В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Щелочи реагируют со многими неметаллами. Кремний и амфотерные металлы (Ве, А!, Хп) растворяются в них с выделением водорода: Я! + 2НаОН + Н20 = Нав8!Оз + 2Н27, Еп + 2НаОН+ 2Н20 = Наз[лп(ОН)4] + Н27. Гидроксилы щелочных металлов при нагревании плавятся и испаряются без разложения, за исключением гидроксида лития, который при прокаливании разлагается на оксид и воду: 21.!ОН = (лзО+ Н207. Щелочные металлы могут образовывать комплексные соединения, в которых их ионы играют роль центрального атома.
В разбавленных водных растворах ионы М+ существуют в виде аквакомплексов. Такие же комплексы есть и в твердых кристаллогидратах. Так, в состав кристаллогидрата Нас804 1ОН20 входят ионы [На(Н20)з] . Известны аммиачные комплексы [1!(ННз)4]~ и [На(1ЧНз)4]+. Большое число комплексных соединений щелочных металлов получено с искусственными лигандамн, в частности с краун-эфирами, которые представляют собой циклические полиэфиры (рис.
7.8). (. ) 18-храуи-6 15-храуи-5 !2-краун-4 Рнс. 7.8. Простейшие храуи-эфиры н их комплексы с ионами щелочных металлов Ионы М+ располагаются в центре полости молекулы эфира и образуют химические связи со всеми атомами кислорода. Каждому иону соответствует краун-эфир с оптимальным размером полости, соответствующим радиусу иона. Так, для иона К+ оптимальным является 18-краун-б (18 — общее число атомов в цикле, б — число атомов кислорода). Комплексы [М(краун)]+ очень устойчивы благодаря хелатному эффекту (см.
гл. 5). Э 7.3. е-Металлы 177 Еще более прочные комплексы образуются при взаимодействии ионов Мч с полициклическими лигандами, например криптандами: й!а+ . 6НзО(р.) + криптаид(р.) — ~- г!а+ криптаид(р.) + 6НзО(ж.). Самый известный представитель этого ряда — [2.2.21криптаид, 11(СаН1зОз)зг( (рис. 7.9). Комплексы криптандов с катионами называют криптатами. Криптанды связывают ионы в тысячи раз сильнее и более селективно, чем краун-эфиры. Это объясняется пространственными и энергетическими эффектами.
Во-первых, трехмерная по- ~-71 ~, г м~~ лость легче удерживает частицу, чем дву- 1 Г мерная дырка, а, во-вторых, в криптан- -О дах больше иои-дипольных связей, так как положительные ионы притягиваются О,-О О О- ! '':, .О к атомам не только кислорода, но и азота. О Используя сильную стабилизацию ионов М~~ б(а+ криптандами, удалось получить наб трий в виде отрицательного иона п(а 1 Рис. 7.9. [2.2.2!криптанд (а) и его комПри растворении избытка натрия в жид- плекс с Ма+ (б) ком этиламиие в присутствии криптанда образуется насыщенный раствор, из которого при охлаждении до — 15'С выпадают блестящие, ярко окрашенные золотистые кристаллы, имеющие ионное строение: катионом в иих служит комплекс 1)а+ с криптандом, а анионом — натрий: 2Ха + криптаид = (1Ча(криптанд)]+й)а Вещества такого типа называют алкалидалги.
Благодаря присутствию авионов М они являются очень сильными восстановителями, ио неустойчивы при обычных температурах. Из соединений щелочных металлов самыми многотоинажными являются гидроксид и карбонат натрия. г!аОН получают электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли г)аС1: 26(аС1+ 2НзО = 2г(аОН + Нз1+ С!з ! (катод: 2НзО+ 2е е- Нз + 2ОН, анод; 2С1 — 2е е.
С!з). Мировое производство гидроксида натрия превышает 30 мли т в год, он используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, производства искусственного волокна, получения органических соединений. Другое практически важное соединения натрия — сода г(азСОз. Основное количество соды во всем мире производят по методу Сольве, предложенному еще в начале ХХ в. Суть метода состоит в следующем: водный раствор б!аС1, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26-30'С. При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия (питьевая сода): ХаС1 + й)Нз + СОз + НзО = 7)аНСОз~ + г)НлС1.
Добавка аммиака в методе Сольве необходима для нейтрализации кислой среды, возникающей при пропускаиии СОз в раствор, и образования гидрокарбонат-иоиа 178 Гл. 7. Химия металлов НСО, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. Нагревая раствор, содержащий хлорид аммония с известью, выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону: 2)Х)Н«С! + Са(ОН)з = 2ННз(+ СаС1т + 2НтО. Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.
При прокаливании гидрокарбоната натрия образуются кальцинированная или стиральная сода 1Ча»СОз и углекислый газ: 2)х)аНСОз = НатСОз + СОз( + НтО, который возвращают в производство и используют в исходном процессе получения гидрокарбоната натрия. Мировой объем производства соды достигает десятков миллионов тонн в год. Основной потребитель соды — стекольная промышленность.
Из соединений калия на практике широко используют нитрат Кй(Оз, необходимый для производства удобрений, и поташ КтСОз, применяемый в производстве стекла и жидкого мыла. Литий используется для создания легких сплавов и в источниках тока — литиевых аккумуляторах. Рубидий и цезий благодаря низкой энергии выхода электрона находят применение в фотоэлементах.
Натрий и калий являются жизненно важными элементами. В организме человека в виде ионов содержится в среднем 170 г калия и 90 г натрия. Ионы )Х(а+ и К+ — необходимые компоненты внутриклеточной и межклеточной жидкости, они участвуют в передаче нервных импульсов и работе мышц. Внутри клеток ионов К+ больше, чем снаружи, для ионов )Х(а+ выполняется обратное соотношение. Градиент концентраций ионов создает на мембране клетки электрический потенциал, величина которого зависит от соотношения концентраций ионов. Для поддержания неравновесного распределения ионов между клеткой и окружающей средой в клеточных мембранах действуют специальные ионные каналы, по которым происходит перенос ионов )х(а+ и К+.
Металлы главной подгруппы 11 группы. В эту подгруппу входят бериллий Ве, магний Мя, кальций Са, стронций Ьг, барий Ва и радиоактивный радий Ва. Все простые вещества являются металлами и имеют характерный серебристо-белый цвет. Кальций, стронций и барий составляют семейство и!елочноземельных элементов. Название «щелочноземельные» происходит от слова «земля», обозначающего плохо растворимое соединение. Поскольку при смачивании водой оксидов кальция, стронция и бария образовывалась щелочная среда, то эти оксиды стали называть щелочными землями, а элементы — щелочноземельными. По электронному строению атомы металлов 11 группы похожи на щелочные металлы: на внешнем уровне они содержат два е-электрона; пз~.
Для элементов второй группы устойчивой является степень окисления +2. В ряду Ве-Ва монотонно изменяются свойства атомов; увеличиваются атомные и ионные радиусы, уменьшаются потенциалы ионизации (табл. 7.2). По сравнению с щелочными металлами, металлы !1 группы обладают большей плотностью и более высокими температурами плавления и кипения. Это свидетельствует о том, что металлическая связь у элементов П группы прочнее, чем у щелочных металлов — в ее образовании участвуют оба валентных электрона, Немонотонное изменение свойств простых веществ объясняется тем, что металлы этой группы имеют разные типы кристал- 9 7.е. з-Металлы 179 лической решетки.
Самый тугоплавкий нз них — бериллий, что с учетом низкой плотности делает его ценным компонентом сплавов, используемых в самолето- и ракетостроении. Таблица 7.2. Свойства металлов 1! группы Все металлы П группы встречаются в земной коре в форме двухзарядных катионов. Среди ннх больше всего магния (2,3 масс.%) и кальция (3,0%). Магний входит в состав магнезита МКСОз, доломита СаСОз.МКСОз, карналлита КС1 МдС!з.бНзО.
Кальций присутствует в земной коре в виде силикатов, алюмосилнкатов, кальцита СаСОз (из которого состоят мел, мрамор, известняки), гипса Са$04 2НзО, флюорита СаГз, апатита Саз(Р04)з(Г, С!, ОН). Основной минерал бериллия — берилл, это алюмосиликат состава ЗВеО А!зОз 6510з или ВезА1з[51з01з). Окраска берилла зависит от примесей, входящих в его состав. Замена части ионов А!з+ на Сгз+ приводит к появлению зеленой окраски — такие минералы называют изумрудом. Примесь Ге(П1) придает бериллу окраску морской волны, этот минерал известен как аквамарин.
Барий и стронций встречаются в основном в виде сульфатов и карбонатов. Все элементы главной подгруппы 1! группы — типичные металлы и сильные восстановители, в соединениях проявляют единственную степень окисления +2. Химическая активность металлов и их восстановительная способность увеличиваются в ряду Ве-Мд-Са — Яг — Ва (см. значения стандартных электродных потенциалов Мз+/М в табл. 7.2). Бериллий и магний покрыты тонкой оксидной пленкой, поэтому они менее активны, чем щелочноземельные металлы. Различия в реакционной способности металлов 11 группы хорошо проявляются в их реакциях с водой. Бериллий практически не реагирует с холодной водой и очень медленно взаимодействует с горячей водой и водяным паром.
Магний медленно растворяется в холодной воде, но бурно реагирует с водяным паром Мд+ 2НзО = Мк(ОН)з + Нз!. Кальций, стронций и барий энергично реагируют уже с холодной водой с выделением водорода: Са+ 2НзО = Са(ОН)з + Нз!. В отличие от устойчивых на воздухе бериллия и магния, щелочноземельные металлы, как и щелочные, хранят под керосином или в запаянных металлических банках. При взаимодействии металлов второй группы с кислородом все металлы образуют оксиды, а для бария при температуре 500'С устойчивым является пероксид: 2Са+ Оз = 2СаО, Ва + Оз = ВаОз. !80 Гл.
7. Химия металлов Для магния характерно очень высокое сродство к кислороду. Магниевая лента может гореть даже в атмосфере углекислого газа, отбирая у него кислород: 2МК+ СОз = 2МКО + С. Из-за этого горящий магний нельзя тушить углекислым огнетушителем. Бериллий, как и магний, очень активно взаимодействует с кислородом, и если бы не его дороговизна и ядовитость, то он нашел бы широкое применение в металлотермии для восстановления металлов из оксидов. При сгорании бериллия и магния на воздухе наряду с оксидами образуются нитриды МзНз. Водой ингриды гидролизуются (Везг(з — очень медленно): Мзй!з+ 6НзО = ЗМ(ОН)з+ 2)ч!НзТ. Все металлы 11 группы, кроме бериллия, реагируют с водородом при нагревании, образуя солеподобные гидриды МНю легко взаимодействующие с водой: МНз+ 2НзО = М(ОН)з + 2Нз1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
