ПМ-19 хімія 25.10.21

 

25.10.2021

Лекція (2 год.)

Тема 1.15. Кобальт, нікель. Фізичні і хімічні властивості. Застосування.

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

1. Конспект лекції

2. Для самостійного вивчення: Тема 1.16. Знаходження в природі, сплави на основі  кобальту, нікелю.

 

VIII-В група різко відрізняється у структурному відношенні від інших груп Періодичної системи. В її склад входять 9 елементів, які об’єднуються зазвичай в родину феруму (Fe, Co, Ni) та платинові метали, які доцільно розділити на три вертикальні діади: Ru-Os, Rh-Ir, Pd-Pt, в межах якої властивості елементів особливо близькі.

В даній групі спостерігається унікальне в періодичній системі явище: число валентних електронів елементів (Со, Ni) є більшим за номер групи. За цією ознакою тільки ферум можна було б вважати елементом VIII-В групи. Проте існує і друга особливість, властива елементам тріади феруму: в жодній своїй сполуці вони не проявляють валентності (чи ступеня окиснення) , які б відповідали номеру групи. З цієї точки зору, навіть Fe мождна віднести до VIIIВ-групи тільки формально. Третя особливість полягає в тому, що в рамках однієї підгрупи об’єднується горизонтальна родина з трьох елементів. Елементи родини Феруму (Ферум, Кобальт та Нікол), що входять до складу VIIIВ підгрупи, на відміну від платинових металів не мають вільного f-під-рівня, а d-підрівень передостаннього електронного рівня майже повністю добудовується: Однак не всі електрони d-підрівня беруть участь в утворенні хімічних зв’язків. Тому максимальний ступінь окислення заліза +6 (звичайно +3 та +2).

Знаходження в природі. Кобальт і Нікол – малопоширені елементи. Со – 3*10^-3%, Ni – 8*10^-3%.

Фізичні властивості. Це сріблясто-білі метали з рожевим (кобальт) і жовтуватим (нікель) відблиском. Чисті метали пластичні, але навіть незначна кількість домішок (головним чином С) підвищує їх твердість і крихкість, що особливо помітно у кобальту. Для кобальту характерний поліморфізм, в той час як нікель – мономорфний.

Ці метали – феромагнітні. Магнітні моменти атомів однаково орієнтовані, тому самовільно намагнічуються навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля. При нагріванні до певної температури (точки Кюрі) феромагнітні властивості зникають і метали стають парамагнітними. Перехід феромагнетика в пармагнетик не супроводжується перебудовою кристалічної структури, і є фазовим переходом 2 роду. У дрібнодисперсному стані ці метали пірофорні – самозаймаються на повітрі.

В 1925 р. англійський хімік М.Реней приготував сплав нікелю з алюмінієм, взявши обидва компоненти в еквімолярних кількостях (рівних по числу молей). Потім, подрібнивши сплав, він обробив його надлишком розчину лугу. Отримав чорний порошкоподібний металічний порошок. Реней промив його водою і поставив сушитися на столі, а сам пішов обідати. Повернувшись з кафе, хімік виявив, що вся лабораторія в диму – загорівся лабораторний дерев’яний стіл, якраз в тому місці, де він залишив фільтрувальний папір з чорним порошком. Це свідчить про пірофорні властивості дрібнодисперсного порошкоподібного нікелю, який стали називати нікель Ренея.

Хімічні властивості. За хімічною поведінкою кобальт і нікель відносять до металів середньої активності. В ряду стандартних електродних потенціалів вони розташовані лівіше водню, між цинком і станумом. Наявність домішок сильно знижує стійкість металів до агресивної атмосфери у присутності вологи. Це призводить до корозії. Кобальт та нікель в корозійному відношенні стійкіші за залізо, вони не піддаються корозії у воді, на повітрі і в різних розчинах.

При нагріванні (300-500 ^оС) ці метали реагують з киснем, хлором, сіркою, бромом, та ін.

Ni + O₂ ® NiO  (CoO)

Co + Cl₂ ® CoCl₃

За температури 600-1000 ^оС реагують з водяною парою:

Ni + Н₂O ® NiO + H₂­.

Фториди даних металів на відміну від хлоридів, нелеткі, тому Co, і особливо Ni, стійкі до дії фтору. Нікель не руйнується фтором навіть при температурі кольору жару, тому з нього виготовляють хімічну апаратуру, яка стійка в атмосфері фтору.

Хлоридна і розведена сульфатна кислоти окиснюють кобальт до Со (II):

Со + 2HCl ® СоCl₂ + H₂­

Со + H₂SO₄ ® СоSO₄ + H₂­

З розведеною HNO₃ (30%) кобальт вступає в наступну реакцію:

8Со + 20 HNO₃(розб.) = 8Со(NO₃)₂ + 2NO↑ + N₂ + 10 H₂O

Концентровані HNO₃ і H₂SO₄ пасивують ці метали з утворенням на поверхні оксидного шару.

Сполуки елементів підгрупи Феруму. Метали утворюють оксиди FeO, CoO, NiO, які проявляють основні властивості, вони не розчиняються у воді та лугах, легко взаємодіють з кислотами, утворюючи солі Е²⁺.

Даним оксидам відповідають наступні основи: Fe(OH)₂ – сіро-зелений,  Со(ОН)₂ – рожевий,  Ni(ОН)₂ – зелений.

Бромна вода окиснює кобальт(ІІ) гідроксид в лужному середовищі до  гідратованого оксиду чорно-коричневого кольору:

 2Со(ОН)₂ + Br₂ + 2KOH = Co₂O₃ 3H₂O + 2KBr 

На відміну від Fe(OH)₂ і  Со(ОН)₂, Ni(ОН)₂ стійкий на повітрі і окиснюється тільки сильними окисниками, наприклад, хлорною або бромною водою у лужному середовищі (аналогічно Со(ОН)₂).

Ступінь окиснення +3 більш характерна для феруму, сполуки кобальту +3 і Ni⁺³ – сильні окисники.

Для металів тріади феруму характерне утворення карбонілів – сполук із СО. Саме ці карбоніли були отримані найпершими (наприкінці 18- поч. 19 ст.). Пентакарбонілферум Fe(CO)₅ – летка рідина світло-жовтого кольору, Со₂(СО)₈ – кристалічна речовина жовтогарячого кольору, тетракарбонілнікол Ni(CO)₄ – рідина, безбарвна.

Елементи тріади феруму утворюють типові подвійні солі типу шенітів і галунів. З перших найбільш відомою є сіль Мора (NH₄)₂SO₄ ∙ FeSO₄ ∙ 6H₂O. Вона є найбільш стійкою сполукою феруму(ІІ), яка не вивітрюється, не втрачає воду на повітрі і використовується для приготування стандартних розчинів в лабораторній практиці. Галуни відомі тільки для феруму та кобальту, наприклад ферумамонійні галуни (NH₄)₂SO₄ ∙ Fe₂(SO₄)₃ ∙ 24H₂O, кобальтокалієві галуни К₂SO₄ ∙ Со₂(SO₄)₃ ∙ 24H₂O і т.п.

Отримання. При прокалюванні арсенидів, сульфідів кобальту утворюються оксиди кобальту, з яких при нагріванні відновлюють металічний кобальт воднем. Аналогічно отримують металічний нікель.

Застосування. Металічний кобальт застосовують для електролітичного покриття різноманітних металічних деталей, оскільки він дуже стійкий до дії кисню повітря і води. Кобальт у великих кількостях використовують при виробництві твердих сталей. Сплави кобальту застосовуються для виготовлення катодів, зубних протезів, автомобілебудуванні, турбореактивній, турбокомпресорній, ракетній техніці.

Нікель належить до самих широко застосовуваних металів, але його використання обмежене високою вартістю. Із нікеля виготовляють корозійно стійкі вироби гальванічним методом. Найбільша кількість нікеля йде на виготовлення сплавів.