Молибден

Молибден

Химический элемент № 42, Мо

ЗАДАНИЕ.

4.Электронное строение атома.

4.1. Составьте электронную формулу данного элемента.

4.2.    Дайте объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента в системе Д.И. Менделеева (порядковый номер, номер периода, номер группы, принадлежность к группе «А» или «Б»). Определите возможность «Эффекта провала электрона».

4.3. Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома химического элемента, определите принадлежность химического элемента к типу s-, p-, d-, f-элементов.

4.4. Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов.

4.5. Определите принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам, спрогнозируйте величины степени окисления.

4.6. Распределите валентные электроны атома химического элемента по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда.

4.7. Прогнозируйте тип гибридизация валентных атомных орбиталей при образовании бинарных соединений (фторидов, хлоридов и др.).

5. Соединение данного химического элемента с неметаллами.

5.1. С водородом.

5.2. С галогенами.

5.3. С серой.

5.4. С азотом.

5.5. С углеродом.

5.6. С кислородом.

6. Оксиды и гидроксиды данного химического элемента.

6.1. Запишите ряд оксидов данного химического элемента (прогноз по электронной формуле и ковалентности).

6.2. Прогнозируйте характер оксидов (основной, кислотный, амфотерный) по величине Э.О. и правилу химических свойств ряда оксидов.

6.3. Запишите соответствующие гидроксиды (основания и кислоты). Определите принадлежность к сильным или слабым электролитам.

6.4. Составьте уравнения реакций, подтверждающих характер гидроксидов о молекулярном и ионном виде.

6.5. Напишите уравнения реакций электролитической диссоциации гидроксидов.

7.       Может ли данный химический элемент образовывать комплексные соединения? Если да, то, какие (кислоты, основания, соли)? Приведите примеры.

8.       Напишите уравнения реакций гидролиза соли  по 1-ой стадии в молекулярном и ионном виде с учетом всех равновесий. Рассчитайте рН среды при гидролизе этой соли (0,01 моль/л). Как усилить гидролиз?

9.       Окислительно-восстановительные реакции.

9.1. Дайте оценку восстановительных свойств Мо и окислительно-восстановительных свойств его ионов в зависимости от его рН среды (используйте справочные характеристики).

9.2. Составьте уравнения 3-х окислительно-восстановительных реакций ( с использованием вещества содержащего ионы данного металла) при рН>7, рН=7, рН<7.

Предварительно рассчитайте Е0 химической реакции, используя метод электронно-ионного баланса.

10. Электрохимические свойства металла.

10.1. прогнозируйте отношение данного металла в компактном виде к атмосфере сухого воздуха (при комнатной температуре и нагревании), к влаге (без аэрации и при аэрации), к неокислительным и окислительным кислотам (на холоду и при нагревании), к растворам и расплавам щелочей.

10.2. Опишите процесс измерения стандартного электродного потенциала данного металла Cu и дайте термодинамический расчет этой величины.

10.3. Составьте и опишите схему гальванического элемента из металлического электрода данного металла и электродной системы С,  

10.4. Опишите процесс электрохимической коррозии при контакте металла и изделия из Mg во влажной среде (Без аэрации и при аэрации). PH=10

10.5.  Опишите процесс электролиза с учетом перенапряжения.
Электролит – раствор   PH= 4, 5

Электроды: катод – Сu,

   анод – Zn.

11. Применение.

РЕШЕНИЕ

4.Электронное строение атома.

4.1. Составьте электронную формулу данного элемента.

Порядковый номер элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева равен 42. Это значит, в молекуле молибдена будет 42 электрона.

Электронная формула молибдена будет такова:

Составим также его электронно – графическую формулу:

На рисунке выше приведена электронно – графическая формула молибдена.

4.2.    Дайте объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента в системе Д.И. Менделеева (порядковый номер, номер периода, номер группы, принадлежность к группе «А» или «Б»). Определите возможность «Эффекта провала электрона».

Порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов – 42. у молибдена на электронных уровнях находится 42 электрона, а в ядре должно находится также 42 протона.

Молибден расположен в периодической системе химических элементов в пятом периоде, это значит, что у него будет пять электронных слоев с расположенными на них электронами. Главное квантовое число внешнего электронного уровня равно 5.

Молибден расположен в шестой группе, побочной подгруппе. Молибден относят к элементам подгруппы хрома , в которую входят хром, молибден и вольфрам, которые обладают похожими свойствами. У него будет на электронных уровнях один s-электрон и 5 d-электронов на пред внешнем уровне.

В состав ядра атома изотопа молибдена-96 входят 42 протона (p) и 54 нейтрона (n): , где массовое число и порядковый номер элемента (число протонов) обозначают числовыми индексами слева от символа химического элемента; верхний индекс означает массовое число, нижний – заряд ядра. Количество нейтронов ядра элементов определяют по массовому числу элемента за вычетом количества протонов.

Таким образом, в состав атома молибдена входят ядро, состоящее из 42 протонов, 54 нейтронов и электронное облако, представленное 42 электронами.

Вследствие устойчивости d5-конфигурации энергетически оказывается более выгодным переход одного из ns-электронов в (n-1) d-состояние. Поэтому молибден, как и хром в s-состоянии внешнего уровня имеют по одному, а в предпоследнем слое по 13 электронов. Таким образом, имеет место «проскок» электрона:

Проскок электрона можно объяснить с точки зрения квантово-механических представлений повышенной энергетической стабильностью конфигурации: 4d5.

4.3. Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома химического элемента, определите принадлежность химического элемента к типу s-, p-, d-, f-элементов.

Покажем расположение валентных электронов в атоме молибдена. Как видно из электронной формулы моилбден относится к d-элементам, поскольку у него заполняется 4d-подуровень.

На приведенном рисунке эллипсом выделено расположение валентных электронов в атоме молибдена. Как видно в создании химической связи будут брать участие электроны как 5s- так и 4d-подуровня.

4.4. Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов.

У атома молибдена будет разное количество валентных электронов приразных степе5нях окисления, до шести включительно. Запишем наборы квантовых чисел для этих электронов.

Сначала рассмотрим электроны на 5s-подуровне. Главное квантовое число равно 5 и химический элемент находится в 5 периоде периодической системы химических элементов. Поскольку в молибдена валентный электрон расположен на s-подуровне то его орбитальное квантовое число имеет значение равное 0. Поскольку электрон будет только один, то его спин будет иметь значение ms = +1/2. Поскольку ml = 0 то у элемента не будет других подуровней кроме s-подуровня.

Набор квантовых чисел будут иметь вид:

n = 5; l = 0; ml = 0; ms = +1/2.

Рассмотрим электроны на 4d-подуровне. Их количество равно 5. главное квантовое число п равно 4, . Орбитальное квантовое число равно  и орбитальное квантовое число может принимать значения равные 0, 1, 2, 3. магнитное квантовое число может принимать значения в пределах от +l до -l. Поскольку  то ml = -2, -1, 0, +1, +2. Согласно правила Хунда суммарный спин должен быть максимальным, поэтому мы можем считать, что спин электронов будет равен +1/2.

Запишем наборы квантовых чисел для электронов.

n = 5; l = 2; ml = -2 ; ms = +1/2.

n = 5; l = 2; ml = -1 ; ms = +1/2.

n = 5; l = 2; ml = 0 ; ms = +1/2.

n = 5; l = 2; ml = +1 ; ms = +1/2.

n = 5; l = 2; ml = +2 ; ms = +1/2.

4.5. Определите принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам, спрогнозируйте величины степени окисления.

Поскольку молибден расположен в шестой группе периодической системы, и не в главной подгруппе, а в побочной, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. Для металлов более приемлема отдача электронов. Поэтому молибден может отдавать максимум шесть электронов с - подуровня и с 4d-подуровня. Поэтому молибден будет проявлять степень окисления +2, +3, +4, +5, +6. соединения с этими степенями окисления обладают разной стойкостью, наиболее стойкими будут соединения с степенью окисления равной +6.

4.6. Распределите валентные электроны атома химического элемента по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда.

В соответствии с принципом наименьшей энергии валентный электрон атома молибдена расположен на 5s-подуровне, поскольку он располагает меньшей энергией чем любой другой подуровень. Правило Хунда гласит, что устойчивому состоянию атома отвечает такое расположение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Поэтому электроны на 4d-подуровне расположатся таким образом как на приведенном рисунке:

4.7. Прогнозируйте тип гибридизация валентных атомных орбиталей при образовании бинарных соединений (фторидов, хлоридов и др.).

Рассмотрим получение :

Ион молибдена (VI) имеет на 4d-уровне 0 электронов, а также свободные 4s и 4p-орбитали. Образование связи можно рассматривать как донорно-акцепторный процесс (ион молибдена – акцептор, гидрид-, фторид- и хлорид-ионы – доноры). В бинарных соединениях образуется 6 связей Мо-Э, для каждой из них атом молибдена предоставляет одну свободную орбиталь. Тип гибридизации sd5 (форма октаэдрическая). Следует отметить, что для молибдена характерны разные соединения с галогеними, поэтому и гибридизация в этих соединениях будет разной. Например в трифториде MоF3 для создания химической святи использовано только три электрона: sd2 (форма тетраэдрическая).

5. Соединение данного химического элемента с неметаллами.

Рассмотрим реакции взаимодействия молибдена с неметаллами. Молибден довольно активно реагирует с неметаллами (кремнием, бором, галогенами, серой и т. п.), учитывая то что молибден имеет несколько степеней окисления то получается в таких реакциях несколько продуктов.

5.1. С водородом.

Молибден не реагирует с водородом с получением химических соединений. Имеет место только физическое растворение водорода в молибдене с образованием нестойких связей. Растворимость водорода в молибдене растет с повышением температуры до 0,5 см3 в 100 граммах металла.

5.2. С галогенами.

С молибденом фтор образует летучие фториды. Хлор и бром ре6агируют с ним при температуре красного каления. Йод реагирует с молибденом очень медленно. В присутствии влаги реакция с галогенами ускоряется и она становится возможной даже на холоду.

Молибден образует гексафторид MoF6, пентафторид MoF5, тетрафторид MOF4 и трифторид MоF3; гексахлорид МоС16, пентахлорид МоС15, тетрахлорид МоС13, трихлорид МоС13 и комплексный псевдодихлорид [Мо6(С1)8]С14; тетрабромид МоВг4, трибромид МоВг3 и комплексный псевдодибромид [Мо6Вг8]Вг4. С иодом достоверно известно лишь два соедине­ния – дииодид МоІ2 и трииодид МоІ3. Помимо этих соединений, из­вестен ряд оксигалогенидов и несколько менее достоверных соеди­нений.

Фториды.

 Гексафторид получается действием сухого фтора в сме­си с азотом на металл (в платиновой трубке), трифторида брома на металл при 250°, безводного HF на MoCl5:

2МоС15 + 12HF = 2MoF6 + 10НС1 + Н2

                                            (50)

Гексафторид конденсируется при -70°С в виде белых кристаллов и отгоняется под вакуумом при 40°. Плавится при 17,5°С и кипит при 35°С. Молекула имеет октаэдрическую структуру с атомом металла в центре октаэдра и атомами фтора в вершинах его. Устойчив в сухом воздухе, хлоре, двуокиси серы. Гидролизуется:

MoF6 + 4Н2О = Н2МоО4 + 6HF                    (51)

Образует с фторидами щелочных металлов комплексные соли типа Me2(MоF8).

Трифторид молибдена получается нагреванием МоВг3 в токе без­водного HF. При нормальных условиях твердый. При нагревании во влажном воздухе диссоциирует:

4MoF3 + 6Н2О + 3O2 = 4МоО3 + 12HF             (52)

В сухом воздухе устойчив до 800°. При действии водорода восста­навливается до металла. Водой на холоду медленно разлагается.

У молибдена (VI) выделены два оксифторида - MoOF4 и MоO2F2. Это твердые, белые, тяжелые кристаллические вещества, получающиеся фторированием молибдена в присутствии кис­лорода или обменными реакциями МоО3 с фторидами.

Хлориды

 MoCl6 термически очень неустойчив и чувствителен к малейшим следам влаги. Получен недавно длительным кипячением тионилхлорида с МоО3. МоС15 получается хлорированием молибдена в отсутствие воды и воздуха при 600 – 750°С. Кристаллизуется в виде темно-зеленых тригональных бипирамид. Темпеартура плавления 194°С, температура кипения 238°С. Плотность МоС15 2,9275. Он растворяется в безводном эфире,спиртах, углеводородах, кетонах, альдегидах, сероуглероде, аминах с образованием комплексов. При нагревании в отсутствии кислорода разлагается:      

МоС15 = МоС13 + С12

Водород при 900°С восстанавливает его до металла:

2МоС15 + 5Н2 → 10НС1 + 2Мо                   

Восстанавливать можно над накаленной металлической нитью в токе его пара в смеси с водородом. В этом случае на нити осаж­дается плотный слой молибдена, но при 250° образуется трихлорид:

МоС15 + Н2 → МоСІ3 + 2НС1

При нагревании МоС15 в сухом воздухе образуется оксихлорид МоО2С12. При нагревании во влажном воздухе МоС15 полностью раз­лагается, образуя окси- и гидроксихлориды. В воде полностью гидролизируется с большим выделением тепла.

Тетрахлорид молибдена получается хлорированием МоО3 смесью СІ2 и ССІ4. При нагревании без доступа влаги и кислорода МоСІ4 диспропорционирует на MoCl 5 и MoCl3. При нагревании в присутствии влаги и кисло­рода образуются оксихлориды и гидроксихлориды. С рядом веществ, в том числе органических, тетрахлорид образует продукты присоеди­нения.

Трихлорид МоС13 получается в виде твердого красного вещества частичным восстановлением MoCl5 водородом при 250°, а также про­пусканием смеси паров МоС15 с инертным газом над молибденом.

Трихлорид разлагается, не плавясь. Сублимирует в токе инертного газа. Устойчив в сухом воздухе при нормальной температуре, а при нагревании переходит в оксихлориды. При

нагревании в инертном газе разлагается на МоСІ4 и комплексные нелетучие хлориды. Водой и водными растворами щелочей разлагается соответственно при нагревании и на холоду. С аммиаком образует комплексы. Окислителями окисляется до Н2МоО4. В соляной кислоте не растворяется. Растворяется в солянокислых растворах МоО3, образуя комплексы.

Бромиды.

Все бромиды получаются действием Вг2 на Мо в среде СО. Так, черно-зеленые иглы тетрабромида получаются около 600°С при атмосферном давлении, тетрабромид – преимущественно при 350 – 500°С. При более низком давлении или несколько более высокой темпе­ратуре получается смесь бромидов, в том числе комплексных. Известны также красно-оранжевые кристаллы диоксибромида МоО2Вг2 и желтые игольчатые кристаллы бромомолибденовой кислоты H3(MoO3Br3).

Йодиды.

 Достоверно известен лишь диодид молибдена Mol2. Получается он взаимодействием паров йода с металлом выше 1000°С:

5.3. С серой.

Сера не реагирует с молибденом до температуры 400 - 450°С, при более высокой температуре образуется дисульфид молибдена MoS2:

Сероводород реагирует с молибденом при высокой температуре, образуя MoS2. В парах хлоридов серы образуются сульфохлориды молибдена.

Непрямыми методами были получены сульфиды молибдена MoS3, Mo2S5, Mo2S3. Первые два диссоциируют при температурах выше 400°С.

Помимо этих простых сульфидов известны также и полисульфид Mo(S2)2, тиомолибдаты Ме2MoS4. Высший сульфид MoS3 образуется при пропускании сероводорода через растворы молибдатов щелочных металлов:

Дисульфид молибдена  – важнейший минерал молибдена. Он образуется в земной коре в высотемпературных условиях. Имеет сложную слоистую гексагональную кристаллическую решетку. Пары воды окисляют  при красном калении. Кислоты-окислители разлагают , переводя его в , неокисляющие кислоты не действуют на него. Сульфиды щелочных металлов и щелочи разлагают  при сплавлении.

5.4. С азотом.

С азотом молибден не реагирует, азот незначительно растворяется в молибдене. Нитриды молибдена добыты другим путем.

Страницы: 1, 2