Свойства p-элементов. 
Химия

После усвоения материала главы 9 студент должен:

знать

• • электронное строение /7-металлов и их положение в периодической таблице химических элементов;
• • физические и химические свойства р-металлов;
• • особенности атомного строения кристаллов полупроводников;
• • понятия собственной и примесной проводимости (р— и «-типа) полупроводников;
• • применение /7-металлов в технике;

уметь

• • давать оценку физико-химическим свойствам /^-металлов в зависимости от положения в периодической таблице химических элементов;
• • составлять схемы получения /7-металлов из руд;
• • объяснять собственную и примесную проводимость (р- и «-типа) полупроводников на основе атомного строения;

владеть

• • знаниями о методах получения /7-мсталлов из руд и получения сверхчистых кремния и германия;
• • навыками составления уравнений химических реакций взаимодействия /7-металлов с водородом, кислородом, азотом, серой, галогенами, водой, растворами кислот, щелочей и солей.

Расположение р-элементов в периодической таблице

Курс химии технического университета нацелен на рассмотрение конструкционных материалов. Поэтому из рассмотрения исключены типичные неметаллы, за исключением органических соединений углерода — основы полимерных конструкционных материалов.

Похоже, однако, что этот удивительный элемент еще не раскрыл всех своих возможностей. В последнее время химия углерода обогатилась совершенно новыми химическими структурами, нашедшими широкое и важное применение, — фуллерены, графены и углеродные нанотрубки. Все они были сначала предсказаны теоретически, а затем синтезированы в лабораториях. Так, группа китайских теоретиков предсказала существование новой, металлической формы углерода, которая может быть получена химически из полиацетиленов и бензола. Эта форма должна содержать шестичленные циклы из атомов углерода, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Предполагается, что такой металлический углерод будет стабилен при стандартных условиях (источник: Zhang S. et al.

Stable three-dimensional metallic carbon with interlocking hexagons // PNAS. 2013. № 11).

Глава, посвященная p-элементам, содержит материал о металлах и полупроводниках. Последний блок длинного варианта периодической таблицы Менделеева (р-элементы) включает элементы 13—18-й групп 2—7-го периодов. Для удобства изучения эти элементы делятся на три группы — ранние р-элементы, поздние р-элементы и благородные газы.

Ранние р-элементы 13—15-й групп заполняют внешние р-орбитали электронами так, что каждый последующий элемент имеет на один неспаренный электрон больше, чем предыдущий. Поздние р-элементы 16—17-й групп при добавлении очередного электрона на внешнюю р-орбиталь уменьшают количество несиаренных электронов. Благородные газы 18-й группы, завершая формирование р-оболочки, не имеют неспаренных электронов.

Блок p-элементов в периодической таблице полностью завершен. В 7-м периоде открыты все элементы: № 113 (унунтрий) Uut; № 114 (флеровий) Fl; № 115 (унунпентий) Uup (ланжевений); № 116 (ливерморий) Lv; № 117 (унунсептий) Uus; № 118 (унуноктий) Uuo (с предположительным названием «Московий»). Все они представлены только короткоживущими изотопами. В группах поздних p-элементов и инертных газов нет металлов, являющихся конструкционными материалами, поэтому они не рассматриваются в нашем курсе.

В этом утверждении важны оба признака — и «мсталличность», и «использование в качестве конструкционного материала». Химическая характеристика металличности, основанная на способности элемента быть восстановителем и образовывать отдельные катионы, оказалась парадоксальной, когда появились соединения инертных газов. Так, с химической точки зрения инертный газ ксенон может вести себя подобно щелочным металлам и таллию, поскольку он образует химические соединения со степенью окисления +1! Сегодня уже известны химические соединения благородных газов с ионной связью. Их удалось получить еще в 1961 г. канадскому химику Нилу Бартлетту (1932—2008), используя для отрыва электронов от их атомов гексафторид платины PtF₆, являющийся даже более сильным окислителем, чем фтор. Уравнение реакции взаимодействия ксенона с гексафторидом платины можно представить так:

Гексафторплатинат ксенона — твердое оранжевое вещество с ионной кристаллической решеткой (источник: http://bobych.ru/lection/himiya/uch_chem_ neorganl0. html).

Имеет практическое применение и металлический полоний. Полоний-210 испускает альфа-лучи с энергией 5,3 МэВ, которые в твердом веществе тормозятся, проходя всего тысячные доли миллиметра и отдавая при этом свою энергию. Время его жизни позволяет использовать полоний как источник энергии в атомных батареях космических кораблей: для получения мощности 1 кВт достаточно всего 7,5 г полония. В этом отношении он превосходит другие компактные «атомные» источники энергии. Такой источник энергии работал, например, па «Луноходе-2», обогревая аппаратуру во время долгой лунной ночи. Конечно, мощность полонисвых источников энергии со временем убывает — вдвое каждые 4,5 месяца, однако более долгоживущие изотопы полония слишком дороги. Полоний удобно применять и для исследования воздействия альфаизлучения на различные вещества. Как альфа-излучатель полоний в смеси с бериллием применяют для изготовления компактных источников нейтронов. При этом протекают две ядерные реакции. В первой полоний превращается в свинец, испуская а-частицу (ядро атома гелия):

а во второй бериллий, бомбардируемый а-частицами, возникающими при распаде полония, превращается в углерод и порождает поток нейтронов: