Степень окисления

Степень окисления

Степень окисления – условный заряд атома химического элемента  в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.

1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.

2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:

3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:

4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.

5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)

6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:

низшая степень окисления неметалла = №_группы − 8

Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.

Решение:

Запишем формулу серной кислоты:

Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).

Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна  -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF₂). Расставим известные степени окисления:

Обозначим степень окисления серы как x:

Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:

Т.е. мы получили следующее уравнение:

Решим его:

Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.

Пример 2

Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.

Решение:

Запишем формулу дихромата аммония:

Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:

Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).

Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH4+ (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости)

Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH4+ , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH4+ и анионами Cr2O72-.

Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:

Т.е. мы получаем два независимых уравнения:

Решая которые, находим x и y:

Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.

Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать здесь.

Физические свойства

Кристаллы цезия

Цезий — мягкий металл, из-за низкой температуры плавления (T_пл = 28,6 °C) при комнатной температуре находится в полужидком состоянии. Твёрдость цезия по шкале Мооса составляет 0,2.

Металлический цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета, по внешнему виду похожее на золото, но светлее. Расплав представляет подвижную жидкость, при этом его цвет становится более серебристым. Жидкий цезий хорошо отражает свет. Пары цезия окрашены в зеленовато-синий цвет.

Цезий образует кристаллы кубической сингонии (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,6141 нм, Z = 2. При высоком давлении может переходить в другие полиморфные модификации. Цезий — парамагнетик.

Цезий растворяется в жидком аммиаке (тёмно-синие растворы) и расплавленном CsOH.

Цезий образует легкоплавкие сплавы с другими щелочными металлами. Его сплав с калием и натрием имеет температуру плавления −78 °С.

Безопасность

• Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.
• Проводите эксперимент на подносе.

Общие правила безопасности

• Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
• Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
• Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 10 лет.
• Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
• Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
• Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
• Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
• Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

Информация о первой помощи

• В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
• В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
• В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
• В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

Область применения сплавов меди

Медь обладает невысоким удельным сопротивлением. Это свойство обеспечило меди широкое применение в электротехнической промышленности. Из меди изготавливаются проводники, провода, кабели. Медь используется при изготовлении печатных плат различных электронных устройств. Медные провода используются в электрических двигателях и трансформаторах.

У меди высокая теплопроводность. Это обеспечивает ей применение при изготовлении охладительных и отопительных радиаторов, кондиционеров, кулеров.

Прочность и коррозиоустойчивость меди послужили основанием для изготовления из неё труб, находящих значительную сферу применения: в водопроводных, газовых и отопительных системах, в охладительном оборудовании, в кондиционировании.

В строительстве медь применяется при изготовлении крыш и фасадных деталей зданий.

Бактерицидные особенности меди дают ей возможность использования в медицинских заведениях как дезинфицирующего материала: при изготовлении деталей интерьера, которых люди касаются больше всего – дверных ручек, перил, поручней, бортиков кроватей и т.п.

Медные сплавы имеют не меньшую сферу применения.

Бронзы (по маркам) применяются при производстве деталей машин: паровой и водяной арматуры, элементов ответственного назначения, подшипников, втулок. Оловянистые деформируемые бронзы используют для производства сеток, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности.

Латуни (по маркам) находят применение при производстве деталей машин в области теплотехники и химической аппаратуры. Из них изготавливают различные змеевики и сильфоны. В автомобилестроении латуни используют для изготовления конденсаторных труб, патрубков, метизов. В судостроении и авиастроении латуни также используются для изготовления деталей, конденсаторных труб, метизов. Из латуней изготавливаются детали часовых механизмов, полиграфические матрицы.

Мельхиор МНЖМц используется для производства конденсаторных трубок морских судов, работающих в наиболее тяжёлых условиях. Мельхиор МН19 используется для изготовления медицинских инструментов, монет, украшений, столовых приборов.

Состав и структура

Медь — соединение огромного количества кристаллов серебра, кальция, золота, свинца, никеля. Металлы, из которых состоит купрум, отличаются простотой обработки, относительной пластичностью.

Элементарная ячейка структурной решетки — кубическая форма. Каждая из ячеек представляет собой соединение 4 атомов.

Во время добычи руда насыщена огромным количеством примесей. Они влияют на технические характеристики переплавленного металла, его структуру. Распространенные примеси:

1. Кислород — примесь, содержание которой в составе может достигать 0,008%. Под воздействием высоких температур содержание кислорода быстро сокращается.
2. Висмут — компонент, который негативно сказывается на технических характеристиках готового металла. Допустимое количество в составе — до 0,001%.
3. Марганец — практически не влияет на свойства купрума.
4. Никель — снижает теплопроводность.
5. Мышьяк — не влияет на свойства переплавленного металла. Мышьяк нейтрализует негативное воздействие висмута, кислорода, сурьмы на конечный материал.
6. Олово — усиливает теплопроводность.
7. Сурьма — снижает тепло- и электропроводность. Допустимое содержание в составе — до 0,05%.
8. Сера, селен — снижают показатель пластичности, если их количество в составе превышает 0,001%.
9. Цинк — практически не влияет на физические, химические свойства.
10. Фосфор — главный раскислитель. Улучшает механические свойства.

Медная руда (Фото: Instagram / alex_tango1910)

Элементы: Цезий – самый активный металл

Дата: 03.04.2019

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом в водах минеральных целебных источников Шварцвальда методом спектрального анализа, став первым элементом, открытым при помощи этого метода. Цезий — мягкий щелочной металл серебристо-жёлтого цвета, занимает 55 клетку в Таблице Менделеева.

Название «цезий» (химический символ — Cs) металл получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном спектре (от лат. caesius — небесно-голубой). Это — один из самых легкоплавких металлов – температура плавления 28,5°C. Главное свойство цезия – исключительно высокая активность. По чувствительности к свету он первый среди металлов. Цезиевый катод испускает поток электронов уже под действием инфракрасных лучей.

Цезий — мягкий металл серебристо-жёлтого цвета.

На воздухе цезий почти мгновенно окисляется с воспламенением, а его взаимодействие с водой происходит со взрывом. Природный цезий — мононуклидный элемент, состоит из единственного стабильного изотопа 133Cs. Все другие изотопы цезия получены искусственным путём.

Среднее содержание его в земной коре — 3,7 г/т. Основная его масса находится в рассеянной форме, и лишь незначительная часть заключена в цезиевых минералах. Основной рудой для получения металлического цезия является минерал поллуцит (Cs,Na)2Al2Si4O12·H2O. Назван так по имени Поллукса – героя древнегреческих мифов.

Поллуцит (Cs,Na)2Al2Si4O12·H2O, кристалл 3 см. Малханское пегматитовое поле, Забайкалье, Россия.

В виде примесей цезий входит в структуру таких минералов как лепидолит, флогопит, берилл, лейцит, карналлит и др.

Из последних популярностью среди коллекционеров пользуется лепидолит — KLi2Al(Al,Si)3O10(F,OH)2, из-за ярких окрасок и необычной морфологии.

Лепидолит KLi2Al(Al,Si)3O10(F,OH)2, 5х4 см, Бразилия.

Подтверждённые мировые запасы цезия на начало 2012 года оцениваются в 70 000 тонн. По добыче цезиевой руды (поллуцит) лидирует Канада. На редкометальном месторождении Берник-Лейк (провинция Манитоба) сосредоточено 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Зимбабве и Намибии. В России месторождения цезиевых минералов открыты на Кольском полуострове, в Восточном Саяне и Забайкалье.

Спектр применения цезия довольно широк – от радиоэлектроники до медицины. До недавнего времени ежегодное мировое потребление цезия оценивалось всего в несколько тысяч килограммов, поэтому отсутствуют официальные рыночные цены на этот металл. По некоторым данным потребности в цезии в будущем будут превышать его добычу.

Что произошло

Металлы бывают разные, но у них есть и общие черты: они обычно блестящие, пластичные и хорошо проводят электрический ток. И здесь нет совпадений — эти свойства обусловлены их характерной структурой. На наноскопическом уровне любой металл — это упорядоченная решетка заряженных частиц металла (ионов)  внутри облака электронов . Ионы некоторых металлов больше, чем другие, ценят комфорт этого облака. Поэтому они вытесняют прочь менее ленивые металлы  и занимают их место .

Если расположить металлы в порядке от более активных к менее активным, то цинк Zn окажется более смелым авантюристом, чем олово Sn или медь Cu. Именно поэтому, когда вы опускаете цинковый стержень в раствор с ионами меди Cu2+, то последние рады обосноваться в комфортном облаке электронов, образуя на поверхности стержня металлическую медь Cu. А ионы цинка Zn2+, в свою очередь, уходят плавать в раствор. Так же протекает реакция с раствором SnCl₂.

Как видите, извлечь металл из соединения довольно просто, если найти более активный металл. А как тогда выделить более активные металлы, такие как цинк? В промышленности не полагаются на личные предпочтения металлов — чтобы изловить блуждающие ионы металлов, там используют электрический ток.

Что такое ряд активности металлов?

Любое спортивное состязание — это соперничество за право называться самым сильным. Спортсмены и команды соревнуются, чтобы узнать, кто настоящий чемпион. Среди металлов есть наиболее активные (то есть самые реакционноспособные), а есть и весьма неактивные. Но в случае металлов «призовые места» предопределены заранее. Если спортсмен может стать сильнее соперников за счет упорных тренировок, то у металлов такой возможности нет. Например, цинк всегда активнее меди, и никогда наоборот. Поэтому химики составили нечто вроде турнирной таблицы металлов и назвали ее рядом активности. Самые активные металлы расположены слева, а самые неактивные — справа.

Li → K → Ba → Ca → Mg → Al → Zn → Fe → Ni → Sn → Pb → H → Cu → Hg → Ag → Au

Как работает ряд активности?

В этом эксперименте мы опустили кусочек цинка в раствор сульфата меди и наблюдали, как тот обрастает металлической медью:

Zn + CuSO₄ → Cu + ZnSO₄

Цинк фактически вытеснил медь из раствора ее соли. То же самое происходит и в пробирке с раствором хлорида олова, где цинк занимает место олова:

Zn + SnCl₂ → Sn + ZnCl₂

Реакция в пробирке с сульфатом меди и кусочком олова протекает медленнее, но со временем олово всё же покрывается тонким медным слоем, вытесняя медь из сульфата меди:

Sn + CuSO₄ → Cu + SnSO₄

Теперь посмотрим на нашу «турнирную таблицу»: цинк активнее меди и олова, а олово — активнее меди. Так и работает ряд активности металлов: более активные металлы вытесняют менее активные из их солей, но не наоборот! Именно поэтому мы и не наблюдали реакций в оставшихся трех пробирках.

Но водород не металл — почему же его тоже включили в ряд активности?

Водород позволяет систематизировать металлы по их реакционной способности. Справа от водорода расположены малоактивные металлы. Если положить кусочек такого металла в подкисленный раствор, никакой реакции не произойдет.

Металлы в середине ряда, но слева от водорода обладают средней активностью. Они реагируют с водными растворами кислот с образованием водорода. К таким металлам относится и цинк. Вот как он реагирует с раствором серной кислоты:

Цинк вытесняет водород из кислоты и именно поэтому находится в середине ряда активности.

Щелочные и некоторые щёлочноземельные металлы реагируют не так, как все остальные: в подкисленном растворе они реагируют с водой. Такие металлы находятся в самом начале ряда активности как наиболее реакционноспособные.