Химические свойства магния

Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, со-ды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 оС:

-2e

Mg0(тв)+H2+O(газ) Mg+2O(тв)+H20 (газ).

Поскольку продуктом этой реакции является водород ясно, что тушение горящего магния водой недопустимо: может произойти образование гремучей смеси водорода с кислородом и взрыв. Нельзя потушить горящий магний и углекислым газом: магний восстанавливает его до свободного углерода -4е

2Mg0 + C+4O2 2Mg+2O+C0,

Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его пес-ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со зна-чительно меньшим выделением теплоты:

-4е

2Mg0 + Si+4O2=2Mg+2O+Si0

этим и определяется возможность использования песка для тушения крем-ния. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при-чин, по которым его использование как технического материала ограниче-на.

В электрохимическом ряду напряжений магний стоит значительно левее во-дорода и активно реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей. В этих реакциях есть у магния особенности. Он не растворяется во фтороводородной, концентрированной серной и в смеси серной и в смеси азотной кислот, растворяющей другие металлы почти столь же эффективно, как "царская водка" (смесь HCl и HNO3). Устойчивость магния к растворе-нию во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF2. Устойчивость магния к достаточно концентрированной серной кислоте и смеси ее с азотной кислотой объяснить сложнее, хотя и в этом случае причина кроется в пассивации поверхности магния. С растворами щелочей и гидроксида аммония магний практически не взаимодействует. А вот с растворами аммонийных солей реакция хотя и медленно, но происхо-дит:

2NH+4+Mg=Mg2+ + 2NH3 + H2

Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот. В одном из определе-ний кислотой называют вещество, диссоциирующее с образованием ионов водорода. Именно так может диссоциировать и ион NH4:

NH4+ NH3+H+

Реакция же

-2e

Mg0 + 2HCl=Mg+2Cl2+H02

2H++Mg Mg2+ + H02

При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.

-2e

Mg + Cl20 Mg+2+Cl2-

Причина воспламенения - очень большое тепловыделение, как и в случае реакции магния с кислородом. Так при образовании 1 моль хлорида магния из магния и хлора выделяется 642 КДж. При нагревании магний соединяется с серой (MgS), и с азотом (Mg3N2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра-зует гидрид магния

-2e

Mg0 + H20 Mg+2H2-.

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес-кое производство - "магниетермию" - получение металлов в результате реакции

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl2

этим методом получают металлы, играющие очень важную роль в современ-ной технике - цирконий, хром, торий, бериллий. Легкий и прочный "ме-талл космической эры" - титан практически весь получают таким способом.

Сущность производства сводится к следующему: при получении металли-ческого магния электролизом расплава хлорида магния в качестве побоч-ного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хло-рида титана (IV) TiCl4, который магнием восстанавливается до металли-ческого титана

-4e

Ti+4Cl4 + 2Mg0 Ti0+2Mg+2Cl2

Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства маг-ния и т.д. На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие продукты, та-кие, как бертолетову соль KClO3, хлор, бром и изделия - фибролитовые и ксилитовые плиты, о которых будет сказано ниже. В таком комплексном производстве степень использования сырья, рентабельность производства высока, а масса отходов не велика, что особенно важно для охраны окру-жающей среды от загрязнений.

Соединения магния.

Для аналитической химии магния имеют значение его труднорастворимые и особенно внутрикомплексные (бесцветные, окрашенные или флуорисцирую-щие) соединения. Поляризующая способность иона Mg2+ невысокая, а по величине кэффициента поляризации, характеризующего количественно де-формируемость иона, магний уступает большинству металлов. Поэтому комплексные соединения магния сравнительно малоустойчивы и образуются, как правило, только в щелочной среде. Тем не менее, они имеют чрезвы-чайно важное значение для аналитической химии магния. Меньшая устойчи-вость некоторых комплексных соединений магния, по сравнению с комплек-сами других металлов, иногда используется для маскирования последних при определении магния титриметрическими, фотометрическими и другими методами.

2.

3. Кальций: природные соединения кальция: известняки, разновидности природного сульфата кальция. Оксид и гидроксид кальция, свойства, получение и применение, силикаты кальция.

КА́ЛЬЦИЙ (Ca) - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Простое вещество кальций — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

ИЗВЕСТНЯК - осадочная порода, сложенная преимущественно карбонатом кальция – кальцитом. Благодаря широкому распространению, легкости обработки и химическим свойствам известняк добывается и используется в большей степени, чем другие породы, уступая только песчано-гравийным отложениям. Известняки бывают разных цветов, включая черный, но чаще всего встречаются породы белого, серого цвета или имеющие коричневатый оттенок. Это мягкая порода, легко царапающаяся лезвием ножа. Известняки бурно вскипают при взаимодействии с разбавленной кислотой. В соответствии со своим осадочным происхождением имеют слоистое строение. Чистый известняк состоит только из. Присутствуют и примеси. При метаморфизме, по мере того, как перекристаллизация кальцита охватывает всю породу и возникает мозаичная структура и известняк постепенно превращается в мрамор. Известняки (в широком понимании) имеют чрезвычайно многообразные области применения. Они используются в виде кускового известняка, щебня, штучного (пильного, стенового) и бутового камня, облицовочных плит, минеральной крошки, дробленого песка, минерального порошка, минеральной ваты, известняковой муки. Основные потребители – цементная промышленность (известняк, мел и мергель), строительство (получение строительной извести, бетонов, штукатурки, строительных растворов; кладка стен и фундаментов; декоративно-облицовочные работы и т.д.), дорожное и железнодорожное строительство, каменная наброска для защиты берегов и гидротехнических сооружений, металлургия (известняк и доломит – флюсы и огнеупоры, переработка нефелиновых руд на глинозем, цемент и соду), сельское хозяйство (известняковая мука в агротехнике и животноводстве), нефте- и коксохимическая, пищевая (особенно сахарная), целлюлозно-бумажная, стекольная (известняк, мел, доломит), кожевенная (известняк), резиновая, кабельная, лакокрасочная промышленность (мел как наполнитель). Другие области применения – полировка изделий из цветных металлов и перламутра (известняк), электросварка (мел для покрытия электродов), писчие мелки (мел), теплоизоляция строительных конструкций и технологического оборудования (минеральная вата) и т.д.

Виды природного гипса.

В зависимости от условий своего образования, природный гипс встречается связанный с 2 молекулами воды - двухводный гипс или гипсовый камень, а также в безводном виде — ангидрит.

а) Гипс. Минералогическим неделимым в различных видах природного гипса являются кристаллы двуводного гипса (CaSO4 • 2Н2О), принадлежащие к моноклинической системе, иногда микроскопически мелкие, иногда же очень крупные. В чистом виде они прозрачны и бесцветны, давая в массе белый цвет: иногда же окрашены примесями в красный, желтый, бурый и даже черный. Шпатовый гипс или селенит, реже других встречаемый, почти прозрачен; его пластинки в древности служили в качестве оконных стекол.

Волокнистый гипс — состоит из вытянутых неделимых, на подобие волокон, направленных перпендикулярно к поверхности; встречается чаще всего в виде прослойков в глине.

Зернистый гипс — кристаллы мельче, чем в шпатовом, иногда настолько, что строение приближается к плотному. Наиболее чистые, белые и твердые сорта его, по виду похожие на белый каррарский мрамор, но более его просвечивающие в тонком слое, с давнего времени употреблялись в природном состоянии для скульптурных целей под названием алебастра; к сожалению, вследствие неряшливости нашей технической терминологии, у нас привыкли называть „алебастром" всякий обожженный гипс, и неправильное название это настолько укоренилось, что вошло в Урочное Положение.

Плотный гипс — кристаллы неразличимы простым глазом.

Землистый гипс — плохо сцементированная или даже сыпучая порода, мало пригодная для целей строительной техники, может быть употребляем в качестве удобрения для полей.

б) Ангидрит — тот же гипс, но безводный; отличается от двухводного большей твердостью и большим удельным весом, а от известкового шпата, с которым его кристаллы сходны по виду — тем, что не вскипает с кислотами. Кристаллы принадлежат к ромбической системе и обыкновенно мельче, чем у гипса. Мелкозернистый ангидрит еще более, чем алебастр, пригоден для скульптурных работ, так как, будучи тверже, хорошо принимает полировку; подобный камень, красивого голубоватого цвета, получил название вульпинита.

Чаще всего встречается плотная разновидность ангидрита, особенно часто с каменной солью и сопровождающими ее глинами и мергелями, в виде переслаивающихся с ними пластов различной мощности. У выходов наземную поверхность и вообще в присутствии влажности ангидрит поглощает воду и превращается в гипс, но процесс этот происходит крайне медленно и поэтому для строительных надобностей ангидрит нельзя употреблять вместо гипса. Впрочем, присутствие катализаторов (напр., щелочных сульфатов), прибавляемых в незначительном количестве, может ускорить обращение ангидрита в двуводный гипс настолько, что и он может быть употребляем.

Оксид кальция CaO – наиболее важный промышленный продукт, служащий исходным сырьем для производства других полезных соединений кальция. CaO имеет несколько коммерческих названий: известь, жженая известь, негашеная известь. Чистый оксид кальция – белое кристаллическое вещество, термостойкий (т.пл. 2630° С). Оксид получают обжигом известняка и мела, при котором удаляют выделяющийся углекислый газ; процесс ведут в шахтных печах с использованием в качестве топлива древесины, угля, нефти или газа; в результате получаются пористые куски жженой извести. При хранении на влажном воздухе жженая известь поглощает углекислый газ и влагу, превращаясь в рыхлую гашеную известь (пушонку). При добавлении воды к CaO выделяется много тепла и образуется гашеная известь (гидроксид кальция). При нагревании оксида кальция с диоксидом кремния или силикатами образуется силикат кальция (см. ниже). Жженую известь широко используют в строительстве для приготовления кладочных и штукатурных растворов, для получения хлорной извести, при выделке кожи, медицинских препаратов и кормов.

Гидроксид кальция Ca(OH)2 в виде белого порошка образуется при гашении извести. Он слабо растворим в воде, насыщенный раствор известен под названием «известковая вода», а при избытке гидроксида кальция образуется белая взвесь – «известковое молоко». Ca(OH)2 является основанием и поглощает углекислый газ из воздуха. Гидроксид кальция используется в медицине (в основном для понижения кислотности), в производстве штукатурки, кладочных строительных растворов, цемента, клеевых красок и удаления волоса со шкур при выделке кожи. Известковый кладочный раствор готовят смешением гашеной извести с песком при добавлении воды до получения пластичной массы. Раствор служит вяжущим веществом при возведении стен, так как на воздухе происходит реакция гашеной извести с углекислым газом воздуха с образованием карбоната кальция и выделением воды, поэтому раствор твердеет. Штукатурный раствор ведет себя аналогично.

Силикат кальция CaSiO3 широко распространен в природе в виде минерала волластонита. Он является основным содержимым шлака, образующегося в металлургическом процессе при выплавке металлов из руд. Если в руде имеется избыток песка, то при выплавке добавляют известняк и, наоборот, при избытке известняка в руде добавляют песок; соответственно образующийся силикат кальция в виде шлака собирается на поверхности расплавленного металла и удаляется из печи. В природе существуют также силикаты кальция иного состава.

4. Жесткость природных вод. Карбонатная и некарбонатная жесткость. Методы умягчения воды.

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния (Са(НСО₃)₂; Mg(НСО₃)₂), и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO₄, CaCl₂, MgSO₄, MgCl₂).

Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости чаще используется миллимоль на литр (ммоль/л).

Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при использовании мыла. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, хотя есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус природной питьевой воды, например, воды родников, обусловлен именно присутствием солей жёсткости.

Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.

Выбор метода умягчения воды (способа умягчения воды) определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими требованиями. Существуют различные методы и способы умягчения воды:

1. Термический метод умягчения воды

Этод метод очистки воды основан на нагревании воды, дистилляции воды или вымораживании.

1. Реагентный метод умягчения воды

Находящиеся в воде ионы Са2+ (ионы кальция) и Mg2+ (ионы магния) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения.

1. Безреагентное умягчение воды

Основан на фильтровании умягчаемой воды через ионообменные смолы, обменивающие входящие в их состав ионы Na- (ионы натрия) или Н- (водород-ион) на ионы Са2+ (ионы кальция) и Mg2+ (ионы магния), содержащиеся в воде. Как правило, ионообменные фильтры-умягчители работают (фильтры умягчения воды) по технологии натрий-катионирования.

1. Мембранный метод умягчения воды

Реакции ионного обмена при умягчении воды не всегда оправданы с технологической, экономической или экологической сторон. В этих случаях, как правило, применяют мембранные технологии очистки воды от солей жёсткости (нанофильтрация воды или обратный осмос)

1. Прочие системы умягчения воды

Известкование, магнитное умягчение воды, диализ, известкование и различные сочетания перечисленных методов (комбинированный метод умягчения воды) и т.д.

5. Алюминий, свойства и соединения. Применение алюминия и его сплавов в строительстве.

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, обладает высокой светоотражательной способностью. Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки, алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Применение алюминия и его сплавов в строительстве.

Перспективность применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях подтверждается технико-экономическими расчетами и многолетней мировой практикой в области сооружения различных строительных объектов.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). Наиболее ценные для строительных конструкций качествами Al являются технологичность, коррозионная стойкость и архитектурная выразительность.

Алюминиевые полуфабрикаты. В строительстве применяют профильные и листовые полуфабрикаты. Профильные полуфабрикаты включают прессованные и холодногнутые профили, листы и ленты (в рулонах), профилированные листы (гофрированные), тисненные листы. От 60 до 80% алюминия применяемого в строительстве составляют профильные полуфабрикаты.

6. Свойства соединений хрома 3 и 5. Приминение хрома и его соединений.

Хром (Cr)– d-элемент расположенный в 4-м периоде, в VI группе побочной подгруппы. Высшая степень окисления – +6. В соединениях может проявлять степень окисления от + до +6, но наиболее характерными для хрома является степень окисления +3 и +6. В остальных степенях окисления соединения хрома неустойчивы.
Физические свойства:хром – серовато-белый металл с характерным металлическим блеском. Природный хром состоит из смеси 5 изотопов: 50, 52, 53, 54, 56. Это самый твердый из всех известных металлов, его плотность 7,2 г/см3. Температура плавления – 1855 °C, температура кипения – 2642 °C. При обычной температуре хром устойчив к воздействию воды и воздуха.
Химические свойства:электронная конфигурация: 1s22s22 p2 3s23p63d54s1. В образовании химических связей хрома участвуют не только электроны внешнего 4 уровня, но и электроны предпоследнего уровня – 3d-подуровня.
При высокой температуре хром горит в кислороде: 4Cr + 3О2 = 2Cr2О3.
Раскаленный хром реагирует с парами воды, вытесняя из нее кислород: 2Cr + 3Н2О = Cr2О3 + 3Н2?.
При нагревании реагирует с галогеноводородами, S, N2, P4, C, Si, B:

 

С галогенами реагирует не одинаково:
а) со фтором взаимодействует даже на холоде: Cr + 3F2 = CrF6;
б) с хлором реагирует при нагревании: 2Cr + 3Cl2 = 2CrCl3.
Разбавленная соляная и серная кислоты растворяют хром с выделением водорода, а в холодной азотной он пассивируется. Хром образует три оксида: CrО, Cr2О3 и CrО3.
Получение: В чистом виде хром получают двумя способами:
1) металлотермический – восстановление металла из его оксида с помощью другого металла;
2) электролитический – электролиз водного раствора хромовых кислот. При этом одновременно с хромом на катоде выделяется водород. Поэтому получаемый хром содержит включения водорода. Для получения чистого хрома его переплавляют в вакууме.
Металлический хром получают алюмотерми-ческим способом (способ Бекетова) из оксида Cr2О3: Cr2О3 + 2Al = Al2О3 + 2Cr.
Нахождение в природе: в природе хром встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является хромистый железняк FeCrO 4 или Fe(CrO)2, из которого путем восстановления углеродом в электропечах получают сплав – феррохром. Используется хром в инструментальной и автомобильной промышленности: хромирование – покрытие хромом других металлов; в металлургии – при производстве легированной стали.