книги из ГПНТБ / Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся
.pdf
|
|
|
|
постепенно утолщается и прев |
||||
|
|
|
|
ращается в стержень, состоя |
||||
|
|
|
|
щий из чистого металла. Следо |
||||
|
|
|
|
вательно, данный метод являет |
||||
|
|
|
|
ся по существу методом очист-' |
||||
|
|
|
|
кн металлов. В настоящее вре |
||||
|
|
|
|
мя получают стержни. длиной |
||||
|
|
|
|
около |
2 м |
и |
толщиной |
|
|
|
|
|
в 2—2,5 |
см (рис. 25). Такой |
|||
|
|
|
|
стержень |
состоит из |
собрания |
||
|
|
|
|
мелких |
кристаллов |
металла, |
||
|
|
|
|
внутри которого находится тон |
||||
|
|
|
|
кая вольфрамовая |
нить. Ме |
|||
|
|
|
|
талл получается в очень чистом |
||||
|
|
|
|
состоянии. Однако металлы, |
||||
Рис. 24. Получение титана и |
дающие летучие иодиды и при |
|||||||
сутствовавшие в исходном ти |
||||||||
цирконии |
иодндны.м мето |
|||||||
дом: 1 — стеклянный |
или |
тане или цирконии, также ча |
||||||
металлический |
баллон; |
2 ■— |
стично переходят в очищенный |
|||||
пары иодида |
титана |
пли |
металл. |
Но |
самое |
главное- |
||
циркония; |
3 — раскаленная |
углерод, азот, кислород не по |
||||||
вольфрамовая |
проволока; |
|||||||
4 — загрязненный титан |
или |
падают в очищенный металл. |
||||||
цирконий. |
|
|
|
Это очень важно, так как имен |
||||
|
|
|
|
но эти элементы придают хруп |
кость титану и цирконию. На получение металлов этим методом расходуется большое количество электрической энергии, особенно в конце процесса, когда образуется стержень значительной толщины.
Иодидный метод применяют главным образом для получения циркония, который нужен для промышленно сти в особо чистом виде. Для получения титана применя ют более дешевый метод — восстановление тетрахлорида
титана магнием:
|
TiCI4+2M g = Ti + 2MgCl2 |
||||
|
Реакцию проводят в герме |
||||
|
тичном |
стальном |
сосуде |
||
|
(рис. 26), который нагревают |
||||
|
в электрической |
печи. |
В него |
||
|
помещают |
магний, а |
через |
||
|
крышку в реактор подают ар |
||||
|
гон и пары тетрахлорида тита |
||||
Рис. 25. Металлы, получен |
на ТЮЦ. |
|
|
|
|
В результате |
реакции тет |
||||
ные иодидиым методом: 1—■ |
|||||
титан; 2 — цирконий. |
рахлорида |
с магнием |
обра |
60
титан не соединяется с медными стенками тигля, так как их охлаждают водой.
В промышленности для приготовления специальных сталей готовят в значительных количествах ферроти тан— сплав титана с железом. Как уже говорилось, ок сид титана ТЮг непосредственно алюминием не восста навливается. Однако если к оксиду титана (IV) добавить оксид Железа (III), то эта смесь уже восстанавливается алюминием, так как при восстановлении оксида железа выделяется много теплоты и восстановление титана об легчается. Таким образом идут два параллельных про цесса:
Fea0 3 + 2А1 = А1а0 3 + 2Fe + Q ЗТЮ2 + 4А1 = 2А1а0 3 + 3Ti + Q
Выделяющаяся теплота Q нагревает продукты реак ции до 2500—2600 °С, и они получаются в расплавленном виде. Поскольку сплав железа с титаном имеет большую плотность, он опускается на дно, а оксид алюминия всплывает наверх. Расплавленные ферротитан и шлак выпускают через отверстие в дне тигля.
Другой металл подгруппы титана — гафний очень по хож на титан и цирконий. Поэтому его получают выше описанными методами.
Г л а в а V I. |
СОЕДИНЕНИЯ |
ЭЛЕМЕНТОВ
IV ГРУППЫ
СГАЛОГЕНАМИ
1.ГАЛОГЕНОПРОИЗВОД НЫЕ УГЛЕРОДА И ЭЛЕМЕН ТОВ ПОДГРУППЫ
КРЕМНИЯ
Наряду с оксидами галогениды углерода и элементов подгруппы кремния наиболее распространенные сое
динения, особенно хлориды. Свойства хлоридов, как и других'галогенидов, закономерно изменяются с увеличе нием атомных масс (табл. 6).
|
|
|
Т а б л и ц а 6 |
Физические свойства хлоридов углерода и |
элементов |
||
|
подгруппы |
кремния |
|
Вещества |
Плотность |
Температура |
Температура |
|
|
плавления, °С |
кипения, ЬС |
СС14 |
1,593 |
—22,8 |
76,8 |
SiCI 4 |
1,483 |
—70 |
57,6 |
GeCI« |
1,874 |
—49,6 |
83,1 |
SnCl4 |
2,232 |
—33 |
113,7 |
PbClj |
3,18 |
—15 |
105 (взрыв.) |
Все хлориды элементов подгруппы кремния при ком натной температуре — бесцветные жидкие вещества. С увеличением атомных масс элементов плотность, тем пературы плавления и кипения возрастают, но устойчи вость вещества падает. Так, тетрахлорид свинца при на гревании даже взрывается, так как его реакция разло жения протекает очень быстро, с самоускорением:
РЬС14 = РЬС12+ С12
Реакционная способность хлоридов с увеличением мо лекулярной массы также увеличивается. Например, все они подвергаются гидролизу, особенно SnCU и РЬСЦ.
63
Наиболее устойчивым является тетрахлорид углерода, но и он постепенно гидролизуется. Давно было замечено, что если хранить тетрахлорид углерода в железной посуде, то постепенно развивается коррозия. Изучение этого яв ления показало, что тетрахлорид углерода немного ра створяет воду, например влагу воздуха, и за счет нее идет гидролиз:
СС14 + 2Н20 = С 02 + 4НС1
А соляная кислота, как известно, действует на железо. Но был найден способ защиты металлических емкостей, в которых хранится это вещество: тетрахлорид высуши вают нерастворимым в тетрахлориде углерода осушите лем, например силикагелем.
Свойства галогенидов изменяются также и с увеличе нием молекулярной массы галогена. Например, в ряду SnCl4, SnBr4, Snl4 температуры плавления возрастают и составляют соответственно: —33, 30 и 143,5°С. Возраста ют и температуры кипения — от 113,7°С для SnCl4 до 343°С для Snl4. Йодид олова — уже непрочное соедине ние и около 360°С разлагается:
Snl4 Snl2 -f Ia
Отличается от других галогенидов тетрафторид оло ва. Он кипит только при 705°С. Такое резкое повышение температуры кипения объясняется тем, что тетрзфторид олова— «открытое» соединение, а остальные галогени ды—«закрытые». Причина этого состоит в том, что цент ральный атом, т. е. атом олова, со всех сторон окружен и закрыт атомами хлора. Поскольку атомы хлора несут небольшой отрицательный заряд, взаимодействие между молекулами тетрахлорида слабое. В молекуле же .тетра фторида олова атомы фтора не закрывают атом олова, так как они по своим размерам небольшие. Атомы олова, несущие положительный заряд, взаимодействуют с ато мами фтора другой молекулы тетрафторида, и притяже ние между молекулами усиливается. Вот почему SnF4 плавится и кипит при высокой температуре.
Галогениды этих элементов получают различными ме тодами. Галогениды углерода получают взаимодействием^ галогенов с метаном, например:
СН4 + 4С12 = СС14 -f 4НС1
Галогениды кремния, германия и олова получают или ' при непосредственном соединении этих веществ с гало-
64
Рис, 28. Получение хлоридов кремния и его аналогов: / — стеклянная трубка с перетяжками; 2 — жидкий хлорид кремния; 3 — кремний пли
его аналоги.
генами или галогенированием оксидов в присутствии угля:
Ме02 + 2С+2Гал2= Me Гал, + 2СО
В лаборатории хлорирование кремния, германия или олова можно проводить в стеклянных трубках, имеющих перетяжки (рис. 28). Реакции идут при небольшом на гревании. Жидкий или твердый конденсат собирается в колене трубки. Для очистки его нагреванием перегоняют, в следующее колено трубки.
Бромирование и иодирование можно также проводить 6 стеклянных трубках с перетяжками, но для переноса брома или иода используют газ-носитель, например ар гон, азот, оксид углерода С 02 (рис. 29). Полученные га-
.догениды гигроскопичны и легко гидролизуются под дей ствием влаги воздуха, лоэтому их запаивают в одном нз колен трубки.
Хлорирование жести—листового железа, покрытого оловом, — важнейший метод регенерации олова. Хлори рование консервных банок, обрезков жести проводят при небольшом нагревании:
Sn + 2Cl*=SnCI4
В небольшой степени хлорируется и железо. Для от деления тетрахлорида олова от хлорида железа FeCl3 и других примесей смесь хлоридов нагревают. При этом тетрахлорид олова испаряется в первую очередь. Для очистки его еще раз перегоняют, затем подвергают гидро лизу. Продукт гидролиза — оловянную кислоту — прока ливают, а образовавшийся оксид олова Sn02 восстанав ливают до металла.
При хлорировании свинца получается только двухва лентный хлорид РЬС12. С бромом и иодом получаются
5 З ак аз 2289 |
65 |
соответственно РЬВг2 и РЫ2. Устойчивый четырехвалент ный хлорид свинца выделен только в виде сложного сое динения. Для его получения водную взвесь хлорида свин ца насыщают хлором. В раствор добавляют хлорид ам мония, при этом образуется непрочное соединение гексахлорплюмбат аммония:
РЬС12 + 2NH.4C1 + С12 = (NHa).2PbCle
Казалось, можно было бы получить тетрахлорид свин ца при растворении оксида свинца РЬ02 в соляной кис лоте. Однако при этом происходит восстановление свинца и окисление хлора:
Pb02 + 4НС1 = РЬС12 + С1а + 2НаО
В виде нестойкого соединения РЬС14 получают следу ющим образом. Хлорид свинца (II) добавляют к соля ной кислоте и при взбалтывании и охлаждении через взвесь пропускают хлор. Постепенно происходит присое динение хлора:
РЬС12 + С12 = РЬС14
и на дне сосуда скапливается маслянистая жидкость тётрахлорида свинца, содержащего растворенный хлор.
Хлорирование оксидов, за исключением оксида герма ния Ge02, протекает труднее, так как оксиды этих ме таллов довольно прочные соединения. Реакции хлориро вания, например оксида олова Sn02, протекают только
66
в незначительной степени, п равновесие сильно сдвинуто влево:
SnO, + 2Cl2^ S n C l4 + Oa
Следовательно, для получения небольших количеств тетрахлорнда олова этим методом нужно через оксид олова (IV) пропускать большие количества хлора, что, конечно, невыгодно. Поэтому при хлорировании Si02 и SnC>2 применяют сильные восстановители, например из мельченный: уголь. Реакции проводят при высокой тем пературе, около 800°С. Смесь оксида металла и угля по мещают в лодочке в трубку, которая находится в труб чатой печи, и через смесь пропускают хлор.
Хлорирование идет лучше, когда используется тетра хлорид углерода, так как в его состав входит восстано витель — углерод:
Sn02 + СС14 = SnCl4 + С 02
Наряду с этой реакцией протекает еще и другая ре акция:
Sn02 + 2СС14 = SnCl4 -f 2СО + 2С!2
В свою очередь хлор дает с окопдом углерода СО ядо витый газ фосген СОСЬ:
СО + С12 = СОС12
Оксид германия Ge02 хлорируется сравнительно лег ко хлороводородом;
Ge02 + 4НС1 = GeCl4 -f 2Н20
Для этого через взвесь оксида германия (IV) в соля ной кислоте пропускают при нагревании хлороводород. Тетрахлорид германия испаряется. При этом испаряется и часть воды. Поэтому для осушки тетрахлорид германия пропускают через трубку с безводным хлоридом кальция.
Из хлоридов наибольшее применение имеет тетрахлорид углерода, или четыреххлористый углерод. Особенно часто используется его способность растворять жиры и различные малополярные органические вещества. Поэтому его используют для извлечения (экстракции) жи ров, эфирных масел из семян растений. Часто тетрахло рид углерода используют в огнетушителях. Обычный содовый огнетушитель нельзя применять в музеях, книго хранилищах и в других местах, где имеются вещи, кото рые могут быть испорчены водой. Тетрахлорид углерода
б* |
67 |
лишен этого недостатка. Его пары в 5,4 раза тяжелее воздуха, не горят. Тушение горящих предметов тетрахлорндом углерода основано на оттеснении воздуха от очага пожара: горящий предмет гаснет, потому что к нему пре кращается поступление воздуха.
Тетрахлорид олова иногда применяют для постановки дымовых завес. Это применение основано на том, что па ры тетрахлорида олова легко подвергаются гидролизу:
SnCI4 4НвО = Sn(OH)4 + 4НС1
При этом ортооловянная кислота Sn(OH)4 выделяется в виде мельчайших частичек, которые н образуют дым. Тетрахлорид олова —лучший дымообразователь,'особен но часто его применяют при постановке дымовых завес на море, где воздух влажный.
Хлорид свинца РЬС1г — бесцветный кристаллический порошок, плохо растворимый в воде. Поэтому хлорид ис пользуется при открытии свинца в растворе его солей. К раствору приливают немного соляной кислоты пли по варенной соли; образование белого осадка указывает на наличие в растворе ионов свинца:
Pb(NOa)2 -|- 2NaCl = PbC!2 4 + 2NaN03
Еще менее растворим бромид свинца и особенно иодид свинца РЬЬ. Бромид свинца светло-желтого цвета, а иодид желтого. Они тоже используются при открытии ионов свинца.
Иодид свинца обладает интересной особенностью. При нагревании водной взвеси иодида свинца желтый по рошок растворяется, а при охлаждении он выпадает в ви де тонких блестящих листочков золотистого цвета.
Хлориды кремния, германия и олова — промежуточ ные соединения при получении кремния и его аналогов.
2. ГАЛОГЕНОПРОИЗВОД НЫЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДГРУППЫ ТИТАНА
Галогениды элементов подгруппы титана — жидкие или твердые легко испаряющиеся вещества. Некоторые физические свойства хлоридов приведены в таблице 7.
Как видно из приведенных данных, с увеличением атомной массы металла повышаются плотности хлорн-
68
Т а б л и ц а 7
Физические свойства хлоридов элементов подгруппы титана
Вещества |
Плотность |
Температура |
Температура |
|
|
плавления, |
кипения, |
T1CI* |
1,726 |
- 2 3 |
136,5 |
ZrClj |
2,803 |
— |
300 (возгон.) |
HfCl4 |
— |
434 (под давлен.) |
315 (возгон.) |
дов, их температуры плавления и кипения или возгонки. Все эти вещества химически не очень стойкие, особенно легко они подвергаются гидролизу, например:
TiCl, + 4НаО -> ТЮ2*2Н20 4- 4НС1
Тетрахлорид титана даже применяют для постановки дымовых завес, особенно на море, где повышенная влаж ность воздуха. Образующиеся мельчайшие частички гид ратированного оксида титана (IV) и создают дым. Дру гие галогениды более устойчивы и в воде растворяются, если она содержит некоторое количество соляной кислоты.
Галогениды металлов подгруппы титана получают галогенированием их оксидов в присутствии углерода:
ТЮ2 + 2С + 2С1а = TiCl* + 2СО
ZrOa + 2С + 21, = Zrl4 + 2СО
Для получения галогенидов в лабораторных условиях порошок оксида смешивают с сажей, добавляют немного крахмального клейстера и из этой массы формуют не большие шарики. Их высушивают, прокаливают и поме щают в фарфоровую трубку. Хлорирование ведут около 800—900°С. Жидкий хлорид титана собирается в прием нике, охлаждаемом льдом или охладительной смесью
(рис. 30).
Тетрахлориды циркония и гафния при комнатной тем пературе твердые вещества, и поэтому они скапливаются в конце трубки для хлорирования, откуда их снимают шпателем. Можно также в отходящий конец трубки вве сти пальцеобразный холодильник-конденсатор, охлажда емый воздухом, на котором и будет конденсироваться соответствующий галогенид.
69.