт только в 1923 году. На протяжении двухсот лет химикам не удавалось открыть новый элемент гафний, в то время как он присутствовал в качестве примеси почти во всех соединениях циркония в значительных количествах.

Вильям Грегор (англ.), Франц-Йозеф Мюллер фон Рейхенштейн (англ.) и Мартин Генрих Клапрот независимо друг от друга обнаружили титан в 1791 и 1795 гг. Клапрот назвал элемент титаном, в честь персонажей греческой мифологии. Также Клапрот обнаружил цирконий в его минеральной форме: циркон, и назвал новый элемент Цирконердом. Существование гафния было предсказано великим русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Генри Мозли посредством рентгеноспектрального анализа вычислил атомный номер гафния -- он оказался равен 72. После обнаружения нового элемента Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши первыми принялись за поиски гафния в циркониевых рудах. После его нахождения гафний был изучен двумя первооткрывателями в 1923 году для проверки предсказания Менделеева.

По сообщениям, резерфордий был открыт в 1966 году в объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Для получения элемента ядра 242Pu бомбардировались ускоренными ядрами 22Ne. Элемент после бомбардировки отделялся с помощью градиентной термохроматографии после реакции с ZrCl4:

24294Pu + 2210Ne > 264?x104Rf > 264?x104RfCl4

Подгрумппа ванамдия -- химические элементы 5-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации -- элементы побочной подгруппы V группы). В группу входят ванадий V, ниобий Nb и тантал Ta. На основании электронной конфигурации атома к этой же группе относится и элемент дубний Db, искусственно синтезированный в наукограде Дубне в 1970 г. группой Г. Н. Флёрова путём бомбардировки ядер 243Am ионами 22Ne и независимо в Беркли (США) в реакции 249Cf+15N>260Db+4n

Открытие элементов 5 группы связано со значительными противоречиями и трудностями для химиков. Проверка вновь открытых элементов была затруднительной из-за сходства ванадия и элемента 6 группы хрома, химического сходства ниобия и тантала и сложности установок, которые были необходимы для производства нескольких атомов дубния.

Элементы 5 группы похожи друг на друга не только по своим свойствам, но и «родственники» по названиям. Во-первых, наименования всех трёх относятся к области мифологии. Во-вторых, в названиях указана прямая родственная связь: в древнегреческой мифологии Ниобея является дочерью Тантала.

Ванадий назван в честь богини красоты древних скандинавов -- легендарной Фреи Ванадис. Это имя элементу дал в 1831 г. Гавриил Сефстрём, профессор Горного института в Стокгольме.

Тантал открыт в 1802 г. шведским химиком Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции.

Ниобий открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий». В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента -- колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Ванадий довольно широко распространён в природе и составляет около 0,005 % от общего числа атомов земной коры. Однако богатые месторождения его минералов встречаются весьма редко. Помимо подобных месторождений, важным источником сырья для промышленного получения ванадия являются некоторые железные руды, содержащие примеси соединений этого элемента.

Содержание ниобия (2·10?4 %) и тантала (2·10?5 %) в земной коре значительно меньше, чем ванадия. Встречаются они главным образом в виде минералов колумбита Fe2+Nb2O6 и танталита Fe2+Ta2O6, которые обычно смешаны друг с другом.

Из элементов 5 группы только ванадий был идентифицирован как играющий роль в биохимии живых систем: он участвует в некоторых ферментах высших организмов, а также, что необычно, в биохимии некоторых морских оболочников.

Глава 2. Изменения в группе величин радиусов атомов и ионов, потенциала ионизации

Атомы побочной подгруппы третьей группы содержат по два электрона в наружном электронном слое и по 9 электронов в следующем за ним слое; строение этих двух электронных слоев можно выразить формулой (n-- 1)s2 (n-- 1)p6(n-- 1)d1ns2. Каждый из этих элементов открывает собой соответствующую декаду d-элементов. Некоторые их свойства приведены в табл. Степень окисленности элементов подгруппы скандия в большинстве их соединений равна +3.

Некоторые свойства элементов побочной подгруппы третьей группы

Атомы элементов подгруппы титана имеют в наружном слое по два электрона, а во втором снаружи слое -- по 10 электронов, из которых два -- на d-подуровне. Поэтому наиболее характерная степень окисленности металлов подгруппы титана равна +4.

В свободном состоянии титан и его аналоги -- типичные металлы, по внешнему виду похожие на сталь. Все они тугоплавки, устойчивы по отношению к воздуху и к воде.

Титан

Свойства атома
Имя, символ, номер	Титамн / Titanium (Ti), 22
Атомная масса (молярная масса)	47,88 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d2 4s2
Радиус атома	147 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	132 пм
Радиус иона	(+4e)68 (+2e)94 пм
Электроотрицательность	1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	?1,63
Степени окисления	2, 3, 4
Энергия ионизации (первый электрон)	657,8(6,82) кДж/моль (эВ)

Цирконий

Свойства атома
Имя, символ, номер	Циркомний / Zirconium (Zr), 40
Атомная масса (молярная масса)	91,224 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d2 5s2
Радиус атома	160 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	145 пм
Радиус иона	(+4e)79 пм
Электроотрицательность	1,33 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, +1, +2, +3, +4
Энергия ионизации (первый электрон)	659,7 (6,84) кДж/моль (эВ)
Гафний
Свойства атома
Имя, символ, номер	Гамфний / Hafnium (Hf), 72
Атомная масса(молярная масса)	178,49 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe]4f14 5d2 6s2
Радиус атома	167 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	144 пм
Радиус иона	(+4e) 78 пм
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	4
Энергия ионизации (первый электрон)	575,2 (5,96) кДж/моль (эВ)

Резерфодий

Свойства атома
Имя, символ, номер	Резерфордий / Rutherfordium (Rf), 104
Атомная масса (молярная масса)	261 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn]5f14 6d2 7s2
Химические свойства
Степени окисления	+4

Имея в наружном электронном слое атома два или один электрона, элементы побочной подгруппы пятой группы отличаются от элементов главной подгруппы (азота, фосфора и др.) преобладанием металлических свойств. Но производные элементов обеих подгрупп в высшей степени окисленности имеют значительное сходство.

Как и в других группах, члены этого семейства элементов проявляют закономерности электронной конфигурации, особенно внешних оболочек, хотя, как ни странно, ниобий не следует этому тренду. Тем не менее, у элементов этой группы тоже проявляется сходство физических свойств и химического поведения:

Некоторые свойства элементов 5 группы

Атомный номер	Химический элемент	Электронная оболочка	Атомный радиус,нм	p, г/смі	tпл, °C	tкип, °C	ЭО
23	ванадий	2, 8, 11, 2	0,134	6,11	1920	3400	1,63
41	ниобий	2, 8, 18, 12, 1	0,146	8,57	2500	4800	1,6
73	тантал	2, 8, 18, 32, 11, 2	0,149	16,654	3000	5300	1,5
105	дубний	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

Глава 3. Устойчивые соединения элементов. Окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования и образования малорастворимых соединений

Подгруппа скандия. В свободном состоянии элементы подгруппы скандия представляют собой серебристо-белые металлы с высокими температурами плавления. Металлические свойства выражены у них резче, чем у элементов главной подгруппы. Они растворяются в разбавленных соляной, азотной и серной кислотах, а при нагревании реагируют с большинством неметаллов.

Оксиды элементов этой подгруппы представляют собой тугоплавкие белые вещества. Гидроксиды проявляют основные свойства, усиливающиеся в ряду Sc -- Y -- La. Так, соли скандия гидролизуются в значительной степени, а соли лантана практически не подвергаются гидролизу; La(OH)8 -- сильное основание.

Области применения скандия ограничены. Но в настоящее время намечаются пути использования соединений скандия в электронике. В частности, некоторые ферриты, содержащие небольшие количества оксида скандия, применяются в быстродействующих счетно-решающих устройствах.

Металлический скандий используется в электровакуумной технике как хороший геттер (нераспыляющийся поглотитель газов).

Оксид иттрия также применяется в производстве ферритов. Ферриты, содержащие иттрий, используются в слуховых приборах, в ячейках памяти счетно-решающих устройств. Изотоп иттрия 80Y применяется в медицине.

Лантан применяется главным образом в смеси с лантаноидами.

Лантаноиды. В свободном состоянии лантаноиды представляют собою типичные металлы, сходные с лантаном или с иттрием. Их оксиды нерастворимы в воде, но легко присоединяют воду с образованием гидроксидов. Последние лишь незначительно растворяются в воде и имеют основной характер. Соли лантаноидов по своей растворимости подобны соответствующим солям лантана или иттрия.

Многие лантаноиды и их соединения нашли применение в различных областях науки и техники. Они применяются в производстве стали, чугуна и сплавов цветных металлов. При этом используется главным образом мишметалл -- сплав лантаноидов с преобладающим содержанием церия и лантана. Добавка малых количеств редкоземельных металлов повышает качество нержавеющих, быстрорежущих, жаропрочных сталей и чугуна. При введении 0,35% мишметалла в нихром срок его службы при 1000 °С возрастает в 10 раз. Добавка лантаноидов к сплавам алюминия и магния увеличивает их прочность при высоких температурах.

Стекло, содержащее церий, не тускнеет под действием радиоактивных излучений и применяется в атомной технике. Оксиды лантана и неодима входят в состав многих оптических стекол. Небольшие добавки оксидов лантаноидов используются для обесцвечивания стекол и для придания им окраски. Так, Nd2O3придает стеклу ярко-красный цвет, а Рr2О3 -- зеленый. Оксиды лантаноидов используются также для окраски фарфора, глазури, эмали.

Радиоактивный изотоп тулия 170Tm применяется для изготовления портативных генераторов рентгеновских лучей медицинского назначения

Несмотря на неустойчивость атомов актиноидов, первые семь элементов этого семейства получаются в значительных количествах в свободном состоянии и в виде различных соединений -- оксидов, галогенидов и др.

Гидроксиды актиноидов Э(ОН)3 имеют основной характер. Отвечающие им соли по своей растворимости сходны с соответствующими солями лантаноидов.

В свободном состоянии торий -- серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл. Степень окисленности тория в соединениях обычно равна +4, важнейший его оксид -- ТhО2.

Торий применяется в ядерной технике. Под действием нейтронов природный торий, состоящий почти нацело из изотопа 232Th, превращается в изотоп урана 233U, который служит ядерным горючим. Кроме того, торий применяется как легирующий компонент ряда сплавов. В частности, сплавы на основе магния, содержащие торий, цинк, цирконий и марганец, отличаются малой плотностью, высокой прочностью и химической стойкостью при высоких температурах.

Природные соединения урана многообразны; важнейшими минералами являются уранинит (диоксид урана UO2), настуран (фаза переменного состава UO2,0_2,6) и карнотит (уранил-ванадат калия К2(UO2)2 (VO4)2-3H2O). Руды урана обычно содержат не более 0,5 % полезного минерала.

Уран образует довольно большое число соединений. Наиболее характерными из них являются соединения урана(VI).

Триоксид урана, или урановый ангидрид, UO3 (оранжевый порошок) имеет характер амфотерного оксида. При растворении его в кислотах образуются соли (например, UO2CI2), в которых катионом является ион UOl22+, называемый уранилом.

Соли уранила обычно окрашены в желтовато-зеленый цвет и хорошо растворимы в воде. При действии щелочей на растворы солей уранила получаются соли урановой кислоты Н2UO4 -- уранаты и двуурановой кислоты H2U2O7-- диуранаты, например, уранат натрия Ha2UO4 и диуранат натрия Na2U2O7. Диуранат натрия применяется для получения уранового стекла, флуоресцирующего желтовато-зеленым светом.

В побочных подгруппах проявляется следующая закономерность: с возрастанием порядкового номера элемента устойчивость высших окислительных состояний повышается.

Титан и его аналоги в свободном состоянии -- типичные металлы, по внешнему виду похожие на сталь. Все они тугоплавки, устойчивы по отношению к воздуху и к воде.

Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. Важнейшими из них являются: титаномагнетиты FeTiO3-nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен CaTiSiO5 и рутил ТiO2. При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана TiO2, который затем подвергают хлорированию. Однако даже при 800--1000°С хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в СО:

TiO2 + 2Сl2 + 2С = TiCl4 + 2CO

Получающийся хлорид титана(IV) восстанавливают магнием

TiCl4 + 2Mg = Tl + 2MgCl2

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток -- губчатый титан -- переплавляют, получая компактный ковкий металл.

Примеси кислорода, азота, углерода резко ухудшают механические свойства титана, а при большом содержании превращают его в хрупкий материал, непригодный для практического использования. Поскольку при высоких температурах титан реагирует с названными неметаллами, его восстановление проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку -- в высоком вакууме.

Металлический титан плавится при 1665°С; плотность его равна 4,505 г/см3. Титан -- довольно активный металл; стандартный электродный потенциал системы Ti/Ti2+ равен --1,63 В. Однако благодаря образованию на поверхности металла плотной защитной пленки титан обладает исключительно высокой стойкостью против коррозии, превышающей стойкость нержавеющей стали. Он не окисляется на воздухе, в морской воде и не изменяется в ряде агрессивных химических сред, в частности в разбавленной и концентрированной азотной кислоте и даже в царской водке.

Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан -- прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, -- высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того, эти сплавы обладают жаропрочностью -- способностью сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали -- литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO2 -- белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах. Это -- амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства выражены у него слабо.

Применяется TiO2 при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила).

Сплавлением ТiO2 с ВаСО3 получают титанат бария ВаТiO3. Эта соль имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и, кроме того, обладает способностью деформироваться под действием электрического поля. Кристаллы титаната бария применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах.

Цирконий в свободном состоянии представляет собой блестящий металл плотностью 6,45 г/см3, плавящийся при 1855 °С. Не содержащий примесей цирконий очень пластичен и легко поддается холодной и горячей обработке. Как и у титана, механические свойства циркония резко ухудшаются при содержании в нем примесей неметаллов, особенно кислорода.

Одно из наиболее ценных свойств металлического циркония -- его высокая стойкость против коррозии в различных средах. Так, он не растворяется в соляной и в азотной кислотах и в щелочах.

Цирконий почти не захватывает медленные (тепловые) нейтроны. Это его свойство в сочетании с высокой стойкостью против коррозии и механической прочностью при повышенных температурах делает цирконий и сплавы на его основе одним из главных конструкционных материалов для энергетических атомных реакторов. К важнейшим сплавам циркония относятся циркаллои -- сплавы, содержащие небольшие количества олова, железа, хрома и никеля.

При производстве стали присадки циркония служат для удаления из нее кислорода, азота, серы. Кроме того, цирконий используется в качестве легирующего компонента некоторых броневых, нержавеющих и жаропрочных сталей.

Добавка циркония к меди значительно повышает ее прочность, почти не снижая электрическую проводимость. Сплав на основе магния с добавкой 4--5 % цинка и 0,6--7 % циркония вдвое прочнее чистого магния и не теряет прочности при 200°С. Качество алюминиевых сплавов также значительно повышается при добавлении к ним циркония.

Диоксид циркония ZrO2 обладает высокой температурой плавления (около 2700°С), крайне малым коэффициентом термического расширения и стойкостью к химическим воздействиям. Он применяется для изготовления различных огнеупорных изделий, например тиглей. В стекольной промышленности ZrO2 используется в производстве тугоплавких стекол, в керамической -- при получении эмалей и глазурей.

Карбид циркония ZrC ввиду его большой твердости применяют в качестве шлифовального материала, а также для замены алмазов при резке стекла.

Гафний не имеет собственных минералов и в природе обычно сопутствует цирконию. По химическим свойствам он весьма сходен с цирконием, но отличается от него способностью интенсивно захватывать нейтроны, благодаря чему этот элемент используется в регулирующих и защитных устройствах атомных реакторов. При этом применяют как металлический гафний, так и некоторые его соединения, например, диоксид гафния HfO2; последний применяется также при изготовлении оптических стекол с высоким показателем преломления.

Для ванадия и его аналогов наиболее типичны соединения, в которых их степень окисленности равна +5. Их высшие оксиды проявляют свойства кислотных оксидов и образуют соответственно ванадиевую, ниобиевую и танталовую кислоты, которым отвечает ряд солей. Низшие оксиды обладают основными свойствами.

В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы, вместе с хромом, молибденом, вольфрамом, рением, а также рутением, родием, осмием и иридием, относятся к тугоплавким металлам. Под последними условно понимают металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления хрома (1890°С).

Тугоплавкие металлы в чистом виде и в виде сплавов получили в последнее время исключительное значение в ряде отраслей новой техники.

Ванадий отличается высокой химической устойчивостью в воде, в морской воде, в растворах щелочей. Он растворяется в плавиковой кислоте, в концентрированных азотной и серной кислотах, в царской водке.

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1--0,3% ванадия, отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Ванадий образует четыре оксида: VO, V2O3, VO2 и V2O5. Высший оксид V2O5 обладает ясно выраженным кислотным характером, диоксид VO2 амфотерен; оба низших оксида проявляют только основные свойства. Наибольшее значение имеют V2O5 и его производные.

Оксид ванадия(V), или ванадиевый ангидрид, V2O5 -- вещество оранжевого цвета, легко растворимое в щелочах с образованием солей метаванадиевой кислоты НVОз, называемых ванадатами.

Ниобий (Niobium). Тантал (Tantalum). Оба элемента во многом сходны с ванадием. В свободном состоянии они представляют собой тугоплавкие металлы, твердые, но не хрупкие, хорошо поддающиеся механической обработке.

Оба металла, в особенности тантал, устойчивы во многих агрессивных средах. На них не действуют соляная, серная, азотная, хлорная кислоты и царская водка, так как на поверхности этих металлов образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка. У тантала, например, эта пленка представляет собой оксид тантала(V) Ta2Os. Поэтому на тантал действуют только такие реагенты, которые способны взаимодействовать с этим оксидом или проникать сквозь него. К подобным реагентам относятся фтор, фтороводород и плавиковая кислота, расплавы щелочей.

Ниобий -- один из основных компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет. Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4 % ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления. Сталь с добавкой ниобия -- превосходный материал для электросварки стальных конструкций: ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов.

Карбиды ниобия и тантала отличаются исключительной твердостью и применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.

Глава 4. Особенности свойств элементов iii б группы по сравнению с другими элементами d-блока

d-Элементы III группы периодической системы Д.И.Менделеева -- полные электронные аналоги (n--1)d1ns2. Скандий Sc, иттрий Y, лантан La и актиний Ас составляют подгруппу скандия. Основные константы скандия и его аналогов (а также бора и алюминия) приведены ниже:

Скандий и его аналоги, каждый в своем периоде, являются первыми d-элементами, т.е. у них первых начинают заполняться d-орбитали предвнешнего слоя. Наличие лишь одного электрона в d-состоянии обусловливает малую устойчивость (d1s2-конфигурации и отражается на всех свойствах элементов подгруппы скандия. В частности, в отличие от других d-элементов скандий и его аналоги проявляют постоянную степень окисления +3.

Глава 5. Медикобиологическое значение элементов iii б - v б групп. Применение тастина и тантала в медицине

Редкоземельные элементы не относят к биометаллам, но, обладая большим сходством с кальцием, могут замещать его ионы в биосистемах. Поэтому на основе комплексов РЗЭ создают лекарственные препараты, регулирующие кальциевый обмен в организме, например антикоагулянты крови. Ионы РЗЭ обладают способностью ингибировать рост опухолевых клеток. Многие комплексы РЗЭ способны проникать через клеточные мембраны лучше, чем сами биолиганды, входящие в их состав.

Важную роль оксид скандия может сыграть в медицине (высококачественные зубные протезы).

Карбонат лантана используется как лекарство, имеющее собственное название Fosrenol, применяющееся при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов.

Небольшое количество соединений лантана связывает фосфаты в воде, в результате чего останавливается рост водорослей, которым необходимы соединения фосфора. Это свойство может применятся для очистки воды в бассейнах

В 30-х годах советский ученый А. А. Дробков проводил исследование, связанное с влиянием редкоземельных металлов на культурные растения. Он проводил опыты с горохом, репой и другими растениями, вводил редкоземельные металлы вместе с бором, марганцем или без них. Результаты опытов показывали, что редкоземельные элементы, в т.ч. лантан, необходимы для нормального развития растений.

Ионы лантана способны увеличивать амплитуду ГАМК-активированных сигналов на пирамидальных нейронах гена CA1 (англ.), отмеченных в гиппокампе головного мозга. Получение этих данных позволило сравнить чувствительность рецепторов ГАМКA пирамидальных нейронов с аналогичными рецепторами других клеток по восприимчивости к ГАМК и ионам лантана.

Титан применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях (Александр Хомов), мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.

Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.

Важные процессы, где используются соединения ванадия: производство анилина, щавелевой кислоты, переработка нафталина и др. Одна массовая часть катализирует превращение 200 тыс. массовых частей соли анилина в краситель -- черный анилин.

Из других областей использования ванадия можно указать медицину, где некоторые соединения ванадия применяют как дезинфицирующие и лечебные препараты.

Способность поглощать газы тантала и ниобия хороша для поддерживания высокого вакуума: химическая инертность позволяет использовать их в высокоагрессивных средах, вплоть до атомных реакторов, и применять в медицине при костной и пластической хирургии. Металлы нисколько не вредят деятельности живых тканей организма.

Высокая химическая стойкость тантала позволяет изготовлять из него изделия медицинского назначения -- иглы шприцев, зажимы для кровеносных сосудов, нити для сшивания тканей.

Пентаоксид диванадия остается незаменимым катализатором в производстве серной кислоты, фталевого ангидрида, анилиновых красителей; металлический тантал -- катализатор синтеза искусственных алмазов.

Заключение

В данной работе нами был изучен обширный материал по теме побочных элементов 3-5 групп и их химии и биологическому значению.

В подгруппу III Б или подгруппу скандия традиционно входят следующие элементы: скандий, иттрий, лантан и актиний.

В подгруппу IV Б или подгруппу титана входят: титан, цирконий, гафний и резерфордий.

В подгруппе V Б или подгруппе ванадия находятся: ванадий V, ниобий Nb и тантал Ta.

Нами была изучены и изложены общие сведения об этих всех металлах и решены основные задачи, намеченные в данной работе.

Было выяснено, что все эти элементы играют важную роль в современном мире, имеют широкое применение.

Таким образом, мы достигли поставленной цели.

Список использованных источников

1. Браун Т., Лемей Г.Ю., Химия в центре наук. М.: Мир. 1983.

2. Конареев Б.Н. Любознательным о химии. Неорганическая химия. М.: Химия. 1984.

3. Николаев Л.А. Нелрганическая химия. М.: Просвещение. 1982.

4. С.С. Олегин, Г.Н. Фадеев. Неорганическая химия. М.: Высшая школа. 1979.

5. Павлов Н.Н. Неорганическая химия. М.: Высшая школа. 1986.

6. Петров М.Н. Неорганическая химия. М.: Химия. 1981.

7. Популярная библиотека химических элементов - серебро, нильсборий и далее. М.: Наука. 1983.

8. Г.Н. Фадеев. Пятая вертикаль - элементы V группы переодической системы

9. Д.И. Менделеева. М.: Просвещение. 1985.

10. Ю.М. Шилов, М.И. Тарасенко, Ю.И. Слушкович, П.М. Чукуров. Общая химия. М.: Медицина. 1983.

Размещено на Allbest.ru

...