Тема 21 22

Тема: Химические свойства элементов.

План:

1.Свойства металлов и их соединений (I и II гл. подгр.)

1.1 Элементы IA группы – общая характеристика.

1.2 Элементы IIA группы – общая характеристика.

2. Химические свойства р –элементов.

2.1 Элементы IIIA группы – общая характеристика.

2.2 Элементы IVA группы – общая характеристика.

2.3 Элементы VA группы – общая характеристика.

2.4 Элементы VIA группы – общая характеристика.

2.5 Элементы VIIA группы – общая характеристика.

2.6 Элементы VIIIA группы – общая характеристика.

3.Водород

1.

1.1

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Эти металлы получили название щелочных, потому что большинство их соединений растворимо в воде. По-славянски «выщелачивать» означает «растворять», это и определило название данной группы металлов. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.Г. Дэви в 1807 г. впервые получил свободные калий и натрий.

Во внешнем электрнном слое атомы щелочных металлов имеют по одному электрону. Во втором снаружи электронном слое у атома лития содержатся два электрона, а у атомов остальных щелочных металлов — по восемь электронов. Имея во внешнем электронном слое только по одному электрону, находящемуся на сравнительно большом удалении от ядра, атомы этих элементов довольно легко отдают этот электрон, т. е. характеризуются низкой энергией ионизации. Образующиеся при этом одно­зарядные положительные ионы имеют устойчивую электронную структуру соответствующего благородного газа (ион лития — структуру атома гелия, ион натрия — атома неона и т. д.). Легкость отдачи внешних электронов характеризует рассматриваемые элементы как наиболее типичные представители металлов: металлические свойства выражены у щелочных металлов особенно резко.

Одинаковое строение не только наружного, но и предпоследнего электронного слоя атомов всех щелочных металлов, кроме лития, обусловливает большое сходство свойств этих элементов. В то же время увеличение заряда ядра и общего числа электронов в атоме при переходе сверху вниз по подгруппе создает некоторые различия в их свойствах. Как и в других группах, эти различия проявляются главным образом в увеличении легкости отдачи валентных электронов и усилении металлических свойств с возрастанием порядкового номера.

Свойства щелочных металлов
Атомный номер	Название, символ	Металлический радиус, нм	Ионный радиус, нм	Потенциал ионизации, эВ	ЭО	p, г/см³	tпл, °C	tкип, °C
3	Литий Li	0,152	0,078	5,32	0,98	0,53	181	1347
11	Натрий Na	0,190	0,098	5,14	0,93	0,97	98	883
19	Калий K	0,227	0,133	4,34	0,82	0,86	64	774
37	Рубидий Rb	0,248	0,149	4,18	0,82	1,53	39	688
55	Цезий Cs	0,265	0,165	3,89	0,79	1,87	28	678

Химические свойства щелочных металлов. Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, азоту их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

1. Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий: При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет. 2. Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава: При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2: В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды: Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода: Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О22-и надпероксид-ион O2-.

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs:

Формула кислородного соединения	Цвет
Li2O	Белый
Na2O	Белый
K2O	Желтоватый
Rb2O	Жёлтый
Cs2O	Оранжевый
Na2O2	Светло- жёлтый
KO2	Оранжевый
RbO2	Тёмно- коричневый
CsO2	Жёлтый

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами: Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей: Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды: 3. Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов: При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных — аминах и амидах:

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

4. Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

Окраска пламени щелочными металлами
Li	Карминно-красный
Na	Жёлтый
K	Фиолетовый
Rb	Беловато-розовый
Cs	Фиолетово-красный

Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы: катод: Li+ + e → Liанод: 2Cl- — 2e → Cl22. Иногда для получения щелочных металлов проводят

электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na+ + e → Naанод: 4OH- — 4e → 2H2O + O2Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

В природе щелочные металлы встречаются исключительно в виде соединений. Натрий и калий являются постоянными составными частями многих весьма распространенных силикатов. Из отдельных минералов натрия важнейший–поваренная соль (NaCl) –входит в состав морской воды и на отдельных участках земной поверхности образует под слоем наносных пород громадные залежи так называемой каменной соли (в СССР – Соликамск, Артемовен, Илецк и т. д.). В верхних слоях подобных залежей иногда содержатся и скопления солей калия [в виде минералов сильвинита (KCl–NaCl), карналлита (KCl·MgCl₂ ·6Н₂ О) и др.], служащие основным источником получения соединений этого элемента. Имеющих промышленное значение природных скоплений калийных солей известно лишь немного. Важнейшим из них является Соликамское месторождение в СССР.

Для лития известен ряд минералов [например, сподумен – LiAl (SiO₃ ) ₂ ], но скопления их редки. Рубидий и цезий встречаются почти исключительно в виде примесей к другим щелочным металлам. Следы франция всегда содержатся з урановых рудах.

Соединения натрия и калия имеют огромное значение для жизни. Достаточно напомнить хотя бы то, что человек потребляет ежегодно 5–10 кг NaCl Подобным же образом для растений необходимы соли калия. В связи с этим около 90% всех добываемых калийных соединений употребляются для удобрения почв. Остальные 10%, равно как и громадные количества различных соединений натрия, используются в промышленности. Лишь сравнительно небольшое по объему применение находят пока производные лития и весьма ограниченное –соединения Rb и Cs.

В свободном состоянии щелочные металлы могут быть выделены электролизом их расплавленных хлористых солей. Основное практическое значение имеет натрий, ежегодная мировая выработка которого составляет более 50 тыс. т.

1.2

В главную подгруппу II группы входят элементы бepuллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Все эти элементы, кроме бериллия, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. В свободном состоянии они представляют собой серебристо-белые вещества, более твердые, чем щелочные металлы, с довольно высокими температурами плавления. По плотности все они, кроме радия, относятся к легким металлам.

Первые два члена рассматриваемой подгруппы занимают в ней несколько особое положение, отличаясь во многих отношениях от остальных четырех элементов. Бериллий по некоторым своим свойствам приближается к алюминию.

Все изотопы последнего элемента подгруппы — радия — радиоактивны. Долгоживущий изотоп ²²⁶Ra раньше использовался в радиотерапии; в настоящее время его заменили более дешевыми изотопами других элементов, образующимися в ядерных реакторах.

В наружном электронном слое атомы элементов этой подгруппы имеют два электрона, во втором снаружи слое у бериллия находится два электрона, а у остальных элементов — восемь.

Простые вещества, образуемые атомами этих элементов, – металлы. Литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций называют щелочными металлами, так как их гидроксиды представляют собой щелочи. Кальций, стронций и барий называют щелочноземельными металлами. Химическая активность этих веществ увеличивается по мере увеличения атомного радиуса. Из химических свойств этих металлов наиболее важны их восстановительные свойства. Щелочные металлы – сильнейшие восстановители. Металлы элементов IIA группы также довольно сильные восстановители. Все они (кроме бериллия) реагируют с водой (магний при кипячении):

2M + 2H₂O = 2M _aq + 2OH_aq + H₂ ,M + 2H₂O = M² + 2OH + H₂ .

В случае магния, кальция и стронция из-за малой растворимости образующихся гидроксидов реакция сопровождается образованием осадка:

M² + 2OH = Mg(OH)₂

Щелочные металлы реагируют с большинством неметаллов: 2M + H₂ = 2MH (при нагревании), 4M + O₂ = 2M₂O (M – Li), 2M + Cl₂ = 2MCl (при обычных условиях), 2M + S = M₂S (при нагревании).

Из щелочных металлов, сгорая в кислороде, обычный оксид образует только литий. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (M₂O₂) или надпероксиды (MO₂ – соединения, содержащие надпероксид-ион с формальным зарядом –1 е).Как и щелочные металлы, металлы элементов IIA группы реагируют со многими неметаллами, но при более жестких условиях: M + H₂ = MH₂ (при нагревании; кроме бериллия), 2M + O₂ = 2MO (при обычных условиях; Be и Mg – при нагревании),M + Cl₂ = MCl₂ (при обычных условиях),M + S = MS (при нагревании). В отличие от щелочных металлов с кислородом они образуют обычные оксиды. С кислотами спокойно реагирует только магний и бериллий, остальные простые вещества очень бурно, часто со взрывом.Бериллий реагирует с концентрированными растворами щелочей:Be + 2OH + 2H₂O = [Be(OH)₄]² + H₂

В соответствии с положением в ряду напряжений с растворами солей реагируют только бериллий и магний, остальные металлы в этом случае реагируют с водой. Являясь сильными восстановителями, щелочные и щелочноземельные металлы восстанавливают многие менее активные металлы из их соединений, например, при нагревании протекают реакции:4Na + MnO₂ = 2Na₂O + Mn;2Ca + SnO₂ = 2CaO + Sn.Общий для всех щелочных металлов и металлов IIA группы промышленный способ получения – электролиз расплавов солей. Кроме бериллия оксиды всех рассматриваемых элементов – основные оксиды, а гидроксиды – сильные основания (у бериллия эти соединения амфотерные, гидроксид магния – слабое основание). Усиление основных свойств гидроксидов с увеличением порядкового номера элемента в группе легко прослеживается в ряду гидроксидов элементов IIA группы. Be(OH)₂ – амфотерный гидроксид, Mg(OH)₂ – слабое основание, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ и Ba(OH)₂ сильные основания, но с увеличением порядкового номера растет их растворимость, и Ba(OH)₂ уже можно отнести к щелочам.

Все щелочноземельные металлы имеются (в разных количествах) в природе. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щелочноземельным металлом является кальций, количество которого равно 3,38 % (от массы земной коры). Немногим ему уступает магний, количество которого равно 2,35 % (от массы земной коры). Распространены в природе также барий и стронций, которых соответственно 0,05 и 0,034 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 6×10⁻⁴% от массы земной коры. Что касается радия, который радиоактивен, то это самый редкий из всех щелочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1×10⁻¹⁰% (от массы земной коры)/

2

2.1

К р-элементам III группы периодической системы Д. И. Менделеева относятся: бор В, алюминий Аl, галлий Ga, индий In и таллий Тl. Электронная конфигурация атомов ns²np¹.

Ниже сопоставлены некоторые константы, характеризующие свойства атомов p-элементов рассматриваемой группы и соответствующих металлических веществ:

На свойствах р-элементов III группы сказывается d-сжатие (Аl располагается в периодической системе в малом III периоде, a Ga, In и Тl в больших периодах непосредственно после d-элементов). Так, от Аl к Ga атомный радиус несколько уменьшается, а первый ионизационный потенциал возрастает. На свойствах атомов таллия, кроме того, сказывается и f-сжатие. Именно поэтому радиус атома Тl близок радиусу атома In, а энергия ионизации несколько выше.

Бор. В соответствии с электронной структурой атома (1s²2s²2p¹) бор может быть одновалентным (один неспаренный электрон на энергетическом 2р-подуровне). Однако для бора наиболее характерны соединения, в которых он трехвалентен (при возбуждении атома три неспаренных электрона в энергетических 2s- и 2р-подуровнях).

Свободная 2р-орбиталь в возбужденном атоме бора обусловливает акцепторные свойства многих его соединений, в которых три ковалентные связи образованы по обменному кова-лентному механизму (например, ВВг₃). Эти соединения склонны к присоединению частиц с электронно-донорными свойствами, т. е. к образованию еще одной ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:

BBr₃ + Br^- = [ВВr₄]^-

Известны два изотопа бора: ₁₀₅В (19,6%) и ¹¹₅B (80,4%). Ядра атомов изотопа (₁₀₅В) легко поглощают нейтроны:

₁₀₅В + ¹₀n = ⁴₂He + ⁷₅Li

Способность бора поглощать нейтроны обусловливает его применение в ядерной энергетике: из борсодержащих материалов делают регулирующие стержни ядерных реакторов.

Кристаллы бора черного цвета; они тугоплавки (т. пл. 2300 °С), диамагнитны, обладают полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны ΔE=1,55 эВ). Электрическая проводимость бора, как и других металлов, мала и несколько возрастает при повышении температуры.

При комнатной температуре бор химически инертен и взаимодействует непосредственно только с фтором; при нагревании бор окисляется хлором, кислородом и некоторыми другими неметаллами. Например:

4В + 3O₂ = 2В₂O₃

2В + ЗСl₂ = 2ВСl₃

В соединениях с неметаллами степень окисления бора +3; все эти соединения ковалентны.

Триоксид бора В₂O₃ — кристаллическое вещество (т. пл. 450 °С, т. кип. 2250 °С), характеризующееся высокими значениями энтальпии и энергии Гиббса образования. При взаимодействии с водой В₂O₃ переходит в борную кислоту:

В₂O₃ + ЗН₂O = 2Н₃ВO₃

Н₃ВО₃ — очень слабая (K_д ≈ 10^-9) одноосновная кислота. Электролитическая диссоциация Н₃ВО₃ с отщеплением только одного иона Н⁺ объясняется уже описанными ранее акцепторными свойствами бора: свободная 2р-орбиталь атома бора предоставляется электронному донору ОН^-, образующемуся при диссоциации молекул Н₂O. Процесс протекает по схеме

Н₃ВО₃ + Н₂O = Н[В(ОН)₄] = Н⁺ + [В(ОН)4]^-

Комплексный анион [В(ОН)₄]^- имеет тетраэдрическую структуру (sp³-гибридизация электронных орбиталей). Акцепторные свойства бора в соединениях со степенью окисления + 3 проявляются и в химии его галогенидов. Так, например, легко осуществимы реакции

BF₃ + F^- = [BF₄]^-

BF₃ + NH₃ = [F₃BNH₃]

в которых химическая связь между BF и F^- или NH₃ образуется по донорно-акцепторному механизму. Свойство галогенидов бора быть акцепторами электронов обусловливает их широкое применение как катализаторов в реакциях синтеза органических соединений.

Непосредственно с водородом бор не взаимодействует, а с металлами образует бор иды — обычно нестехиометрические соединения Ме₄В, Ме₂В, МеВ, Ме₃В₄, МеВ₂ и МеВ₆.

Гидриды бора (бораны) очень ядовиты и имеют весьма неприятный запах. Их получают косвенным путем, чаще всего

при взаимодействии химически активных боридов с кислотами или галогенидов бора с гидридами щелочных металлов:

6MgB₂ + 12НСl = Н₂ + 8В + В₄Н₁₀ + 6MgCl₂

8BF₃ + 6LiH = В₂Н₆ + 6LiBF₄

Простейшее соединение бора с водородом ВН₃ в обычных условиях не существует, sp²-Гибридизация электронных орбиталей в атоме бора приводит к координационной ненасыщенности частицы ВНз, вследствие чего происходит объединение двух таких частиц в молекулу диборана: 2ВНз = В₂Н₆ (ΔG⁰₂₉₈ = -127 кДж/моль).

В диборане В₂Н₆ бор находится в состоянии 5р³-гибридизации, причем у каждого атома бора одна из четырех гибридных орбиталей пуста, а три другие перекрыты s-орбиталями атомов водорода. Связи между группами ВНз в молекуле В₂Н₆ образуются по типу водородной связи за счет смещения электронной плотности от одного атома водорода группы ВНз к пустой орбитали другой группы ВНз. Известны и другие бораны, которые можно представить двумя рядами B_nH_n+4 и B_nH_n+6.

Бориды s-металлов химически активны и часто используются для получения смеси боранов при обработке кислотами. Большинство боридов d- и f-металлов жаростойки, очень тверды, химически устойчивы. Их широко используют непосредственно в виде сплавов для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин. Некоторые бориды применяют для изготовления катодов электронных приборов.

Алюминий. Электронная конфигурация атома алюминия выражается формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На внешнем электронном слое атома есть один неспаренный электрон:

 

Поэтому алюминий может проявлять валентность, равную единице. Однако эта валентность для алюминия не характерна. Во всех устойчивых соединениях степень окисления алюминия равна +3. Валентность, равная трем, отвечает возбужденному состоянию атома Аl:

 

По своей распространенности алюминий занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и является самым распространенным в природе металлом. Основная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах: полевых шпатах, слюдах и др.

Алюминий — серебристо-белый легкий и чрезвычайно пластичный металл, обладающий высокой теплопроводностью и электрической проводимостью.

Алюминий химически активен; с хлором и бромом он реагирует при комнатной температуре, а с иодом — при нагревании или в присутствии воды как катализатора. При 800 °С алюминий взаимодействует с азотом, а при 2000 °С — с углеродом. Алюминий проявляет высокое химическое сродство к кислороду (ΔG⁰₂₉₈ = -1582 кДж/моль):

2Аl + 0,50₂ = Аl₂O₃, ΔH⁰₂₉₈ = -1650 кДж/моль

На воздухе алюминий покрывается очень прочной тончайшей (10^-8 м) оксидной пленкой, которая несколько ослабляет металлический блеск алюминия. Благодаря оксидной пленке поверхность алюминия приобретает высокую коррозионную стойкость. Это прежде всего проявляется в индифферентности алюминия к воде и водяному пару. Вследствие образования защитной пленки алюминий устойчив по отношению к концентрированным азотной и серной кислотам. Эти кислоты на холоду пассивируют алюминий. Склонность к пассивированию позволяет повышать коррозионную стойкость алюминия путем обработки его поверхности сильными окислителями (например, К₂Сr₂О₇) или с помощью анодного окисления. При этом толщина оксидной пленки возрастает до 3·10^-5 м. При высоких температурах прочность защитной пленки резко снижается. Если механическим воздействием снять оксидную пленку, алюминий становится крайне реакционноспособным. Он энергично взаимодействует с водой и водными растворами кислот и щелочей, вытесняя водород и образуя катионы или анионы. Взаимодействие алюминия с растворами кислот протекает по уравнению реакции

Аl + 6Н₂O + ЗН⁺ = [Аl(Н₂O)₆]³⁺ + 0,5Н₂

а с растворами щелочей

Аl + ЗН₂O + ОН^- = [Аl(ОН)₄]^- + 0,5Н₂

Катионы и анионы алюминия легко переходят друг в друга при изменении рН раствора:

[Аl(Н₂O)₆]³⁺ + 4OH^- = [Аl(ОН)₄]^- + 6Н₂O

[Аl(ОН)₄]^- + 4Н⁺ + 2Н₂O = [Аl(Н₂O)₆]³⁺

В растворе могут образовываться и смешанные соединения, например [Аl(Н₂O)₅(ОН)]²⁺,[Аl(Н₂O)₄(ОН)₂]⁺, [Аl(Н₂O)₃(ОН)₃]. Последнее легко (особенно при нагревании) дегидратируется и переходит в гидроксид А1(ОН)з: