ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 29
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………...2
Глава 1. Общая характеристика VII-й группых элементов…………………….3
1.1 Общая характеристика элементы VII-й группы……………………….……3
1.2 Название химической элементы VII-й группы периодической системы…6
1.3 Химический свойства Mn……..……………………………………………...8
1.4 Химический свойства Tc, Re….………………………………………….…..9
1.5 Нахождения природы. Получение VII-й группы элементов………….…..16
Глава 2. "Элементы VII-й группы" в учебной деятельности студентов в рамках дисциплины "Химии"……………………...……………………………19
2.1 Методическая разработка лабораторного-практического занятие по химии VII-й группы элементов…………………………………………………………19
Заключение……………………………………………………………………….25
Список информационных источников…………………………………………26
Введение
Элементы, входящие в VII группу периодической системы, делятся на две подгруппы: главную — подгруппу галогенов — и побочную — подгруппу марганца. В эту же группу помещают и водород, хотя его атом имеет на внешнем, валентном, уровне единственный электрон и его следовало бы поместить в I группу. Однако водород имеет очень мало общего как с элементами основой подгруппы — щелочными металлами, так и с элементами побочной подгруппы — медью, серебром и золотом. В то же время он, как и галогены, присоединяя в реакциях с активными металлами электрон, образует гидриды, имеющие некоторое сходство с галогенидами.
Элементы группы VII имеют по VII валентных электронов. Все они являются серебристо-белыми тугоплавкими металлами. В ряду Mn -- Tc -- Re химическая активность понижается. Электропроводность рения приблизительно в 4 раза меньше, чем вольфрама. На воздухе компактный металлический марганец покрывается тончайшей пленкой окисла, которая предохраняет его от дальнейшего окисления даже при нагревании. Напротив, в мелко раздробленном состоянии он окисляется довольно легко.
На внешнем энергетическом уровне у галогенов VII электронов, являются сильными окислителями. При взаимодействии с металлами возникает ионная связь, и образуются соли. Галогены (кроме фтора) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами могут проявлять и восстановительные свойства вплоть до высшей степени окисления +VII.
Технеций и борий, являются радиоактивными с достаточно коротким периодом полураспада, ввиду чего в природе они не встречаются. Марганец принадлежит к распространенным элементам, составляя 0,03 % от общего числа атомов земной коры.
Что касается галогенов, они имеют высокую реакционную способность, поэтому встречаются в природе обычно в виде соединений. Их распространённость в земной коре уменьшается при увеличении атомного радиуса от фтора к иоду.
Глава 1. Общая характеристика VII-й группых элементов
1.1 Общая характеристика элементы VII-й группы
Пиролюзит (минерал марганца) был известен людям еще с древних времен, он использовался нашими предками для осветления стекла, получаемого варкой. До 1774 г. пиролюзит считали разновидностью магнитного железняка. И только в 1774 г. швед К. Шееле догадался, что в пиролюзите присутствует неизвестный тогдашней науке металл, после чего Ю. Ган получил металлический марганец, нагревая пиролюзит в печке с углем. Свое название "марганец" получил в начале 19 века (от немецкого Manganerz — марганцевая руда).
Марганец занимает 14-е место среди всех химических элементов по распространенности в земной коре. Больше всего марганца содержится в основных породах. Самостоятельные месторождения марганца крайне редки, чаще этот металл сопутствует железу во многих его рудах. Достаточно много марганца содержится в железо-марганцевых конкрециях, расположенных в донной части Мирового океана.
Минералы, богатые марганцем:
-
пиролюзит - MnO2·nH2O
-
манганит - MnO(OH)
-
марганцевый шпат - MnCO3
-
браунит - 3Mn2O3·MnSiO3
Марганец в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером "25", относится к переходным металлам (См. Атомы переходных элементов).
Рис. Строение атома марганца.
Электронная конфигурация атома марганца - 1s22s22p63s23p63d54s2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 5 электронов 3d-подуровня (всего 7 электронов), поэтому в соединениях марганец может принимать степени окисления от +7 до +1 (наиболее часто встречаются +7, +2). Марганец является химически активным металлом. Аналогично алюминию при комнатной температуре реагирует с кислордом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной защитной оксидной пленки, которая предотвращает дальнейшее окисление металла.
Физические свойства марганца:
-
металл серебристо-белого цвета;
-
твердый;
-
хрупкий при н. у.
Известны 4 модификации марганца: α-форма; β-форма; γ-форма; δ-форма.
До 710°C устойчивой является α-форма, которая при дальнейшем нагревании последовательно через все модификации переходит к δ-форме (1137°C).
Химические свойства марганца
-
марганец (порошок) легко реагирует с кислородом, образуя оксиды, вид которого зависит от температуры реакции:
-
450°C - MnO2;
-
600°C - Mn2O3;
-
950°C - Mn3O4;
-
1300°C - MnO.
-
мелкораздробленный марганец при нагревании реагирует с водой с выделением водорода:
Mn + 2H2O = Mn(OH)2 + H2;
-
марганец (порошок) при нагревании вступает в реакцию с азотом, углеродом, серой, фосфором:
Mn + S = MnS;
-
активно реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода:
Mn + 2HCl = MnCl2 + H2;
-
реагирует с разбавленной азотной кислотой:
3Mn + 8HNO3 = 3Mn(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
Применение и получение марганца
Получение марганца:
-
чистый марганец получают электролизом водных растворов MnSO4 с добавкой (NH4)2SO4 при pH=8-8,5: анод - свинец; катод - нержавеющая сталь (чешуйки марганца снимают с катодов);
-
менее чистый марганец получают из его оксидов металлотермическими методами:
-
алюмотермия:
4Al + 3MnO2 = 3Mn + 2Al2O3;
-
кремнийтермия:
Si + MnO2 = Mn + SiO2.
Применение марганца:
-
в металлургии марганец используют для связывания серы и кислорода:
Mn + S = MnS; 2Mn + O2 = 2MnO;
-
в качестве лигирующей добавки при выплавке различных сплавов (марганец дает коррозоустойчивость, вязкость, твердость):
-
манганин - сплав марганца с медью и никелем;
-
ферромарганец - сплав марганца с железом;
-
марганцевая бронза - сплав марганца с медью.
-
Калия перманганат издавная используют в качестве антисепитческого средства, которое действует только на поверхности кожи и слизистых оболочек.
Биологическая роль марганца:
Марганец входит в десятку "металлов жизни", необходимых для нормальной жизнедеятельности животных и растительных клеток.
В теле взрослого человека содержится порядка 12 мг марганца, который участвует в образовании белковых комплексов, а также входит в состав некоторых нуклеиновых кислот, аминокислот, ферментов (аргиназы и холинэстеразы).
Марганец наряду с магнием участвует в активации гидролиза АТФ, обеспечивая тем самым энергетическую жизнедеятельность живой клетки.
Ионы марганца участвуют в активации нуклеазы - данный фермент необходим для разложения нуклеиновых кислот до нуклеотидов.
Частные аналитические реакции ионов Mn2+
1.5.5. Окисление висмутатом натрия NaBiO3, протекает по уравнению:
2Mn(NO3)2 + 5NaBiO3 + 16HNO3 = 2HMnO4 + 5Bi(NO3)3 + 5NaNO3 + VIIH2O.
Реакция идет на холоду. Выполнение реакции: к 1-2 каплям раствора соли марганца прибавляют 3-4 капли 6 М раствора HNO3 и 5-6 капель H2O, после чего вносят лопаточкой немного порошка NaBiO3. перемешав содержимое пробирки, дают постоять 1-2 минуты, центрифугируют для отделения избытка висмутата натрия. В присутствии Mn2+ раствор становится фиолетовым в результате образования марганцевой кислоты, которая является одним из наиболее сильных окислителей.
1.5.6. Окисление двуокисью свинца PbО2 в азотнокислой среде при нагревании:
2Mn(NO3)2 + 5РbО2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2Н2О.
Выполнение реакции: Берут немного порошка PbO2 и помещают в пробирку, туда же добавляют 4-5 капель 6 M HNO3, нагревают при перемешивании. Появление фиолетовой окраски свидетельствует о наличии Mn2+.
1.5.VII. Важное значение в анализе имеют реакции Mn2+ c карбонатами щелочных металлов, гидрофосфатом натрия, реакции окисления персульфатом аммония, окисление бензидина соединениями Mn4+, восстановление AgCl до металлического серебра ионами Mn2+.
1.2 Название химической элементы VII-й группы периодической системы
В главную подгруппу VII группы входят элементы фтор, хлор, бром, йод, астат.
Галогены (от греч. льт -- соль и гЭнпт -- рождение, происхождение; иногда употребляется устаревшее название галоиды) -- химические элементы VII группы периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева
Реагируют почти со всеми простыми веществами, кроме некоторых неметаллов. Все галогены -- энергичные окислители, поэтому встречаются в природе только в виде соединений. С увеличением порядкового номера химическая активность галогенов уменьшается, химическая активность галогенид-ионов Mn Tc Re уменьшается.
Все галогены -- неметаллы. На внешнем энергетическом уровне VII электронов, являются сильными окислителями. При взаимодействии с металлами возникает ионная связь, и образуются соли. Галогены (кроме фтора) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами могут проявлять и восстановительные свойства вплоть до высшей степени окисления +VII.
Как уже было сказано выше, галогены имеют высокую реакционную способность, поэтому встречаются в природе обычно в виде соединений.
Их распространённость в земной коре уменьшается при увеличении атомного радиуса от фтора к иоду. Количество астата в земной коре измеряется граммами, а унунсептий в природе отсутствует. Фтор, хлор, бром и иод производятся в промышленных масштабах, причём объёмы производства хлора значительно выше, чем трёх других стабильных галогенов.
В природе эти элементы встречаются в основном в виде галогенидов (за исключением иода, который также встречается в виде иодата натрия или калия в месторождениях нитратов щелочных металлов). Поскольку многие хлориды, бромиды и иодиды растворимы в воде, то эти анионы присутствуют в океане и природных рассолах. Основным источником фтора является фторид кальция, который оченьмалорастворим и находится в осадочных породах (как флюорит CaF2).
Основным способом получения простых веществ является окисление галогенидов. Высокие положительные стандартные электродные потенциалы Eo(F2/F?) = +2,8VII В и Eo(Cl2/Cl?) = +1,36 В показывают, что окислить ионы F? и Cl? можно только сильными окислителями. В промышленности применяется только электролитическое окисление. При получении фтора нельзя использовать водный раствор, поскольку вода окисляется при значительно более низком потенциале (+1,32 В) и образующийся фтор стал бы быстро реагировать с водой. Впервые фтор был получен в 1886 г. французским химикомАнри Муассаном при электролизе раствора гидрофторида калия KHF2 в безводной плавиковой кислоте.
В промышленности хлор в основном получают электролизом водного раствора хлорида натрия в специальных электролизёрах. При этом протекают следующие реакции.
полуреакция на катоде.
Окисление воды на аноде подавляется использованием такого материала электрода, который имеет более высокое перенапряжение по отношению к O2, чем к Cl2 (таким материалом является, в частности, RuO2).
В современных электролизёрах катодное и анодное пространства разделены полимерной ионообменной мембраной. Мембрана позволяет катионам Na+ переходить из анодного пространства в катодное. Переход катионов поддерживает электронейтральность в обеих частях электролизёра, так как в течение электролиза отрицательные ионы удаляются от анода (превращение 2Cl? в Cl2) и накапливаются у катода (образование OH?). Перемещение OH? в противоположную сторону могло бы тоже поддерживать электронейтральность, но ион OH? реагировал бы с Cl2 и сводил на нет весь результат.
Бром получают химическим окислением бромид-иона, находящегося в морской воде. Подобный процесс используется и для получения иода из природных рассолов, богатых I. В качестве окислителя в обоих случаях используют хлор, обладающий более сильными окислительными свойствами, а образующиеся Br2 и I2 удаляются из раствора потоком воздуха.
1.3 Химический свойства Mn
Марганец— элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, манганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO4 — калий марганец о четыре). Простое вещество марганец — металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.
История открытия. Один из основных минералов марганца — пиролюзит— был известен в древности как чёрная магнезия и использовался при варке стекла для его осветления. Его считали разновидностью магнитного железняка, а тот факт, что он не притягивается магнитом, Плиний Старший объяснил женским полом чёрной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1VIIVII4 году шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану, который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIX века для него было принято название «манганум» (от нем. Manganerz — марганцевая руда).
Распространённость в природе. Марганец — 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа — второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Массовая доля марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах, вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10−VII—10−6 %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO2·xH2O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железомарганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.
В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.
Минералы марганца
-
пиролюзит MnO2·xH2O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
-
манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
-
браунит 3Mn2O3·MnSiO3 (69,5 % марганца);
-
гаусманит (MnIIMn2III)O4;
-
родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO3 (4VII,8 % марганца);
-
псиломелан mMnO·MnO2·nH2O (45-60 % марганца);
-
пурпурит Mn3+[PO4], (36,65 % марганца).
Сплав 83 % Cu, 13 % Mn и 4 % Ni (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр.
1.4 Химический свойства Tc, Re
Технеций — элемент седьмой группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы седьмой группы), пятого периода периодической системы химических элементов, атомный номер — 43. Обозначается символом Tc (лат. Technetium). Простое вещество технеций — радиоактивный переходный металл серебристо-серого цвета. Самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов. Первый из синтезированных химических элементов. Только около 18 000 тонн естественно образовавшегося технеция могут быть найдены в любой момент времени в земной коре. Природный технеций является продуктом самопроизвольного деления урановой руды и ториевой руды или продуктом захвата нейтронов в молибденовых рудах. Наиболее распространенным природным изотопом является Tc-99. Весь остальной технеций на Земле произведен синтетически как продукт деления урана-235 и других делящихся ядер в ядерных реакторах всех типов (энергетических, военных, исследовательских, пропульсационных и т.п.) и в случае переработки отработанного ядерного топлива извлекается из ядерных топливных стержней. Либо, при отсутствии переработки, обеспечивает их остаточную радиоактивность 2 млн и более лет.
С 1860-х по 1871 год ранние формы периодической таблицы, предложенные Дмитрием Менделеевым, содержали разрыв между молибденом (элемент 42) и рутением (элемент 44). В 1871 году Менделеев предсказал, что этот недостающий элемент займет пустующее место под марганцем и будет иметь аналогичные химические свойства. Менделеев дал ему предварительное название ekamanganese (от eka-, санскритское слово для одного), потому что предсказанный элемент был на одно место ниже известного элемента марганец.
C развитием ядерной физики стало понятно, почему технеций никак не удаётся обнаружить в природе: в соответствии с правилом Маттауха-Щукарева этот элемент не имеет стабильных изотопов. Технеций был синтезирован из молибденовой мишени, облучённой на ускорителе-циклотроне ядрами дейтерия в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в США, а затем был обнаружен в Палермо в Италии: 13 июня 1937 года датируется заметка итальянских исследователей К. Перрье и Э. Сегре в журнале «Nature», в которой указано, что в этой мишени содержится элемент с атомным номером 43. Название «технеций» новому элементу было предложено первооткрывателями в 1947 году. До 1947 года помимо предложенного Д. И. Менделеевым названия «эка-марганец» (т.е., «подобный марганцу») применялось также название «мазурий» (лат. Masurium, обозначение - Ma).
В 1952 году Пол Меррилл открыл набор линий поглощения (403,1 нм, 423,8 нм, 426,2 нм, и 429,7 нм), соответствующий технецию (точнее, изотопу 98Tc), в спектрах некоторых звёзд S-типа, в частности, хи Лебедя, AA Лебедя, R Андромеды, R Гидры, омикроне Кита и особенно интенсивные линии — у звезды R Близнецов, это означало, что технеций присутствует в их атмосферах, и явилось доказательством происходящего в звёздах ядерного синтеза, ныне подобные звёзды называются технециевыми звёздами.
Происхождение названия
От др.-греч. τεχνητός — искусственный, отражая пионерское открытие элемента путём синтеза.
Нахождение в природе
На Земле встречается в следовых количествах в урановых рудах, 5⋅10−10 г на 1 кг урана. Методами спектроскопии выявлено содержание технеция в спектрах некоторых звёзд созвездий Андромеды и Кита (технециевые звезды).
Физические и химические свойства
Технеций — радиоактивный переходный металл серебристо-серого цвета с гексагональной решёткой (a = 2,737 Å, с = 4,391 Å). По химическим свойствам технеций близок к марганцу и рению, в соединениях проявляет степени окисления от −1 до +7. При взаимодействии с кислородом образует оксиды Tc2O7 и TcO2, с хлором и фтором — галогениды TcX6, TcX5, TcX4, с серой — сульфиды Tc2S7 и TcS2. Технеций входит в состав координационных и элементоорганических соединений. В ряду напряжений технеций стоит правее водорода, не реагирует с соляной, но легко растворяется в азотной и серной кислотах.
Применение
Широко используется в ядерной медицине для исследований мозга, сердца, щитовидной железы, лёгких, печени, жёлчного пузыря, почек, костей скелета, крови, а также для диагностики опухолей.
Пертехнетаты (соли технециевой кислоты HTcO4) обладают антикоррозионными свойствами, так как ион TcO4−, в отличие от ионов MnO4− и ReO4−, является самым эффективным ингибитором коррозии для железа и стали.
Биологическая роль
Не играет биологической роли.
С химической точки зрения технеций и его соединения малотоксичны. Опасность технеция вызывается его радиотоксичностью.
Технеций при введении в организм попадает почти во все органы, но в основном задерживается в желудке и щитовидной железе. Поражение органов вызывается его β-излучением с дозой до 0,1 Р/(ч·мг).
При работе с технецием используются вытяжные шкафы с защитой от его β-излучения или герметичные боксы.
Рений (лат. Rhenium) — химический элемент с атомным номером 75 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Re. При стандартных условиях представляет собой плотный серебристо-белый переходный металл.
Происхождение названия
Название элемента происходит от латинского Rhenus — наименование реки Рейн в Германии.
История
Существование рения было предсказано Д. И. Менделеевым («тримарганец») в 1871 году, по аналогии свойств элементов в группе периодической системы, однако «двимарганец» (английское «dvi-manganese») использовалось гораздо чаще.
Элемент открыли в 1925 году немецкие химики Ида и Вальтер Ноддак, исследуя минерал колумбит спектральным анализом в лаборатории компании Siemens & Halske. Об этом было доложено на собрании немецких химиков в Нюрнберге. В следующем году группа учёных выделила из молибденита первые 2 мг рения. Относительно чистый рений удалось получить только в 1928 году. Для получения 1 г рения требовалось переработать более 600 кг норвежского молибденита.
Первое промышленное производство рения было организовано в Германии в 1930-х годах. Мощность установки составляла 120 кг в год, что полностью удовлетворяло мировую потребность в этом металле. В 1943 году в США после переработки молибденовых концентратов были получены первые 4,5 кг рения.
Рений стал последним открытым элементом, у которого известен стабильный изотоп. Все элементы, которые были открыты позднее рения (в том числе и полученные искусственно), не имели стабильных изотопов.
Нахождение в природе
Мировая добыча рения
Мировая добыча рения в 2006 году составила около 40 тонн. Крупнейшим производителем является чилийская компания Molymet. Производство рения стабильно растёт и в 2008 году составило уже 57 тонн.
Сырьевые источники и запасы
По природным запасам рения на первом месте в мире стоит Чили, на втором месте — США, а на третьем — Россия. Крупными запасами рения обладает современный Казахстан (месторождение вблизи г. Жезказган), бывший основным источником добычи Re в СССР. Запасы рения в виде рениита на острове Итуруп оцениваются в 10—15 тонн, в виде вулканических газов — до 20 тонн в год. В России гидрогенные полиэлементные месторождения (месторождения зон пластового окисления) обладают наибольшим ресурсным потенциалом, превышая потенциал медно-молибденовых руд медно-порфировых месторождений (основной источник рения в мире). Суммарные прогнозные ресурсы рения по месторождениям этого типа на территории РФ оцениваются 2900 т, что составляет 76 % ресурсов Re страны. Большая часть (82 %) этих ресурсов находится в Подмосковной провинции, приуроченной к Подмосковному буроугольному бассейну, где наиболее изученным рениеносным объектом является Брикетно-Желтухинское месторождение в Рязанской области.
Общие мировые запасы рения (без учёта гидрогенных полиэлементных месторождений) составляют около 13 000 тонн, в том числе 3500 тонн в молибденовом сырье и 9500 тонн — в медном. При перспективном уровне потребления рения в количестве 40—50 тонн в год человечеству этого металла может хватить ещё на 250—300 лет. (Приведённое число носит оценочный характер без учёта степени повторного использования металла.) В практическом отношении важнейшими сырьевыми источниками получения первичного рения в промышленном масштабе остаются молибденовые и медные сульфидные концентраты. Содержание рения в них может доходить до 0,002—0,005 % по массе. В общем балансе производства рения в мире на них приходится более 80 %. Остальное в основном приходится на вторичное сырьё.
В последние четверть века внимание исследователей привлекает высокотемпературная редкометалльная парогазовая система вулкана Кудрявый на о. Итуруп Сахалинской области России — первое в мире открытое месторождение рения, представленное фумарольным полем с действующими источниками глубинных флюидов. Доказана возможность извлечения рения и других редких металлов из фумарольных газов вулкана; сделан обзор разработанных и запатентованных технологий извлечения ReS2 из высокотемпературных вулканических газов. Описан состав первого собственного минерала рения — рениита. Вынос металлов вулканическими газами может достигать 20-36 т/год. Сделан вывод о целесообразности извлечения рения, индия, германия и других металлов из этого единственного в мире месторождения, а фумарольные парогазовые выбросы вулкана можно рассматривать как новый тип уникального комплексного минерального сырья. Утверждается, что извлеченный рений может полностью удовлетворить потребности России и исключить зависимость её промышленности от импорта. Получать рений в промышленных масштабах планируется в 2020 году. Риски вложений в производство редкометалльного концентрата из газов экспертами считаются оправданными. Также источником рения является повторное его извлечение из лома материалов его содержащих.
Геохимия рения
Рений — один из редчайших элементов земной коры. Его содержание в земной коре оценивается в 7⋅10-8 по массе. По геохимическим свойствам он схож со своими гораздо более распространёнными соседями по периодической системе — молибденом и вольфрамом. Поэтому в виде малых примесей он входит в минералы этих элементов. Основным источником рения служат молибденовые руды некоторых месторождений, где его извлекают как попутный компонент.
Рений встречается в виде редкого минерала джезказганита (CuReS4), найденного вблизи казахстанского города Джезказган (каз. Жезқазған). Кроме того, в качестве примеси рений входит в колумбит, колчедан, а также в циркон и минералы редкоземельных элементов.
О чрезвычайной рассеянности рения говорит тот факт, что в мире известно только одно экономически выгодное месторождение рения. Оно находится в России: запасы в нём составляют около 10—15 тонн. Это месторождение было открыто в 1992 году на вулкане Кудрявый, остров Итуруп, Курильские острова. Рений находится здесь в форме минерала рениит ReS2, со структурой, аналогичной молибдениту. Месторождение в кальдере на вершине вулкана представлено фумарольным полем размерами
50×20 м с постоянно действующими источниками высокотемпературных глубинных флюидов — фумаролами. Это означает, что месторождение активно формируется по сегодняшний день: по разным оценкам, с газами в атмосферу уходит от 10 до 37 тонн рения в год.
Ещё один минерал, содержащий рений, — таркианит (Cu,Fe)(Re,Mo)4S8 (53,61 % Re) — был обнаружен в концентрате из месторождения Хитура в Финляндии.
Физические свойства
Рений — блестящий серебристо-белый металл. Порошок металла — чёрного или тёмно-серого цвета в зависимости от дисперсности. Это один из наиболее плотных и твёрдых металлов (плотность — 21,02 г/см³). Температура плавления — 3459 K (3186 °C). Кипит при 5869 K (5596 °C). Парамагнитен.
Кристаллическая решётка гексагональная (а = 0,2760 нм, с = 0,4458 нм) (а = 0,2761 нм, с = 0,4456 нм).
По ряду физических свойств рений приближается к тугоплавким металлам VI группы (молибден, вольфрам), а также к металлам платиновой группы. По температуре плавления рений занимает второе место среди металлов, уступая лишь вольфраму, а по плотности — четвёртое (после осмия, иридия и платины). По температуре кипения стоит на первом месте среди химических элементов (5869 К по сравнению с 5828 К у вольфрама). Чистый металл пластичен при комнатной температуре, но вследствие высокого модуля упругости после обработки твёрдость рения сильно возрастает из-за наклёпа. Для восстановления пластичности его отжигают в водороде, инертном газе или вакууме. Рений выдерживает многократные нагревы и охлаждения без потери прочности. Его прочность при температуре до 1200°C выше, чем вольфрама, и значительно превосходит прочность молибдена. Удельное электросопротивление рения в четыре раза больше, чем у вольфрама и молибдена.
Химические свойства
Компактный рений устойчив на воздухе при обычных температурах. При температурах выше 300 °C наблюдается окисление металла, интенсивно окисление идёт при температурах выше 600 °C. Рений более устойчив к окислению, чем вольфрам, не реагирует непосредственно с азотом и водородом; порошок рения лишь адсорбирует водород. При нагревании рений взаимодействует с фтором, хлором и бромом. Рений почти не растворим в соляной и плавиковой кислотах и лишь слабо реагирует с серной кислотой даже при нагревании, но легко растворяется в азотной кислоте. Со ртутью рений образует амальгаму.
Рений взаимодействует с водными растворами пероксида водорода с образованием рениевой кислоты. Рений — единственный из тугоплавких металлов не образует карбидов.
Стоимость
Из-за низкой доступности и высокого спроса рений является одним из самых дорогих металлов. Цена на него сильно зависит от чистоты металла, 1 кг рения стоит от 1000 до 10 000 долларов.
При плавке медных концентратов с газами уносится 56—60 % рения. Невозогнавшийся рений целиком переходит в штейн. При конвертировании последнего содержащийся в нём рений удаляется с газами. Если печные и конверторные газы используют для производства серной кислоты, то рений концентрируется в промывной циркуляционной серной кислоте электрофильтров в виде рениевой кислоты. Таким образом, промывная серная кислота служит основным источником получения рения при переработке медных концентратов.
Основные методы выделения из растворов и очистки рения — экстракционные и сорбционные.
После возгонки и очистки раствора итоговый выход из руды составляет 65—85 %. Ввиду столь низкой доли выделения дорогого металла ведутся поиски альтернативных способов извлечения из руды (что применимо ко всем рассеянным металлам). Одним из современных методов является извлечение нанофракций в водный, а не кислотный или щелочной раствор. Таким образом снижается предел обнаружения ряда химических элементов на 2—3 порядка, то есть можно фиксировать значительно меньшие концентрации.
1.5 Нахождения природы. Получение VII-й группы элементов
Получение
Рений получают при переработке сырья с очень низким содержанием целевого компонента (в основном это медное и молибденовое сульфидное сырьё).
Переработка сульфидного ренийсодержащего медного и молибденового сырья основана на пирометаллургических процессах (плавка, конвертирование, окислительный обжиг). В условиях высоких температур рений возгоняется в виде высшего оксида Re2O7, который затем задерживается в системах пылегазоулавливания.
В случае неполной возгонки рения при обжиге молибденитовых концентратов часть его остаётся в огарке и затем переходит в аммиачные или содовые растворы выщелачивания огарков (NH4ReO4), которые позже восстанавливают водородом:
2NH4ReO4 + 7H2 → 2NH3 + 2Re + 8H2O
Полученный порошок рения методами порошковой металлургии превращают в слитки металла.
Таким образом, источниками получения рения при переработке молибденитовых концентратов могут служить сернокислотные растворы мокрых систем пылеулавливания и маточные растворы после гидрометаллургической переработки огарков.
При плавке медных концентратов с газами уносится 56—60 % рения. Невозогнавшийся рений целиком переходит в штейн. При конвертировании последнего содержащийся в нём рений удаляется с газами. Если печные и конверторные газы используют для производства серной кислоты, то рений концентрируется в промывной циркуляционной серной кислоте электрофильтров в виде рениевой кислоты. Таким образом, промывная серная кислота служит основным источником получения рения при переработке медных концентратов.
Основные методы выделения из растворов и очистки рения — экстракционные и сорбционные.
После возгонки и очистки раствора итоговый выход из руды составляет 65—85 %. Ввиду столь низкой доли выделения дорогого металла ведутся поиски альтернативных способов извлечения из руды (что применимо ко всем рассеянным металлам). Одним из современных методов является извлечение нанофракций в водный, а не кислотный или щелочной раствор. Таким образом снижается предел обнаружения ряда химических элементов на 2—3 порядка, то есть можно фиксировать значительно меньшие концентрации.
Применение
Важнейшие свойства рения, определяющие его применение — это очень высокая температура плавления, устойчивость к химическим реагентам, каталитическая активность (в этом он близок к платиноидам). Тем не менее, рений является дорогим и редким металлом, поэтому его использование ограничено теми случаями, когда они дают исключительные преимущества перед использованием других металлов.
До открытия платинорениевых катализаторов риформинга основной областью применения рения были жаропрочные сплавы. Сплавы рения с молибденом, вольфрамом и другими металлами используются при создании деталей ракетной техники и сверхзвуковой авиации. Сплавы никеля и рения используются для изготовления камер сгорания, лопаток турбин и выхлопных сопел реактивных двигателей. Эти сплавы содержат до 6 % рения, что делает строительство реактивных двигателей крупнейшим потребителем рения. В частности, монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы, обладающие повышенной жаропрочностью, используются для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Рений имеет критическое военно-стратегическое значение ввиду его использования при изготовлении высокопроизводительных военных реактивных и ракетных двигателей.
Вольфрам-рениевые термопары позволяют измерять температуры до 2200 °C. Как легирующую присадку рений вводят в сплавы на основе никеля, хрома и титана. Промотирование рением платиновых металлов увеличивает износоустойчивость последних. Из подобных сплавов делают наконечники перьев автоматических ручек, фильеры для искусственного волокна. Также, рений используют в сплавах для изготовления деталей точных приборов, например, пружин. Рений применяют для изготовления нитей накала в масс-спектрометрах и ионных манометрах, и катодов. В этих случаях также используют вольфрам, покрытый рением. Рений химически стоек, поэтому его применяют для создания покрытий, предохраняющих металлы от действия кислот, щелочей, морской воды и сернистых соединений.
С момента открытия платинорениевых катализаторов риформинга (1968) рений начали активно использовать для промышленного производства таких катализаторов. Это позволило повысить эффективность производства высокооктановых компонентов бензина, используемых для получения товарного бензина, не требующего добавки тетраэтилсвинца. Использование рения в нефтепереработке во много раз повысило мировой спрос на него.
Кроме того, из рения делают самоочищающиеся электрические контакты. При замыкании и разрыве цепи всегда происходит электрический разряд, в результате чего металл контакта окисляется. Точно так же окисляется и рений, но его оксид Re2O7 летуч при относительно низких температурах (температура кипения — всего +362,4 °C), и при разрядах он испаряется с поверхности контакта, поэтому рениевые контакты служат очень долго.
Получение
Технеций получают из радиоактивных отходов химическим способом. В России первый технеций был получен в работах Анны Федоровны Кузиной совместно с работниками ПО «Маяк».
Кроме урана-235, технеций образуется при делении нуклидов 232Th, 233U, 238U, 239Pu. Суммарное накопление во всех действующих на Земле реакторах за год составляет более 10 тонн.
Получение
-
Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn2O3, образующийся при прокаливании пиролюзита:
4MnO2 ⟶ 2Mn2O3 + O2
Mn2O3 + 2Al ⟶ 2Mn + Al2O3
-
Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца коксом. Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (
80 % Mn).
Содержание
Введение…………………………………………………………………………...2
Глава 1. Общая характеристика VII-й группых элементов…………………….3
1.1 Общая характеристика элементы VII-й группы……………………….……3
1.2 Название химической элементы VII-й группы периодической системы…6
1.3 Химический свойства Mn……..……………………………………………...8
1.4 Химический свойства Tc, Re….………………………………………….…..9
1.5 Нахождения природы. Получение VII-й группы элементов………….…..16
Глава 2. "Элементы VII-й группы" в учебной деятельности студентов в рамках дисциплины "Химии"……………………...……………………………19
2.1 Методическая разработка лабораторного-практического занятие по химии VII-й группы элементов…………………………………………………………19
Заключение……………………………………………………………………….25
Список информационных источников…………………………………………26
Введение
Элементы, входящие в VII группу периодической системы, делятся на две подгруппы: главную — подгруппу галогенов — и побочную — подгруппу марганца. В эту же группу помещают и водород, хотя его атом имеет на внешнем, валентном, уровне единственный электрон и его следовало бы поместить в I группу. Однако водород имеет очень мало общего как с элементами основой подгруппы — щелочными металлами, так и с элементами побочной подгруппы — медью, серебром и золотом. В то же время он, как и галогены, присоединяя в реакциях с активными металлами электрон, образует гидриды, имеющие некоторое сходство с галогенидами.
Элементы группы VII имеют по VII валентных электронов. Все они являются серебристо-белыми тугоплавкими металлами. В ряду Mn -- Tc -- Re химическая активность понижается. Электропроводность рения приблизительно в 4 раза меньше, чем вольфрама. На воздухе компактный металлический марганец покрывается тончайшей пленкой окисла, которая предохраняет его от дальнейшего окисления даже при нагревании. Напротив, в мелко раздробленном состоянии он окисляется довольно легко.
На внешнем энергетическом уровне у галогенов VII электронов, являются сильными окислителями. При взаимодействии с металлами возникает ионная связь, и образуются соли. Галогены (кроме фтора) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами могут проявлять и восстановительные свойства вплоть до высшей степени окисления +VII.
Технеций и борий, являются радиоактивными с достаточно коротким периодом полураспада, ввиду чего в природе они не встречаются. Марганец принадлежит к распространенным элементам, составляя 0,03 % от общего числа атомов земной коры.
Что касается галогенов, они имеют высокую реакционную способность, поэтому встречаются в природе обычно в виде соединений. Их распространённость в земной коре уменьшается при увеличении атомного радиуса от фтора к иоду.
Глава 1. Общая характеристика VII-й группых элементов
1.1 Общая характеристика элементы VII-й группы
Пиролюзит (минерал марганца) был известен людям еще с древних времен, он использовался нашими предками для осветления стекла, получаемого варкой. До 1774 г. пиролюзит считали разновидностью магнитного железняка. И только в 1774 г. швед К. Шееле догадался, что в пиролюзите присутствует неизвестный тогдашней науке металл, после чего Ю. Ган получил металлический марганец, нагревая пиролюзит в печке с углем. Свое название "марганец" получил в начале 19 века (от немецкого Manganerz — марганцевая руда).
Марганец занимает 14-е место среди всех химических элементов по распространенности в земной коре. Больше всего марганца содержится в основных породах. Самостоятельные месторождения марганца крайне редки, чаще этот металл сопутствует железу во многих его рудах. Достаточно много марганца содержится в железо-марганцевых конкрециях, расположенных в донной части Мирового океана.
Минералы, богатые марганцем:
-
пиролюзит - MnO2·nH2O -
манганит - MnO(OH) -
марганцевый шпат - MnCO3 -
браунит - 3Mn2O3·MnSiO3
Марганец в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером "25", относится к переходным металлам (См. Атомы переходных элементов).
Рис. Строение атома марганца.
Электронная конфигурация атома марганца - 1s22s22p63s23p63d54s2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 5 электронов 3d-подуровня (всего 7 электронов), поэтому в соединениях марганец может принимать степени окисления от +7 до +1 (наиболее часто встречаются +7, +2). Марганец является химически активным металлом. Аналогично алюминию при комнатной температуре реагирует с кислордом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной защитной оксидной пленки, которая предотвращает дальнейшее окисление металла.
Физические свойства марганца:
-
металл серебристо-белого цвета; -
твердый; -
хрупкий при н. у.
Известны 4 модификации марганца: α-форма; β-форма; γ-форма; δ-форма.
До 710°C устойчивой является α-форма, которая при дальнейшем нагревании последовательно через все модификации переходит к δ-форме (1137°C).
Химические свойства марганца
-
марганец (порошок) легко реагирует с кислородом, образуя оксиды, вид которого зависит от температуры реакции:-
450°C - MnO2; -
600°C - Mn2O3; -
950°C - Mn3O4; -
1300°C - MnO.
-
-
мелкораздробленный марганец при нагревании реагирует с водой с выделением водорода:
Mn + 2H2O = Mn(OH)2 + H2; -
марганец (порошок) при нагревании вступает в реакцию с азотом, углеродом, серой, фосфором:
Mn + S = MnS; -
активно реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода:
Mn + 2HCl = MnCl2 + H2; -
реагирует с разбавленной азотной кислотой:
3Mn + 8HNO3 = 3Mn(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
Применение и получение марганца
Получение марганца:
-
чистый марганец получают электролизом водных растворов MnSO4 с добавкой (NH4)2SO4 при pH=8-8,5: анод - свинец; катод - нержавеющая сталь (чешуйки марганца снимают с катодов); -
менее чистый марганец получают из его оксидов металлотермическими методами:-
алюмотермия:
4Al + 3MnO2 = 3Mn + 2Al2O3; -
кремнийтермия:
Si + MnO2 = Mn + SiO2.
-
Применение марганца:
-
в металлургии марганец используют для связывания серы и кислорода:
Mn + S = MnS; 2Mn + O2 = 2MnO; -
в качестве лигирующей добавки при выплавке различных сплавов (марганец дает коррозоустойчивость, вязкость, твердость):-
манганин - сплав марганца с медью и никелем; -
ферромарганец - сплав марганца с железом; -
марганцевая бронза - сплав марганца с медью.
-
-
Калия перманганат издавная используют в качестве антисепитческого средства, которое действует только на поверхности кожи и слизистых оболочек.
Биологическая роль марганца:
Марганец входит в десятку "металлов жизни", необходимых для нормальной жизнедеятельности животных и растительных клеток.
В теле взрослого человека содержится порядка 12 мг марганца, который участвует в образовании белковых комплексов, а также входит в состав некоторых нуклеиновых кислот, аминокислот, ферментов (аргиназы и холинэстеразы).
Марганец наряду с магнием участвует в активации гидролиза АТФ, обеспечивая тем самым энергетическую жизнедеятельность живой клетки.
Ионы марганца участвуют в активации нуклеазы - данный фермент необходим для разложения нуклеиновых кислот до нуклеотидов.
Частные аналитические реакции ионов Mn2+
1.5.5. Окисление висмутатом натрия NaBiO3, протекает по уравнению:
2Mn(NO3)2 + 5NaBiO3 + 16HNO3 = 2HMnO4 + 5Bi(NO3)3 + 5NaNO3 + VIIH2O.
Реакция идет на холоду. Выполнение реакции: к 1-2 каплям раствора соли марганца прибавляют 3-4 капли 6 М раствора HNO3 и 5-6 капель H2O, после чего вносят лопаточкой немного порошка NaBiO3. перемешав содержимое пробирки, дают постоять 1-2 минуты, центрифугируют для отделения избытка висмутата натрия. В присутствии Mn2+ раствор становится фиолетовым в результате образования марганцевой кислоты, которая является одним из наиболее сильных окислителей.
1.5.6. Окисление двуокисью свинца PbО2 в азотнокислой среде при нагревании:
2Mn(NO3)2 + 5РbО2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2Н2О.
Выполнение реакции: Берут немного порошка PbO2 и помещают в пробирку, туда же добавляют 4-5 капель 6 M HNO3, нагревают при перемешивании. Появление фиолетовой окраски свидетельствует о наличии Mn2+.
1.5.VII. Важное значение в анализе имеют реакции Mn2+ c карбонатами щелочных металлов, гидрофосфатом натрия, реакции окисления персульфатом аммония, окисление бензидина соединениями Mn4+, восстановление AgCl до металлического серебра ионами Mn2+.
1.2 Название химической элементы VII-й группы периодической системы
В главную подгруппу VII группы входят элементы фтор, хлор, бром, йод, астат.
Галогены (от греч. льт -- соль и гЭнпт -- рождение, происхождение; иногда употребляется устаревшее название галоиды) -- химические элементы VII группы периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева
Реагируют почти со всеми простыми веществами, кроме некоторых неметаллов. Все галогены -- энергичные окислители, поэтому встречаются в природе только в виде соединений. С увеличением порядкового номера химическая активность галогенов уменьшается, химическая активность галогенид-ионов Mn Tc Re уменьшается.
Все галогены -- неметаллы. На внешнем энергетическом уровне VII электронов, являются сильными окислителями. При взаимодействии с металлами возникает ионная связь, и образуются соли. Галогены (кроме фтора) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами могут проявлять и восстановительные свойства вплоть до высшей степени окисления +VII.
Как уже было сказано выше, галогены имеют высокую реакционную способность, поэтому встречаются в природе обычно в виде соединений.
Их распространённость в земной коре уменьшается при увеличении атомного радиуса от фтора к иоду. Количество астата в земной коре измеряется граммами, а унунсептий в природе отсутствует. Фтор, хлор, бром и иод производятся в промышленных масштабах, причём объёмы производства хлора значительно выше, чем трёх других стабильных галогенов.
В природе эти элементы встречаются в основном в виде галогенидов (за исключением иода, который также встречается в виде иодата натрия или калия в месторождениях нитратов щелочных металлов). Поскольку многие хлориды, бромиды и иодиды растворимы в воде, то эти анионы присутствуют в океане и природных рассолах. Основным источником фтора является фторид кальция, который оченьмалорастворим и находится в осадочных породах (как флюорит CaF2).
Основным способом получения простых веществ является окисление галогенидов. Высокие положительные стандартные электродные потенциалы Eo(F2/F?) = +2,8VII В и Eo(Cl2/Cl?) = +1,36 В показывают, что окислить ионы F? и Cl? можно только сильными окислителями. В промышленности применяется только электролитическое окисление. При получении фтора нельзя использовать водный раствор, поскольку вода окисляется при значительно более низком потенциале (+1,32 В) и образующийся фтор стал бы быстро реагировать с водой. Впервые фтор был получен в 1886 г. французским химикомАнри Муассаном при электролизе раствора гидрофторида калия KHF2 в безводной плавиковой кислоте.
В промышленности хлор в основном получают электролизом водного раствора хлорида натрия в специальных электролизёрах. При этом протекают следующие реакции.
полуреакция на катоде.
Окисление воды на аноде подавляется использованием такого материала электрода, который имеет более высокое перенапряжение по отношению к O2, чем к Cl2 (таким материалом является, в частности, RuO2).
В современных электролизёрах катодное и анодное пространства разделены полимерной ионообменной мембраной. Мембрана позволяет катионам Na+ переходить из анодного пространства в катодное. Переход катионов поддерживает электронейтральность в обеих частях электролизёра, так как в течение электролиза отрицательные ионы удаляются от анода (превращение 2Cl? в Cl2) и накапливаются у катода (образование OH?). Перемещение OH? в противоположную сторону могло бы тоже поддерживать электронейтральность, но ион OH? реагировал бы с Cl2 и сводил на нет весь результат.
Бром получают химическим окислением бромид-иона, находящегося в морской воде. Подобный процесс используется и для получения иода из природных рассолов, богатых I. В качестве окислителя в обоих случаях используют хлор, обладающий более сильными окислительными свойствами, а образующиеся Br2 и I2 удаляются из раствора потоком воздуха.
1.3 Химический свойства Mn
Марганец— элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, манганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO4 — калий марганец о четыре). Простое вещество марганец — металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.
История открытия. Один из основных минералов марганца — пиролюзит— был известен в древности как чёрная магнезия и использовался при варке стекла для его осветления. Его считали разновидностью магнитного железняка, а тот факт, что он не притягивается магнитом, Плиний Старший объяснил женским полом чёрной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1VIIVII4 году шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану, который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIX века для него было принято название «манганум» (от нем. Manganerz — марганцевая руда).
Распространённость в природе. Марганец — 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа — второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Массовая доля марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах, вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10−VII—10−6 %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO2·xH2O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железомарганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.
В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.
Минералы марганца
-
пиролюзит MnO2·xH2O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца); -
манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца); -
браунит 3Mn2O3·MnSiO3 (69,5 % марганца); -
гаусманит (MnIIMn2III)O4; -
родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO3 (4VII,8 % марганца); -
псиломелан mMnO·MnO2·nH2O (45-60 % марганца); -
пурпурит Mn3+[PO4], (36,65 % марганца).
Сплав 83 % Cu, 13 % Mn и 4 % Ni (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр.
1.4 Химический свойства Tc, Re
Технеций — элемент седьмой группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы седьмой группы), пятого периода периодической системы химических элементов, атомный номер — 43. Обозначается символом Tc (лат. Technetium). Простое вещество технеций — радиоактивный переходный металл серебристо-серого цвета. Самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов. Первый из синтезированных химических элементов. Только около 18 000 тонн естественно образовавшегося технеция могут быть найдены в любой момент времени в земной коре. Природный технеций является продуктом самопроизвольного деления урановой руды и ториевой руды или продуктом захвата нейтронов в молибденовых рудах. Наиболее распространенным природным изотопом является Tc-99. Весь остальной технеций на Земле произведен синтетически как продукт деления урана-235 и других делящихся ядер в ядерных реакторах всех типов (энергетических, военных, исследовательских, пропульсационных и т.п.) и в случае переработки отработанного ядерного топлива извлекается из ядерных топливных стержней. Либо, при отсутствии переработки, обеспечивает их остаточную радиоактивность 2 млн и более лет.
С 1860-х по 1871 год ранние формы периодической таблицы, предложенные Дмитрием Менделеевым, содержали разрыв между молибденом (элемент 42) и рутением (элемент 44). В 1871 году Менделеев предсказал, что этот недостающий элемент займет пустующее место под марганцем и будет иметь аналогичные химические свойства. Менделеев дал ему предварительное название ekamanganese (от eka-, санскритское слово для одного), потому что предсказанный элемент был на одно место ниже известного элемента марганец.
C развитием ядерной физики стало понятно, почему технеций никак не удаётся обнаружить в природе: в соответствии с правилом Маттауха-Щукарева этот элемент не имеет стабильных изотопов. Технеций был синтезирован из молибденовой мишени, облучённой на ускорителе-циклотроне ядрами дейтерия в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в США, а затем был обнаружен в Палермо в Италии: 13 июня 1937 года датируется заметка итальянских исследователей К. Перрье и Э. Сегре в журнале «Nature», в которой указано, что в этой мишени содержится элемент с атомным номером 43. Название «технеций» новому элементу было предложено первооткрывателями в 1947 году. До 1947 года помимо предложенного Д. И. Менделеевым названия «эка-марганец» (т.е., «подобный марганцу») применялось также название «мазурий» (лат. Masurium, обозначение - Ma).
В 1952 году Пол Меррилл открыл набор линий поглощения (403,1 нм, 423,8 нм, 426,2 нм, и 429,7 нм), соответствующий технецию (точнее, изотопу 98Tc), в спектрах некоторых звёзд S-типа, в частности, хи Лебедя, AA Лебедя, R Андромеды, R Гидры, омикроне Кита и особенно интенсивные линии — у звезды R Близнецов, это означало, что технеций присутствует в их атмосферах, и явилось доказательством происходящего в звёздах ядерного синтеза, ныне подобные звёзды называются технециевыми звёздами.
Происхождение названия
От др.-греч. τεχνητός — искусственный, отражая пионерское открытие элемента путём синтеза.
Нахождение в природе
На Земле встречается в следовых количествах в урановых рудах, 5⋅10−10 г на 1 кг урана. Методами спектроскопии выявлено содержание технеция в спектрах некоторых звёзд созвездий Андромеды и Кита (технециевые звезды).
Физические и химические свойства
Технеций — радиоактивный переходный металл серебристо-серого цвета с гексагональной решёткой (a = 2,737 Å, с = 4,391 Å). По химическим свойствам технеций близок к марганцу и рению, в соединениях проявляет степени окисления от −1 до +7. При взаимодействии с кислородом образует оксиды Tc2O7 и TcO2, с хлором и фтором — галогениды TcX6, TcX5, TcX4, с серой — сульфиды Tc2S7 и TcS2. Технеций входит в состав координационных и элементоорганических соединений. В ряду напряжений технеций стоит правее водорода, не реагирует с соляной, но легко растворяется в азотной и серной кислотах.
Применение
Широко используется в ядерной медицине для исследований мозга, сердца, щитовидной железы, лёгких, печени, жёлчного пузыря, почек, костей скелета, крови, а также для диагностики опухолей.
Пертехнетаты (соли технециевой кислоты HTcO4) обладают антикоррозионными свойствами, так как ион TcO4−, в отличие от ионов MnO4− и ReO4−, является самым эффективным ингибитором коррозии для железа и стали.
Биологическая роль
Не играет биологической роли.
С химической точки зрения технеций и его соединения малотоксичны. Опасность технеция вызывается его радиотоксичностью.
Технеций при введении в организм попадает почти во все органы, но в основном задерживается в желудке и щитовидной железе. Поражение органов вызывается его β-излучением с дозой до 0,1 Р/(ч·мг).
При работе с технецием используются вытяжные шкафы с защитой от его β-излучения или герметичные боксы.
Рений (лат. Rhenium) — химический элемент с атомным номером 75 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Re. При стандартных условиях представляет собой плотный серебристо-белый переходный металл.
Происхождение названия
Название элемента происходит от латинского Rhenus — наименование реки Рейн в Германии.
История
Существование рения было предсказано Д. И. Менделеевым («тримарганец») в 1871 году, по аналогии свойств элементов в группе периодической системы, однако «двимарганец» (английское «dvi-manganese») использовалось гораздо чаще.
Элемент открыли в 1925 году немецкие химики Ида и Вальтер Ноддак, исследуя минерал колумбит спектральным анализом в лаборатории компании Siemens & Halske. Об этом было доложено на собрании немецких химиков в Нюрнберге. В следующем году группа учёных выделила из молибденита первые 2 мг рения. Относительно чистый рений удалось получить только в 1928 году. Для получения 1 г рения требовалось переработать более 600 кг норвежского молибденита.
Первое промышленное производство рения было организовано в Германии в 1930-х годах. Мощность установки составляла 120 кг в год, что полностью удовлетворяло мировую потребность в этом металле. В 1943 году в США после переработки молибденовых концентратов были получены первые 4,5 кг рения.
Рений стал последним открытым элементом, у которого известен стабильный изотоп. Все элементы, которые были открыты позднее рения (в том числе и полученные искусственно), не имели стабильных изотопов.
Нахождение в природе
Мировая добыча рения
Мировая добыча рения в 2006 году составила около 40 тонн. Крупнейшим производителем является чилийская компания Molymet. Производство рения стабильно растёт и в 2008 году составило уже 57 тонн.
Сырьевые источники и запасы
По природным запасам рения на первом месте в мире стоит Чили, на втором месте — США, а на третьем — Россия. Крупными запасами рения обладает современный Казахстан (месторождение вблизи г. Жезказган), бывший основным источником добычи Re в СССР. Запасы рения в виде рениита на острове Итуруп оцениваются в 10—15 тонн, в виде вулканических газов — до 20 тонн в год. В России гидрогенные полиэлементные месторождения (месторождения зон пластового окисления) обладают наибольшим ресурсным потенциалом, превышая потенциал медно-молибденовых руд медно-порфировых месторождений (основной источник рения в мире). Суммарные прогнозные ресурсы рения по месторождениям этого типа на территории РФ оцениваются 2900 т, что составляет 76 % ресурсов Re страны. Большая часть (82 %) этих ресурсов находится в Подмосковной провинции, приуроченной к Подмосковному буроугольному бассейну, где наиболее изученным рениеносным объектом является Брикетно-Желтухинское месторождение в Рязанской области.
Общие мировые запасы рения (без учёта гидрогенных полиэлементных месторождений) составляют около 13 000 тонн, в том числе 3500 тонн в молибденовом сырье и 9500 тонн — в медном. При перспективном уровне потребления рения в количестве 40—50 тонн в год человечеству этого металла может хватить ещё на 250—300 лет. (Приведённое число носит оценочный характер без учёта степени повторного использования металла.) В практическом отношении важнейшими сырьевыми источниками получения первичного рения в промышленном масштабе остаются молибденовые и медные сульфидные концентраты. Содержание рения в них может доходить до 0,002—0,005 % по массе. В общем балансе производства рения в мире на них приходится более 80 %. Остальное в основном приходится на вторичное сырьё.
В последние четверть века внимание исследователей привлекает высокотемпературная редкометалльная парогазовая система вулкана Кудрявый на о. Итуруп Сахалинской области России — первое в мире открытое месторождение рения, представленное фумарольным полем с действующими источниками глубинных флюидов. Доказана возможность извлечения рения и других редких металлов из фумарольных газов вулкана; сделан обзор разработанных и запатентованных технологий извлечения ReS2 из высокотемпературных вулканических газов. Описан состав первого собственного минерала рения — рениита. Вынос металлов вулканическими газами может достигать 20-36 т/год. Сделан вывод о целесообразности извлечения рения, индия, германия и других металлов из этого единственного в мире месторождения, а фумарольные парогазовые выбросы вулкана можно рассматривать как новый тип уникального комплексного минерального сырья. Утверждается, что извлеченный рений может полностью удовлетворить потребности России и исключить зависимость её промышленности от импорта. Получать рений в промышленных масштабах планируется в 2020 году. Риски вложений в производство редкометалльного концентрата из газов экспертами считаются оправданными. Также источником рения является повторное его извлечение из лома материалов его содержащих.
Геохимия рения
Рений — один из редчайших элементов земной коры. Его содержание в земной коре оценивается в 7⋅10-8 по массе. По геохимическим свойствам он схож со своими гораздо более распространёнными соседями по периодической системе — молибденом и вольфрамом. Поэтому в виде малых примесей он входит в минералы этих элементов. Основным источником рения служат молибденовые руды некоторых месторождений, где его извлекают как попутный компонент.
Рений встречается в виде редкого минерала джезказганита (CuReS4), найденного вблизи казахстанского города Джезказган (каз. Жезқазған). Кроме того, в качестве примеси рений входит в колумбит, колчедан, а также в циркон и минералы редкоземельных элементов.
О чрезвычайной рассеянности рения говорит тот факт, что в мире известно только одно экономически выгодное месторождение рения. Оно находится в России: запасы в нём составляют около 10—15 тонн. Это месторождение было открыто в 1992 году на вулкане Кудрявый, остров Итуруп, Курильские острова. Рений находится здесь в форме минерала рениит ReS2, со структурой, аналогичной молибдениту. Месторождение в кальдере на вершине вулкана представлено фумарольным полем размерами
Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn2O3, образующийся при прокаливании пиролюзита:
Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца коксом. Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (
Чистый металлический марганец получают электролизом.
Применение в промышленности
Применение в металлургии
Марганец в виде ферромарганца применяется для раскисления стали при её плавке, то есть для удаления из неё кислорода. Кроме того, он связывает серу, что также улучшает свойства сталей. Введение до 12—13 % Mn в сталь (так называемая сталь Гадфильда), иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твёрдой и сопротивляющейся износу и ударам (т. н. «наклёп»). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д. В «зеркальный чугун» вводится до 20 % Mn.
В 1920—1940-х годах применение марганца позволяло выплавлять броневую сталь. В начале 1950-х годов в журнале «Сталь» возникла дискуссия по вопросу о возможности снижения содержания марганца в чугуне, и тем самым отказа от поддержки определённого содержания марганца в процессе мартеновской плавки, в которой вместе с В. И. Явойским и В. И. Баптизманским принял участие Е. И. Зарвин, который на основе производственных экспериментов показал нецелесообразность существовавшей технологии. Позже он показал возможность ведения мартеновского процесса на маломарганцовистом чугуне. С пуском ЗСМК началась разработка передела низкомарганцовистых чугунов в конвертерах.
Глава 2. "Элементы VII-й группы" в учебной деятельности студентов в рамках дисциплины «Химии»
2.1 Методическая разработка лабораторного-практического занятие по химии VII-й группы элементов
Марганец - металл серого цвета, хорошо прокатывается и ковывается. Марганец легко окисляется на воздухе, образуя оксиды MnO и Mn2O3. Он также реагирует с кислородом, азотом и серой при высоких температурах.
Технеций - радиоактивный металл, который был открыт в 1937 году. Он имеет серебристо-белый цвет и хорошо проводит электричество. Технеций является очень реактивным элементом и быстро реагирует с кислородом, водой и щелочами.
Рений - серебристо-белый металл, который имеет высокую плотность и температуру плавления. Рений очень реактивен и может реагировать с кислородом, водой и щелочами.
Боhрий - синтетический элемент, который был открыт в 1976 году. Он имеет серебристо-белый цвет и очень короткое полувремя распада. Боhрий является очень реактивным элементом и может реагировать с кислородом, водой и щелочами.
Описание химических реакций, в которых участвуют элементы VII-й группы.
Марганец может реагировать с кислородом, образуя оксиды MnO и Mn2O3. Он также может реагировать с кислотами, образуя соли марганца. Кроме того, марганец может реагировать с щелочами, образуя гидроксид марганца.
Технеций может реагировать с кислородом, образуя оксид технеция. Он также может реагировать с кислотами, образуя соли технеция.
Рений может реагировать с кислородом, образуя оксид рения. Он также может реагировать с кислотами, образуя соли рения.
Боhрий является очень реактивным элементом и может реагировать с многими другими элементами и соединениями.
Соединения VII-й группы можно получить различными способами, включая реакцию элементов VII-й группы с другими элементами или соединениями, а также электролиз.
Марганец используется в производстве стали и других металлических сплавов. Технеций используется в медицинской диагностике и лечении рака. Рений используется в производстве катализаторов и других химических соединений. Боhрий используется в научных исследованиях и не имеет практического применения.
В ходе лабораторно-практического занятия были изучены свойства и реакции элементов VII-й группы, а также способы получения соединений этой группы. Были определены применение элементов VII-й группы в различных отраслях промышленности и медицине.
Замысел исследования– это основная идея, которая связывает воедино все структурные элементы методики, определяет порядок проведения исследования, его этапы. В замысле исследования выстраиваются в логический порядок: цель, задачи, гипотеза исследования; критерии, показатели развития конкретного явления соотносятся с конкретными методами исследования; определяется последовательность применения этих методов, порядок управления ходом эксперимента, порядок регистрации, накопления и обобщения экспериментального материала. Замысел исследования определяет и его этапы. Обычно исследование состоит их трех основных этапов.
Первый этап работы включает в себя: – выбор проблемы и темы; – определение объекта и предмета, целей и задач; – разработку гипотезы исследования.
Второй этапработы содержит: – выбор методов и разработку методики исследования; – проверку гипотезы; – непосредственно исследование; – формулирование предварительных выводов, их апробирование и уточнение; – обоснование заключительных выводов и практических рекомендаций.
Третий этап(заключительный) строится на основе внедрения полученных результатов в практику. Работа литературно оформляется. Логика каждого исследования специфична. Исследователь исходит из характера проблемы, целей и задач работы, конкретного материала, которым он располагает, уровня оснащенности исследования и своих возможностей. Чем характерен каждый этап работы?
Первый этапсостоит из выбора области сферы исследования, причем выбор обусловлен как объективными факторами (актуальностью, новизной, перспективностью и т. д.), так и субъективными – опытом исследователя, его научным и профессиональным интересом, способностями, складом ума и т.д.
Проблема исследованияпринимается как категория, означающая нечто неизвестное в науке, которое предстоит открыть, доказать.
Тема–в ней отражается проблема в ее характерных чертах. Удачная, четкая в смысловом отношении формулировка темы уточняет проблему, очерчивает рамки исследования, конкретизирует основной замысел, создавая тем самым предпосылки успеха работы в целом.
Объект–это совокупность связей, отношений и свойств, которая существует объективно в теории и практике и служит источником необходимой для исследователя информации.
Предмет исследованияболее конкретен и включает только те связи и отношения, которые подлежат непосредственному изучению в данной работе, устанавливают границы научного поиска. В каждом объекте можно выделить несколько предметов исследования. Из предмета исследования вытекают его цель и задачи. Цель формулируется кратко и предельно точно, в смысловом отношении выражая то основное, что намеревается сделать исследователь. Она конкретизируется и развивается в задачах исследования.
Первая задача, как правило, связана с выявлением, уточнением, углублением, методологическим обоснованием сущности, природы, структуры изучаемого объекта.
Вторая — с анализом реального состояния предмета исследования, динамики, внутренних противоречий развития.
Третья– со способностями преобразования, моделирования, опытно-экспериментальной проверки.
Четвертая – с выявлением путей и средств повышения эффективности совершенствования исследуемого явления, процесса, т. е. с практическими аспектами работы, с проблемой управления исследуемым объектом. Формулировка гипотезы Уяснение конкретных задач осуществляется в творческом поиске частных проблем и вопросов исследования, без решения которых невозможно реализовать замысел, решить главную проблему. В этих целях: изучается специальная литература, анализируются имеющиеся точки зрения позиции; выделяются те вопросы, которые можно решить с помощью уже имеющихся научных данных, и те, решения которых представляют прорыв в неизвестность, новый шаг в развитии науки и, следовательно, требуют принципиально новых подходов и знаний, предвосхищающих основные результаты исследования. Гипотезы бывают: – описательные (предполагается существование какого-либо явления); – объяснительные (вскрывающие причины его); – описательно-объяснительные.
К гипотезе предъявляются определенные требования: – она не должна включать в себя слишком много положений: как правило, одно основное, редко больше; – в ней не должны содержаться понятия и категории, не являющиеся однозначными, не уясненные самим исследователем; – при формулировке гипотезы следует избегать ценностных суждений, гипотеза должна соответствовать фактам, быть проверяемой и приложимой к широкому кругу явлений; – требуется безупречное стилистическое оформление, логическая простота, соблюдение преемственности. Гипотезы с различными уровнями обобщенности, в свою очередь, можно отнести к инструктивным или дедуктивным. Дедуктивная гипотеза, как правило, выводится из уже