Шпоры (1106648), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В водных растворах ион Be2+ существует в виде аквакомплекса [Ве(Н20)4]2+. С разбавленной азотной кислотой Be реагирует только при нагревании, а в концентрированной азотной и серной кислотах пассивируется. С разбавленными растворами щелочей при нагревании бериллий образует гидроксобериллаты: Be + 2NaOH + 2H20 = Na2[Be(OH)4] + Н2.
Со многими металлами бериллий при сплавлении образует интерметаллические соединения - бериллиды. Соединения d-металлов МеВе12 (Me = Ti, Nb, Та, Mo); MeBe11 (Me = Nb, Та) имеют очень высокие температуры плавления и обладают повышенной жаростойкостью. Металлический бериллий получают восстановлением его фторидов магнием: BeF2 + Mg = MgF2 + Be (порошок), либо электролизом расплава
ВеСl2: ВеСl2 = Сl2 + Be.
Бериллий применяют в атомной технике (отражатели, замедлители и источники нейтронов), в авиации и ракетной технике. Широко известны его сплавы - бериллиевые бронзы (до 2,5 мас% Be), которые обладают уникальной упругостью и поэтому используются при изготовления практически «вечных» пружин. Широкому использованию бериллия мешает высокая стоимость и токсичность его соединений. Гидрид ВеН2 можно получить только косвенным путем, например, при взаимодействии хлорида бериллия и гидрида лития в эфирном растворе: ВеСl2 + 2LiH = ВеН2 + 2LiCl или при разложении бериллоорганических соединений. Гидрид представляет собой полимер состава (ВеН2)n так же, как и гидрид алюминия. Гидрид бериллия является сильным восстановителем. Он разлагается водой с выделением водорода: ВеН2 + Н20 = Be(OH)2 + Н2.
Оксид ВеО белое твёрдое тугоплавкое вещество (Тпл = 2470°С). Его можно получить не только прямым взаимодействием бериллия с кислородом, но и термическим разложением гидроксида, сульфата, нитрата или основного карбоната бериллия:
Ве(ОН)2 = ВеО + Н20
BeS04 = 2ВеО + 2S02 + 02
2Be(N03)2 = 2ВеО + 4N02 + 02
(ВеОН)2С03 = 2ВеО + Н20 + СО2.
По своим свойствам предварительно прокаленный ВеО сходен с оксидом алюминия (проявление диагонального сходства в периодической системе). Так же, как Аl203 он химически инертен, хотя обладает более высокой энергией Гиббса образования. Из-за инертности он реагирует только с расплавами щелочей, гидросульфатов щелочных металлов, с кислотными и основными оксидами:
ВеО + 2КОН = К2Ве02 + Н20
ВеО + 2KHS04 = BeS04 + K2S04 + H20
ВеО + Si02 = BeSi03
ВеО + MgO = MgBe02.
Низкотемпературная модификация ВеО (не прошедшая термообработку) при нагревании реагирует с растворами кислот и щелочей:
ВеО + 2НСl = ВеСl + Н20
ВеО + Н20 + 2NaOH = Na2[Be(OH)n].
Гидроксид Ве(ОН)2 малорастворим в воде и образует белую студенистую массу при осаждении из растворов солей Be2+ щелочами или раствором аммиака: BeS04 + 2NH3*H20 = Be(OH)2 + (NH4)2SO4. При стоянии или при нагревании гидроксид быстро "стареет", что приводит к понижению его растворимости и уменьшению реакционной способности. В кислотах гидроксид бериллия легко растворяется: Ве(ОН)2 + 2НСl = BeCl2 + 2Н20.
Магний относится к числу распространённых элементов (1,4 мас%). Он встречается в виде силикатов Mg2Si04 - оливин, хлоридов, карбонатов и сульфатов, например, карналлита KCl*MgCl2*6H20, доломита MgCO3*СаС03. Много магния содержится в природных водах. Кальций по распространённости в земной коре занимает третье место (1,5 мас.%). Содержание стронция и бария намного меньше: Sr - 8e-3 мас.%; Ва - 8e-12 мас.%. Эти элементы содержатся в силикатных породах, а также встречаются в виде карбонатов СаСОз (кальцит), сульфатов CaS04 (ангидрит), SrS04 (целестин), BaS04 (тяжёлый шпат), фторидов CaF2 (флюорит). Радий содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного распада урана. В свободном состоянии Mg, Ca, Sr и Ва представляют собой блестящие серебристо-белые металлы, которые на воздухе окисляются и тускнеют. Магний сравнительно мягкий и пластичный металл, кальций обладает наибольшей среди всех твёрдостью, стронций и барий немного мягче. Химическая активность металлов очень высокая и возрастает от магния к щелочноземельным металлам и радию. Некоторая химическая инертность магния связана с образованием на его поверхности плотного слоя оксида, который препятствует протеканию процессов. Магний при нагревании сгорает на воздухе ослепительно белым пламенем:
2Mg + 02 = 2MgO, при этом частично образуется нитрид магния: 3Mg + N2 = Mg3N2.
Магний взаимодействует с галогенами, окисляется при нагревании серой с образованием галогенидов и сульфида, соответственно:
Mg + Г2 = MgГ2
Mg + S = MgS.
С водородом магний непосредственно не реагирует. Щелочноземельные металлы Ca, Sr и Ва окисляются кислородом и галогенами уже при обычных условиях. При небольшом нагревании протекают реакции этих металлов и с водородом: Э + Н2 - ЭН2; с азотом: 3Э + N2 = Э3N2; а также с углеродом и кремнием: 2Mg + Si = Mg2Si, 2Mg + C = Mg2C.
Радий реагирует с кислородом, азотом и галогенами при обычных условиях. Магний, как и другие рассматриваемые металлы, стоит в ряду стандартных электродных потенциалов намного левее водорода, однако малорастворимый оксид, который формируется на поверхности металла, затрудняет его взаимодействие с водой. Оно начинается только при кипячении и протекает медленно: Mg + 2Н20 = Mg(OH)2 + Н2.
В отличие от магния щелочноземельные металлы быстро растворяются в воде с образованием сильных гндроксидов, щелочей, например: Са + 2Н20 = Са(ОН)2 + Н2.
Магний, щелочноземельные металлы и радий взаимодействуют с разбавленными кислотами: Э + H2S04 = ЭS04 + H2.
Химическая активность металлов в этих реакциях заметно возрастает вниз по группе. Концентрированная серная кислота пассивирует магний. С азотной кислотой высокой концентрации металлы от Mg до Ва реагируют преимущественно с образованием оксида N20, а сильно разбавленная кислота восстанавливается до NH4+, например:
4Mg + 10HNO3 = N20 + 4Mg(N03)2 + 5H20
4Са + 10HNO3 = NH4NO3 + 4Ca(N03)2+ 3H20.
Металлический радий реагирует с кислотами ещё более активно, чем его соседи по IIА группе. Из-за высокой химической активности металлы подгруппы кальция хранят под керосином в запаянных сосудах. Гидрид магния MgH2, представляющий собой полимер со слоистой структурой, синтезируется так же, как ВеН2. Термически он более устойчив, чем ВеН2, водой не разлагается. Гидриды щелочноземельных металлов получают прямым взаимодействием металла и водорода при нагревании: Са + Н2 = СаН2.
Эти соединения активно разлагаются водой: СаН2 + 2Н20 = Са(ОН)2 + 2Н2 и обладают сильными восстановительными свойствами: СаН2 + 2Сl2 = СаСl2 + 2НСl.
Оксиды магния и металлов подгруппы кальция ЭО - кристаллические вещества с высокими температурами плавления, получаемые прямым синтезом из простых веществ. В лабораторной практике эти соединения обычно получают термическим разложением карбонатов или нитратов:
MgC03 = MgO + C02
2Ba(N03)2 = 2BaO + 4N02 + 02.
Оксиды ЭО - химически активные вещества, растворяющиеся в воде с образованием соответствующих гидроксидов. Реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты:
MgO + Н20 = Mg(OH)2
СаО + Н20 = Са(ОН)2.
В отличие от амфотерного оксида ВеО, оксиды Mg, Са, Sr и Ва имеют выраженный основной характер. Они взаимодействуют с кислотными оксидами, например: ЭО + Si02 = 3Si03 и хорошо растворяются в кислотах: Э0 + 2НСl = ЭСl2 + Н2О.
Гидроксиды Э(OH)2 подобно оксидам проявляют только основные свойства. Гидроксид магния относится к основаниям средней силы, а гидроксиды щелочноземельных металлов нацело диссоциируют по первой ступени даже в не очень разбавленных растворах, проявляя свойства сильных оснований. Наличие в воде солей кальция и магния обусловливает её жёсткость. Различают жёсткость временную и постоянную. Временную жесткость придают воде гидрокарбонаты, а постоянную - сульфаты и хлориды кальция и магния. От временной жёсткости можно избавиться кипячением воды, при этом растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, которые выпадают в осадок: Са(НС03)2 = СаСО3 + С02 + Н20.
Для избавления от постоянной жёсткости в воду добавляют реагенты, в состав которых входят анионы СО3 и ОН. Это приводит к образованию малорастворимых соединений, которые можно удалить фильтрованием. Более современные способы избавления от жесткости состоят в добавлении к воде соединений, называемых «комплексонами», которые связывают ионы Са2+, Mg2+ и Fe2+ в прочные комплексные соединения, не образующие осадков, или в "деминерализации" воды с помощью ионнообменных смол. Магнии получают электролизом расплава MgCl: MgCl2 = Mg + Cl2 или металлотермическим и углетермическим методами. В первом случае из прокаленного доломита CaO*MgO магний восстанавливают ферросилицием или алюминием в электропечах: 2MgO + Si = Si02 + 2Mg. Во втором - восстановителем служит уголь: MgO + С = СО + Mg.
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида, а барий и стронций - из оксидов методом алюмотермии: ЗЭО + 2Аl = Аl203 + ЗЭ.
В настоящее время из-за высокой стоимости технологического процесса радиоактивный радий, используемый в различных научных и промышленных целях, не выделяется из урановых руд, где он находится в виде примеси. Его заменяют искусственно полученными радиоактивными изотопами. Основная область применения магния - производство сверхлегких сплавов, в которых главными легирующими элементами являются Al, Zn и Мn. Эти сплавы получили название "электрон". Они используются в ракетной технике, авиа- и автомобилестроении. Много магния и кальция расходуется для магнийтермического получения Ti, V, Zn, U и других металлов. Широко применяются и соединения щелочноземельных металлов; СаС2 (в производстве ацетилена), СаО (получение хлорной извести), Са(ОН)2, СаСОз, CaS04*2H20 (строительство). Главное применение стронция и бария - газопоглотители электровакуумных приборов. Титанат бария ВаТiO3 применяется в производстве диэлектриков, пьезо- и сегнетоэлектриков. Элементы IIА группы кальций и магний играют важную биологическую роль в жизни живых организмов, так как они во многом определяют процессы обмена веществ (метаболизм). Ионы Mg входят в состав ферментов-катализаторов окислительно-восстановительных и гидролитических реакций. Хлорофилл, вещество необходимое для жизни растений, представляет собой комплексное соединение магния с органическим лигандом-порфирином. Ионы Са участвуют в процессах создания структуры клеточных стенок и контролируют их деятельность. Они регулируют пусковые механизмы процессов жизнедеятельности и участвуют в механизме их физиологического контроля. Соли кальция необходимы для формирования зубов и костей. Концентрация ионов Mg внутри клеток организма человека и животных выше, чем вне клеток, а содержание ионов Са наоборот, выше вне клеток и ниже внутри. Поэтому ионы Са активизируют внеклеточные ферменты, а ионы Mg - внутриклеточные.
29. Атомы элементов первой группы имеют один электрон на внешнем ns-уровне. Щелочные элементы в виде простых веществ представляют собой легкие, легкоплавкие металлы. Температуры плавления и кипения плавно понижаются от Li к Cs. Непрочность кристаллической решетки щелочных металлов обусловлена большим размером атомов и малым числом валентных электронов. Все ns-электроны, принимающие участие в образовании металлической связи, находятся в зоне проводимости, и нет электронов, которые могли бы дополнительно осуществлять ковалентную связь металл-металл. Появление ковалентной составляющей в химической связи приводит к упрочнению кристаллической решетки, а, значит, к повышению температуры плавления плотности и твердости. Слабое межатомное взаимодействие в щелочных металлах обусловливает также их низкую плотность и твердость. Все щелочные металлы очень мягкие. Даже самый твердый из них литий режется ножом. Щелочные металлы имеют отрицательные стандартные электродные потенциалы, большие по абсолютной величине, т.е. являются сильными восстановителями. Их химическая активность закономерно увеличивается с ростом радиуса атома от Li к Cs. Некоторые характеристики элементов 1 А группы Li Na К Rb Cs Свойство
Электронная конфигурация 2s1 3s1 4s1 5s1 6s1
Атомный радиус, нм 0,157 0,192 0,236 0.253 0,274
Ионный радиус, нм 0,076 0,102 0,138 0,152 0,167
Энергия ионизации, кДж/моль 1317 520 496 419 403
Электроотрицательность 0,97 1,01 0,91 0,89 0,86
Степени окисления 0,+1 0,+1 0,+1 0,+1 0,+1
Литий - редкий элемент. Его содержание в земной коре составляет 0,005 мас.%. По распространенности он занимает 29 место. Литий в малых количествах входит в состав каменных углей, почв, морской воды, алюмосиликатов. Промышленным минералом лития является сподумен Li[AlSi2O6]. Литий имеет небольшой размер атома и поэтому его свойства несколько отличаются от свойств других щелочных металлов. Он уступает им по химической активности, хотя значение его стандартного электродного потенциала наиболее отрицательно. Это обусловлено большой энергией гидратацией иона Li. В отсутствие сольватируюших растворителей, например, в расплавах, значение электродного потенциала лития отвечает его меньшей химической активности. Соединения лития по своей химической природе, например, по растворимости, термической устойчивости, похожи на соединения магния, что является проявлением диагонального сходства в периодической системе. Литий - серебристо-белый металл, самый лёгкий среди щелочных металлов. Получают литий обычно при электролизе расплавов галогенидов: 2LiГ = 2Li + Г2. Литий находит применение в металлургии как легирующая добавка при создании новых металлических материалов. Изотоп 6Li является промышленным источником получения трития. Жидкий металлический литий используется как теплоноситель в ядерных реакторах. Фторид и хлорид лития применяются как флюсы (вещества, необходимые для образования шлаков) при производстве многих металлов и сплавов. Среди щелочных металлов Na и К по содержанию в земной коре являются одними из самых распространённых (Na - 2,4 маc.%, К - 2,35 маc.%), а тяжёлые Rb и Cs относятся к редким элементам. Натрий и калий входят в состав всех силикатных пород, таких, как, например, альбит Na2[Al2Si6O16] и ортоклаз K2[Al2Si6016]. Из минералов наиболее важны каменная соль NaCl, мирабилит Na2S04*10Н2О, сильвинит KCl*NaCl, карналлит KCl*MgCl2*6H20.
Для цезия известен минерал поллуцит Cs[AlSi2O6], рубидий часто изоморфно замещает калий в сильвините и карналите. Радиоактивный элемент франций получают искусственно. Все щелочные металлы, кроме франция, входят в состав животных и растительных организмов. Элементы IA группы от Na до Cs, в отсутствии воздуха, серебристо-белые или желтоватые металлы с характерным металлическим блеском. Все они мягкие, имеют высокую пластичность и электропроводность. Натрий и калий легче воды, а цезий и рубидий в два раза тяжелее. Температуры плавления металлов невысокие и уменьшаются по подгруппе. В промышленности щелочные металлы чаще всего получают электролизом расплавов их солей. При получении Na электролитом служит смесь 40% NaCI и 60% СаСl2. На катоде образуется смесь натрия и кальция, из которой при охлаждении расплава сначала кристаллизуется Са, а затем Na. Калий можно получить электролизом смеси К2СО3 и КСl, однако, более чистый металл (99,99%) в промышленности синтезируют по реакции:
Na + KCl = К + NaCl.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
