VI группа побочная подгруппа Периодической системы Д. И. Менделеева (хром, молибден, вольфрам)

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный педагогический университет»

Курсовая работа на тему:

«VI группа побочная подгруппа Периодической системы Д. И. Менделеева

(хром, молибден, вольфрам)»

Выполнила:

студентка III курса ЕГФ

Безрукова А. И.

Проверил:

доцент кафедры н/х и МОХ

Тростин В. Л.

Нижний Новгород

2011

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..1

Глава I. Хром

1. Распространение в природе…………………………………………………...4

2. Физические свойства…………………………………………………………..5

3. Химические свойства………………………………………………………….7

4. Соединения хрома……………………………………………………………..9

              4.1 Оксиды………………………………………………………………….9

              4.2 Гидроксиды……………………………………………………………11

              4.3 Кислоты………………………………………………………………..12

              4.4 Соли……………………………………………………………………12

5. Получение……………………………………………………………………..13

6. Применение…………………………………………………………………....16

              6.1 Хромирование…………………………………………………………17

              6.2 Сплавы…………………………………………………………………18

Глава II. Молибден

1. Распространение в природе…………………………………………………..21

2. Физические и химические свойства…………………………………………21

3. Важнейшие соединения………………………………………………………26

4. Получение и применение молибдена и его соединений…………………....30

Глава III. Вольфрам

1. Распространение в природе…………………………………………………..34

2. Физические свойства………………………………………………………….34

3. Химические свойства…………………………………………………………35

4. Важнейшие соединения………………………………………………………36

5. Получение и применение вольфрама и его соединений……………………37

Литература……………………………………………………………………….40

Введение

Побочную подгруппу VI группы Периодической системы Д. И. Менделеева составляют металлы: хром, молибден и вольфрам. Хром возглавляет побочную подгруппу 4 группы. Его электронная формула +24Cr 1s2|2s2|2p6|3s2|3p6|3d5|4s1

На внешнем энергетическом уровне атомов хрома и молибдена содержится по одному электрону, вольфрама — два электрона, что обусловливает металлический характер этих элементов и отлично от элементов главной подгруппы. В соответствии с числом валентных электронов они проявляют максимальную степень окисления +6 и образуют оксиды типа RO3, которым соответствуют кислоты общей формулы H2RO4. Сила кислот закономерно снижается от хрома к вольфраму. Большинство солей этих кислот в воде малорастворимо, хорошо растворяются только соли щелочных металлов и аммония.

Элементы подгруппы хрома проявляют также степени окисления +5, +4, +3, +2. Но наиболее типичны соединения высшей степени окисления, которые во многом весьма похожи на соответствующие соединения серы. С водородом элементы подгруппы хрома соединений не образуют.

С ростом порядкового номера в подгруппе возрастает температура плавления металлов. Вольфрам плавится при 3390 °С. Это самый тугоплавкий металл. Поэтому его используют для изготовления нитей в электрических лампочках накаливания.

Металлы подгруппы хрома в обычных условиях весьма устойчивы к воздействию воздуха и воды. При нагревании взаимодействуют с кислородом, галогенами, азотом, фосфором, углем, кремнием и др. Известны их многочисленные сплавы с другими металлами. Сплавы и сами металлы — весьма ценные материалы современной техники.

По физическим и химическим свойствам молибден и вольфрам сходны между собой и несколько отличаются от хрома. Химическая активность металлов в ряду хром — молибден — вольфрам заметно понижается.

Хром был открыт в период бурного развития химико-аналитических исследований солей и минералов. В 1766 г. Профессор химии И. Г. Лемманн в Петербурге впервые исследовал «красный сибирский минерал». В те времена этот минерал был обнаружен лишь на Березовском руднике, в 15 км от нынешнего Свердловска. Сейчас этот минерал называют крокоитом, его состав PbCrO4. В то время он послужил причиной разногласий среди ученых. Спорили о его составе более 30 лет, пока французский химик Луи Никола Вокелен не выделил из него металл. Название элемента предложили друзья Л. Вокелена, но оно ему сначала не понравилось, так как металл не отличался ярким цветом. Однако им удалось убедить химика именно в этом названии металла: многие соединения хрома ярко окрашены (греческое слово «хрома» означает цвет, краска). В чистом виде хром был выделен в 1854 г. Немецким химиком Р. Бунзеном при электролизе хлорида хрома CrCl3.

Молибден. Однажды шведскому химику Карлу Шееле прислали для исследования несколько кусков мягкого темно-серого камня под названием «молибдены». Этим словом, начиная со средних веков, вплоть до XVII в., называли минералы: сульфид свинца (галенит) и графит.

Когда химик исследует вещество, он, прежде всего, испытывает действие на него огня, воды, кислот и щелочей. Поэтому К. Шееле, приступив к анализу «молибдены», сначала нагрел ее в пламени. Выделяющийся оксид серы SO2 позволил ему сделать вывод, что в минерале есть сера. Небольшое количество оставшегося от прокаливания желто-белого остатка К. Шееле бросил в стакан с кипящей водой, и остаток почти весь растворился. Это не был оксид свинца, так как последний не растворялся даже в горячей воде. К. Шееле попробовал каплю раствора на вкус: во рту ощущался кислый вкус. Он внес в стакан с исследуемой жидкостью каплю лакмуса: раствор окрасился в красный цвет. Не оставалось сомнений, что в минерале содержится какой-то неизвестный элемент, оксид которого с горячей водой образует кислоту. Так впервые в 1778 г. К. Шееле получил кислородное соединение молибдена MoO3.

В 1790 г. Французский химик Б. Пелльетье выделил из минерала в смеси с различными примесями металлический молибден. Чистый же металл был получен Йенсом Якобом Берцелиусом в 1817 г., и  назван молибденом, а минерал его – молибденитом.

Вольфрам впервые был получен также Карлом Шееле в 1781 г. В минерале, который тогда называли тунгустеном, а впоследствии в честь К. Шееле стали называть шеелитом. Этот тяжелый камень был известен металлургам еще в XIV-XVI вв. Он обычно встречался вместе с оловянным камнем. Горняки и металлурги того времени, занимавшиеся добычей олова, заметили, что присутствие этой тяжелой руды уменьшает выход чистого олова. Поэтому в Скандинавии минерал стали называть «тунгустен», т. е. «пожирающий олово», а в Европе – «вольфрам» (от немецких слов «вольф» - волк и «рум» - пена), что означало «пена разъяренного волка».

К. Шееле не получил вольфрам как индивидуальное вещество, он только выделил из минерала его оксид WO3. В 1783 г. Испанцы браться Ж. Эльгуайр и Ф. Эльгуайр получили металл в чистом виде. Они и назвали его вольфрамом, хотя до сих пор во Франции и Англии этот элемент называют тунгустеном. В России вольфрам впервые был обнаружен в отечественных рудах в 1788 г.

Глава I. Хром.

1. Распространение в природе.

Хром встречается в виде соединений в различных минералах. Наиболее распространен минерал хромит, или хромистый железняк FeCr204, богатые месторождения которого имеются на Урале и в Казахстане. Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,03%. Хром обнаружен на Солнце, звездах и в метеоритах.

...Еще в 1766 году петербургский профессор химии И. Г. Леман описал новый минерал, найденный на Урале на Березовском руднике, в 15 километрах от Екатеринбурга. Обрабатывая камень соляной кислотой, Леман получил изумрудно-зеленый раствор, а в образовавшемся белом осадке обнаружил свинец. Спустя несколько лет, в 1770 году, Березовские рудники описал академик П. С. Паллас. «Березовские копи, — писал он, — состоят из четырех рудников, которые разрабатываются с 1752 года. В них наряду с золотом добываются серебро и свинцовые руды, а также находят замечательный красный свинцовый минерал, который не был обнаружен больше ни в одном другом руднике России. Эта свинцовая руда бывает разного цвета (иногда похожего на цвет киновари), тяжелая и полупрозрачная... Иногда маленькие неправильные пирамидки этого минерала бывают вкраплены в кварц подобно маленьким рубинам. При размельчении в порошок она дает красивую желтую краску...».

В 1936 году в Казахстане, в районе Актюбинска, были найдены огромные залежи хромита — основного промышленного сырья для производства феррохрома. В годы войны на базе этого месторождения был построен Актюбинский ферросплавный завод, который впоследствии стал крупнейшим предприятием по выпуску феррохрома и хрома всех марок.

Богат хромистой рудой и Урал. Здесь расположено большое число месторождений этого металла: Сарановское, Верблюжьегорское, Алапаевское, Монетная дача, Халиловское и др. По разведанным запасам хромистых руд Россия занимает ведущее место в мире.

Руды хрома имеются в Турции, Индии, Новой Каледонии, на Кубе, в Греции, Югославии, некоторых странах Африки. В то же время такие промышленные страны, как Англия, Франция, ФРГ, Италия, Швеция, Норвегия, совершенно лишены хромового сырья, а США и Канада располагают лишь очень бедными рудами, практически не пригодными для производства феррохрома. Всего же на долю хрома приходится 0,02% земной коры.

2. Физические свойства.

Хром — серовато-белый блестящий металл по внешнему виду похож на сталь. Из металлов он самый твердый, его плотность 7,19 г/см3, т. пл. 1855 °С. Природный хром состоит из смеси пяти изотопов с массовыми числами 50, 52, 53, 54 и 56. Радиоактивные изотопы получены искусственно.

Хром обладает всеми характерными свойствами металлов — хорошо проводит тепло, почти не оказывает сопротивления электрическому току, имеет присущий большинству металлов блеск. Любопытна одна особенность хрома: при температуре около 37°С он ведет себя явно «вызывающе» — многие его физические свойства резко, скачкообразно меняются. В этой температурной точке внутреннее трение хрома достигает максимума, а модуль упругости падает до минимальных значений. Так же внезапно изменяются электропроводность, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила. Пока ученые не могут объяснить эту аномалию.

Даже незначительные примеси делают хром очень хрупким, поэтому в качестве конструкционного материала его практически не применяют, зато как легирующий элемент он издавна пользуется у металлургов почетом. Небольшие добавки его придают стали твердость и износостойкость. Такие свойства присущи шарикоподшипниковой стали, в состав которой, наряду с хромом (до 1,5%), входит углерод (около 1%). Образующиеся в ней карбиды хрома отличаются исключительной твердостью — они-то и позволяют металлу уверенно сопротивляться одному из опаснейших врагов — износу. Устойчив к коррозии на воздухе и в воде. Структура кристаллической решетки объемноцентрированная кубическая.

Таблица 1- Физические свойства хрома

3. Химические свойства.

Хром может проявлять в соединениях различные степени окисления — от +1 до +6; из них наиболее устойчивы соединения хрома со степенями окисления +2, +3, +6. Таким образом, в образовании химических связей участвует не только электрон внешнего уровня, но и пять электронов d-подуровня второго снаружи уровня.

Как и у алюминия, на поверхности хрома образуется оксидная пленка Сr2О3. Поэтому хром в разбавленных серной и соляной кислотах начинает растворяться не сразу, а после растворения оксидной пленки:

Cr + 2H+=Cr5+ + H2­

В азотной и концентрированной серной кислотах хром не растворяется, так как его оксидная пленка упрочняется, т. е. хром переходит в пассивное состояние. По этой же причине не взаимодействуют с хромом разбавленные серная и соляная кислоты, содержащие растворенный кислород. Хром пассивируется холодными концентрированными H2SO4 и HNO3, однако при сильном нагревании он растворяется в этих кислотах:

2Cr + 6H2SO4(конц.) = Cr2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Cr + 6HNO3(конц.) = Cr(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

Пассивацию хрома можно устранить очисткой поверхности металла.

При высокой температуре хром горит в кислороде, образуя оксид Cr2О3. Раскаленный хром реагирует с парами воды:

2Cr + ЗН2О = Cr2О3 + ЗН2 ­

Металлический хром при нагревании реагирует также с галогенами, галогеноводородами, серой, азотом, фосфором, углем, кремнием и бором. Например:

Cr + 2HF = CrF2 + H2 ­; 2Cr + N2 = 2CrN

2Cr + 3S = Cr2S3; Cr + Si = CrSi

На воздухе хром совершенно не изменяется. Поэтому хромом с помощью электролиза его соединений покрывают — хромируют — стальные изделия для предохранения их от ржавления и механического износа. Эти же качества хром придает своим сплавам с железом — хромистым сталям. К ним относится нержавеющая сталь, содержащая около 12% хрома.

В быт нержавеющая сталь вошла в виде вилок, ножей и других предметов домашнего обихода. Блестящие, серебристого цвета полосы нержавеющей стали украшают арки станции «Маяковская» Московского метрополитена.

При химических реакциях атом хрома может отдавать, кроме единственного электрона наружного слоя, до 5 электронов предпоследнего слоя, т. е. проявлять высшую степень окисления (+6). Но, как и все элементы с достраивающимся предпоследним слоем атома, хром проявляет несколько значений степеней окисления, т. е. кроме высшего и низшие значения, а именно + 2 и + 3. У металлов с переменной валентностью, как и у элементов одного и того же периода, например III, с возрастанием степени окисления уменьшается радиус иона.

4. Соединения хрома

4.1 Оксиды

Оксид хрома (II) CrO (основной) – это твердое вещество черного цвета, взаимодействующее только с кислотами, сильный восстановитель, чрезвычайно неустойчив в присутствии влаги и кислорода. Практического значения не имеет.