Способы устранения жесткости

Первый и самый простой способ – термический. Необходимо лишь вскипятить воду, из-за чего нестойкие гидрокарбонаты магния и кальция начнут разлагаться. Этим вы устраните временную жесткость воды. Кроме того, результатом разложения солей будет являться накипь.

Также можно попробовать реагентное умягчение воды. В нее необходимо добавить кальцинированную соду или гашеную известь. При этом методе соли магния и кальция превращаются в нерастворимое соединение и выпадают в осадок. Оптимальным средством устранения жесткости считается ортофосфат натрия. Он входит в состав многих препаратов бытового и производственного значения.

Еще одним способом будет являться катионирование. В воду необходимо поместить ионообменную регулируемую загрузку. Чаще всего используют ионообменную смолу. При соприкосновении с водой она поглощает катионы солей. Забирая их у кальция, магния, железа и марганца, она отдает ионы натрия и водорода, а вода становится мягкой.

Можно использовать обратный осмос. Нужно пропустить воду через полупроницаемые мембраны. При этом из воды уберутся большинство солей, в том числе и те, что отвечают за жесткость. Эффективность такого метода иногда достигает почти 100%.

8. Бор, способы получения и свойства. Соединения с водородом, бориды – получение, свойства, применение.

Бор — элемент тринадцатой группы, второго периода периодической системы химических элементов с атомным номером 5. Обозначается символом B (лат. Borum).

В свободном состоянии бор — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество.

Получение:

· Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.

· Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):

· Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

Физические свойства.

Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду бора (боразону)). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).

У бора — самый высокий предел прочности на разрыв 5, 7 ГПа.

Химические свойства

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B₄C, B₁₂C₃, B₁₃C₂). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B₂O₃:

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой:

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B₂O₃.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты H₃BO₃.

Оксид бора B₂O₃ — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анионBO₃³⁻ ), а тетрабораты, например:

Бори́ ды — бинарные соединения бора с более электроположительными химическими элементами, в частности с металлами

Химические свойства:

· Бориды устойчивы к действию воды (кроме низших боридов Be и Mg), соляной, фтористоводородной и карбоновых кислот.

· Легко разлагаются окисляющими кислотами HNO₃ и H₂SO₄ при нагревании.

· Взаимодействует с расплавами щелочей, карбонатов и сульфатов щелочных металлов.

· При окислении на воздухе образуют оксиды металла и бора, причем на поверхности боридов формируются пленки пироборатов, обладающие защитными свойствами.

· Бориды Ti и Zr устойчивы к действию расплавов металлов.

Получение:

· Взаимодействие металла с бором при нагревании.

· Восстановление оксида металла смесью бора и углерода, карбидом бора или бором при 1500—2000°С в вакууме.

· Электролиз расплавов боратов и оксидов металлов.

· Взаимодействие металл- и борсодержащих соединений в условиях низкотемпературной плазмы.

· Монокристаллы боридов размером до 5 мм получают кристаллизацией из растворов бора и металлов в расплавах Al, Zn, крупные монокристаллы диаметром до 20 и длиной до 100 мм — методами зонной плавки или Вернейля.

· Покрытия из боридов на различных подложках получают методом осаждения из газовой фазы при взаимодействии галогенидов металлов и бора, плазменного напыления порошков и др.

Среди важнейших представителей боридов: диборид титана (применяется для изготовления испарителей для расплавов металлов и футеровки электролизеров, как компонент жаропрочных сплавов, инструментальных материалов, износостойких наплавочных покрытий (в основном в виде двойного борида (Ti, Cr)B₂)); диборид циркония (применяется для изготовления защитных чехлов и элементов термопар (в паре с графитом), как нейтронопоглощающий материал для ядерных реакторов и компонент жаропрочных сплавов); диборид хрома (компонент износостойких наплавочных покрытий); гексаборид лантана (применяется в качестве эмиттеров в электроннолучевых устройствах средней и высокой мощности); гексаборид кальция (применяется как абразив, нейтронопоглощающий материал).

9. Оксид бора, борные кислоты, соли – получение, свойства, применение.

Бора оксид B₂O₃ - в природе в свободном состоянии не встречается.

Физические свойства:

Стекловидная гигроскопичная масса, растворяется в воде с образованием борной кислоты H₃BO₃:

B₂O₃ + 3H₂O= 2H₃BO₃

Борная кислота H₃BO₃

Получение:

Встречается в природе, но может быть получена действием растворов кислот на тетраборат натрия:

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5H₂O = 4H₃BO₃ + 2NaCl

Физические свойства

Белый порошок, плохо растворяется в холодной воде, при нагревании растворимость повышается. При охлаждении кристаллизуется в виде без цветных чешуйчатых кристаллов, с характерным перламутровым блеском.

Химические свойства

Слабая кислота, она слабее угольной кислоты и сероводорода.

1. при нагревании теряет воду.

2H₃BO₃= B₂O₃ + 3H₂O

Борная кислота не образует солей, отвечающих её ортоформе. Все известные соли являются производными её конденсированных форм – тетра- или метаборной кислот.

2. при действии едкого натра образует тетроборат натрия:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇+ 7H₂O

Na₂B₄O₇ ∙ 10Н₂О - бура.

3. Качественная реакция

Этиловый спирт и концентрированная серная кислота при взаимодействии с сухой борной кислотой или сухими боратами образует борноэтиловый эфир, который при горении дает пламя с ярко-зеленой окраской

Бораты (оксобораты), соли борных кислот: метаборной НВО₂, ортоборной Н₃ВО₃ и не выделенных в свободном состоянии полиборных.

Бораты - бесцветные аморфные вещества или кристаллы. Для безводных боратов температуры плавления находятся в интервале от 500 до 2000 °С; наиболее высокоплавкие метабораты щелочных и орто- и метабораты щелочноземельных металлов. Большинство боратов при охлаждении их расплавов легко образует стекла.

Большинство солей – боратов – в воде нерастворимы, исключение составляют бораты s-элементов. Более других используется тетраборат натрия Na₂B₄O₇. В большинстве своем бораты полимерны, выделяются из растворов в виде кристаллогидратов. Полимерных борных кислот из раствора выделить не удается, в связи с тем, что они легко гидратируются. Поэтому при действии кислот на полибораты обычно выделяется борная кислота (эта реакция используется для получения кислоты):

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

Безводные метабораты получают сплавлением оксида бора или борной кислоты с оксидами металлов:

CaO + B₂O₃ = Ca(BO₂)₂

Бораты используют: для получения других соединений бора; как компоненты шихты при производстве стекол, глазурей, эмалей, керамики; для огнестойких покрытий и пропиток; как компоненты флюсов для рафинирования, сварки и пайки металле”; в качестве пигментов и наполнителей лакокрасочных материалов; как протравы при крашении, ингибиторы коррозии, компоненты электролитов, люминофоров и др. Наибольшее применение находят бура и кальция бораты.

10. Галогениды, нитрид бора – строение молекул, свойства, получение. Боразон.

Галогениды бора известны для всех галогенов. Молекулы галогенидов имеют форму плоского треугольника с атомом бора в центре (sp²-гибридное состояние). В обычных условиях фторид BF₃ – газ, BCl₃ и BBr₃ – жидкости, BI₃ – твердое вещество. Все они бесцветны. Могут быть получены из простых веществ при нагревании. Фторид в промышленности получают нагреванием оксида бора с фторидом кальция в присутствии концентрированной серной кислоты:

B₂O₃ + 3CaF₂ + 3H₂SO₄ = 2BF₃ + 3CaSO₄ + 3H₂O

Получение хлорида основано на хлорировании раскаленной смеси оксида бора и угля:

B₂O₃ + 3C + 3Cl₂ = 2BCl₃ + 3CO

Галогениды бора, особенно фторид, сильнейшие акцепторы электронов (кислоты Льюиса), легко реагируют с донорами электронной пары:

BF₃ + KF = KBF₄; BF₃ +: NH₃ = F₃B: NH₃

тетрафтороборат калия

Кислотная природа галогенидов проявляется при их гидролизе, который протекает необратимо. Вследствие этого BCl₃ и BBr₃ на влажном воздухе дымят, а взаимодействие иодида бора с водой идет со взрывом.

BCl₃ + 3H₂O = H₃BO₃ + 3HCl

Нитрид бора — бинарное соединение бора и азота. Химическая формула: BN. Кристаллический нитрид бора изоэлектронен углероду и, подобно ему, существует в нескольких полиморфных модификациях.

Известны следующие аллотропные модификации нитрида бора:

· гексагональная (α), (белый графит — белый, похожий на тальк порошок, имеет гексагональную, графитоподобную кристаллическую структуру, температура плавления 3000 °C, полупроводник, применяется в качестве твёрдой высокотемпера-турной смазки);

· кубическая (β) - типа сфалерита, подобная алмазу: эльбор (боразон, кубонит, кингсонгит, плотность боразона 3, 51 г/см³.);

· плотная гексагональная (w), типа вюрцита, подобная лонсдейлиту.

Нитрид бора также может существовать в виде разнообразных аморфных модификаций, а также нанотрубок.

1)α -BN, гексагональный; 2)α -BN, гексагональный; 3)β -BN, структура типа сфалерита; 4)w-BN, структура типа вюрцита.

Свойства:

- Теплопроводность: 30 Вт/(м*К). Хорошо диспергируется в расплавах и пастообразных композициях. Твёрдость по Моосу чуть меньше 10.

- Нитрид бора не окисляется кислородом до ~700 °C, разрушается в горячих растворах щелочей с выделением аммиака. Со фтороводородом образует NH₄[BF₄], со фтором — BF₃ и N₂.

Кубический нитрид бора он же CBN, эльбор, кубонит, боразон применяется как высококачественный абразивный материал, по многим параметрам превосходящий алмаз: например, он не растворяется в железе при нагревании, что позволяет использовать его для высокопродуктивной обработки стали. Продукция с покрытием из нитрида бора востребована для черновой и финишной обработки деталей в первую очередь в таких отраслях как тяжелое машиностроение, автомобилестроение, добывающая промышленность, строительство. Также может применяться в качестве наполнителя, улучшающего теплопроводность, способного работать без смазки, в электроизоляционных материалах, в частности, в изоляции электрических машин.

11. Алюминий – получение, свойства, применение. Оксид, гидроксид, алюминаты, галогениды, строение их молекул, получение и свойства.

Алюми́ ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов.

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

Получение.

Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

Химические свойства.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°), O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован в современной промышленности. Однако при разрушении оксидной плёнки, алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Применение:

· Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

· Алюминий и его сплавы не приобретают хрупкость при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

· Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью вакуумного напыления делает алюминий оптимальным материалом для изготовления зеркал.

· В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

· Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

· Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

· Как компонент термита, смесей для алюмотермии.

· В пиротехнике.

· Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Оксидалюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 ^оС) и нерастворимую в воде массу. Природный Al₂O₃ (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al₂O₃ (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Ввиду нерастворимости Al₂O₃ в воде, отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH)₃ может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH^— постепенно замещаются в аквакомплексах [Al(OH₂)₆]³⁺ молекулы воды:

[Al(OH₂)₆]³⁺ + OH^— = [Al(OH)(OH₂)₅]²⁺ + H₂O

[Al(OH)(OH₂)₅]²⁺ + OH^— = [Al(OH)₂(OH₂)₄]⁺ + H₂O

[Al(OH)₂(OH₂)₄]⁺ + OH^— = [Al(OH)₃(OH₂)₃]⁰ + H₂O

Al(OH)₃ представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH₄OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида — алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄]

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al₂O₃ с оксидами соответствующих металлов).

С кислотами Al(OH)₃ образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия из слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

Галогениды алюминия в обычных условиях — бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF₃ сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF₃ основан на действии безводного HF на Al₂O₃ или Al:

Al₂O₃ + 6HF = 2AlF₃ + 3H₂O