Физические и химические свойства

 

В виде простых веществ элементы подгруппы скандия - белые металлы (см. табл.3.45)

 

Tаблица 3.5.

Некоторые свойства элементов подгруппы скандия

  Металл   Rат, нм Плотность, г/см3   Jион., эВ Стандартный элект-родный потенциал процесса: Э+3 +3е- = Э, В   Tпл.,0С   Tкип.0C Содержание в земной коре, %
Sc 0,164 3,02 6,56 - 2,08 3·10-4
Y 0,181 4,47 6,21 - 2,37 2,6·10-4
La 0,187 6,17 5,57 - 2,52 2,5·10-4
Ac 0,203 10,1 5,12 - 2,6 5·10-15

 

Это весьма активные металлы, уступая по химической активности только щелочным и щелочноземельным металлам. При более сильном нагревании они все реагируют с большинством неметаллов, а при сплавлении - с металлами. Эти реакции можно представить в виде схемы:

 

В ряду Sc -Y- La - Ас активность заметно возрастает, о чем свидетельствует значения их электродных потенциалов (см. табл.3.4.).

Скандий вследствие пассивирования с водой не реагирует, а лантан уже при обычных условиях медленно разлагает воду:

 

2 La + 6 H2O = 2 La(OH)3 + 3H2­

 

С основными кислотами (HF, H2SO4, HNO3, CH3COOH) металлы реагируют уже на холоде, медленно окисляются на воздухе,- резко увеличивают свою активность при нагревании.

Все металлы легко взаимодействуют с разбавленными кислотами (HCL, H2SO4, HNO3) причем в разбавленной азотной кислоте выделяется нитрат аммония:

 

8Sc + 30 HNO3 = 8 Sc (NO3)3 + 3 NH4NO3 + 9 H2O

 

Химически инертны в растворах щелочей.

 

Соединения металлов

 

Практически во всех своих соединениях элементы группы III B проявляют степень окисления +3. При этом устойчивость бинарных соединений от Sc к Ас растет. Соединения Э3+ чаще всего белые кристаллические вещества.

Соединения с неметаллами. Скандий и его аналоги образуют с бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором, серой тугоплавкие соединения, часто с металлическими свойствами, например ScN, LaC2, Sc5Si3, Sc3Si5, ScSi2,YB2, YB6,LaB6. Многие из них не обладают стехиометрическим составом.

Гидриды.Это в основном твердые соединения типа ЭН2 (при недостатке водорода) и ЭН3 (при избытке); электропроводны. Гидриды ЭН2 легко окисляются кислородом и реагируют с водой:

 

ЭН2 + 6Н2О = 2Э (ОН)3 + 5Н2

 

Галогениды. При обычных условиях это— твердые вещества, причем температура плавления фторидов (~1400°С) существенно выше, чем остальных галогенидов (от 700 до 1000 °С). Фториды в отличие от остальных соединений этого типа негигроскопичны и нерастворимы в воде. Устойчивость соединений в ряду ЭГ3, ЭСI 3, ЭВг3, ЭI3 убывает.

Галогениды ЭГ3 (Г = СI-, Вг-, I-) гидролизуются обычно по схеме:

 

ЭГ3 + 3Н2О = Э(ОН)3 + 3НГ

 

При нагревании образуются оксогалогениды типа ЭОГ.

Оксиды.Все оксиды - тугоплавкие белые кристаллические вещества, плохо растворимые в воде и щелочах и хорошо — в разбавленных кислотах, особенно при нагревании. Некоторые свойства оксидов приведены ниже:

 

 

С водой оксиды взаимодействуют по схеме:

 

Э2О3 + 3Н2О = 2Э(ОН)3, DH<0

 

Это взаимодействие усиливается в ряду Sc2O3, Y2O3, La2O3, Ac2O3.

Гидроксиды. При обработке солей Э+3 растворами щелочей (или водным аммиаком) получаются белые студнеобразные осадки Э(ОН)3, трудно растворимые в воде, но растворимые в минеральных кислотах. При нагревании они постепенно теряют воду и превращаются в оксиды:

2Э(ОН)3 2ЭООН Э2О3

-2Н2О -Н2О

 

Исключая амфотерный Sc(OH)3, гидроксиды являются довольно сильными основаниями, причем основные свойства усиливаются от Sc(OH)a до Ас(ОН)3.

При обработке оксидов и гидроксидов минеральными кислотами образуются соответствующие соли Э+3. Многие из них выделяются в виде различных кристаллогидратов.

 

Применение

Sc, Y, La используются как легирующие добавки при изготовлении специальных сплавов, стойких к высоким температурам и коррозии.

Оксиды Э2О3 применяются в качестве катализаторов в производстве огнеупорной керамики, ферритов, лазерных материалов. Y2О3 является одной из составляющих высокотемпературных сверхпроводящих материалов. La и его оксид широко используются при изготовлении оптических приборов.

В радиотехнике и радиоэлектронике нашли применение халькогениды скандия. В последнее время получены высокотемпературные проводники на основе оксидов стронция и лантана.

 

Вопросы и упражнения

1. Напишите уравнение образования двойных солей лантана типа М1+[Э(SO4)2], М21+[Э(NO3)5], М1+[Э(CO3)2].

2. Как получают гидроксиды Sс, La. Составьте уравнения их получения.

3. Какой из гидроксидов подгруппы скандия обладает амфотерными свойствами. Докажите их с помощью соответствующих уравнений.

4. Составьте уравнения реакций растворения скандия в азотной и серной концентрированных кислотах.

5. Как растворяется лантан во фтористоводородной кислоте?

6. Приведите примеры получения лантана.

7. Кто из металлов подгруппы скандия будет более активно растворяться в разбавленных кислотах (HCL, H2SO4)? Составьте уравнения реакций.

8. Сколько скандия выделится на катоде при пропускании через расплав SсС13 тока силой 10А в течение 20ч?

9. При работе гальванического элемента Sc|Sc(NO3)3||Cr2(SO4)3|Cr восстановилось до свободного металла 31,2г хрома. На сколько уменьшилась масса скандиевого электрода.

10. Имеются растворы одинаковой молярности Sc(NO3)3 и Lа(NO3)3. Для какого из этих растворов значение рН больше и почему?

 

 

Элементы подгруппы IVB

 

Побочную подгруппу 4 группы Периодической системы образуют элементы: Ti, Zr, Hf, Ku. Это полные аналоги с конфигурацией валентного слоя nS2(n-1) d2. Наиболее характерная степень окисления элементов подгруппы титана: +4. Титан может проявлять дополнительно с.о. +2, +3. Координационные числа Ti –6, реже 4; Zr и Hf –6, 7 и 8.