Лекции химия_1 / МеталлыSБлока

Некоторые характеристики атомов этих элементов приведены в таблице.

Таблица 1

Некоторые характеристики атомов элементов IА и IIА-подгруппы

Следует обратить внимание на низкую энергию ионизации металлов

IА-подгруппы. Полностью заполненные s-орбитали вызывают заметное увеличение первой энергии ионизации у элементов IIА по сравнению с

IА-подгруппой. Низкая энергия ионизации и способствует тому, что метал-

лы s-блока легко превращаются в катионы. Все металлы s-блока характе-

ризуются низкой электротрицательностью, большей электроотрицатель-

ностью среди них отличается Be.

Катионы М+ и М2+ – наиболее устойчивая форма существования этих элементов. В форме катионов эти элементы находятся в природных водах и в природных минералах.

Катионы s-металлов – бесцветны.

У катионов s-металлов с устойчивой восьмиэлектронной внешней

оболочкой слабо выражены протолитические свойства. Все катионы, кроме

Be2+ и Mg2+, являются апротолитами, и очень слабыми акцепторами

электронных пар (АЭП). Окислительные свойства катионов также вы-

ражены очень слабо.

Как и у остальных элементов, наиболее сильно от своих электронных аналогов отличаются элементы II периода: Li и Be.

Причина заключается в том, что их атомы имеют всего два электронных слоя, отличаются маленькими радиусами, первый слой – двухэлектронный,

поэтому для катионов характерно более сильное поляризующее действие.

Основные свойства у оксидов и гидроксидов Be выражены слабее, чем у дру-

гих металлов IIА-подгруппы; они проявляют амфотерность, растворяются в щелочах с образованием гидроксокомплексов [Be(OH)4]2–. Оксид и гидро-

ксид Be не растворяются в воде. Инертность оксида Be, образующегося на воздухе на его поверхности, оказывается достаточной, чтобы защитить Be от коррозии. Сам металл тверже остальных металлов IIА-подгруппы.

Соединения металлов s-блока чрезвычайно широко используются

на практике, в том числе многие природные соединения имеют про-

мышленное применение.

.10H2O (мирабилит), MgSO4 .H2O (кизерит). Распространенным минера-

лом кальция является CaF2 (флюорит или плавиковый шпат).

Для получения Na, K, Mg использу-

ют, главным образом, природные галоге-

ниды: NaCl (минерал галит), KCl (минерал сильвин), KCl .NaCl (минерал сильвинит), MgCl2 .KCl . 6H2O (минерал карналлит).

У щелочных металлов в образовании металлической связи принимает меньше электронов, чем у других металлов,

– один электрон в расчете на 1 атом, поэтому связь оказывается непрочной,

все щелочные металлы – мягкие (режутся ножом), имеют очень низкие эн-

тальпии атомизации, температуры кипения и плавления.

Таблица 1

Важнейшие характеристики металлов р-блока

Все s-металлы являются легкими. Плотность щелочных металлов

заметно меньше, чем у металлов IIA-подгруппы. Металлы: Li, Na, K имеют плотность меньше 1г/см3, т. е. они легче воды. В подгруппах сверху вниз

плотность увеличивается вместе с возрастанием атомной массы.

Простые вещества проявляют сильные восстановительные свой-

ства, это подтверждают стандартные электродные потенциалы этих метал-

лов, они имеют значение около –3 В. Поэтому все s-металлы очень легко окисляются. Металлы K, Rb, Cs на воздухе загораются; Li, Na мгновенно покрываются слоем кислородных соединений и загораются при небольшом нагревании. Металлы IА подгруппы хранят либо в запаянных сосудах, либо

(в небольшом количестве) под слоем керосина, чтобы исключить их контакт с воздухом и водой.

Только металлы IIА подгруппы и Li при взаимодействии с кисло-

родом образуют оксиды. При взаимодействии с кислородом воздуха Na об-

разует светло-желтый пероксид Na2O2. Металлы K, Rb, Cs образуют супер-

оксиды: оранжевый KO2, коричнево-оранжевый RbO2 и желтый CsO2. В кри-

сталлической решетке супероксидов содержится анион О2–. При взаимодей-

ствии пероксидов и супероксидов с металлом можно получить оксиды ще-

лочных металлов. Оксиды щелочных металлов термически неустойчивы, при температуре больше 400оС, не плавясь, разлагаются. Только оксид Li2O име-

ет температуру плавления 1570 оС.

Оксиды металлов IIА-подгруппы – это тугоплавкие кристалличе-

ские вещества с преимущественно ионным характером связи (кроме BeO

они имеют кристаллическую решетку типа NaCl, с ионами М2+ и О2–).

Все металлы 1А группы, а также Ca, Sr, Ba, Ra растворяются в

воде с выделением газообразного водорода, и образованием щелочей

2Me + 2H2O = 2 MeOH + H2.

Только Li реагирует с водой спокойно, остальные способны воспламеняться.

Металлы Ca, Sr, Ba также при комнатной температуре растворяются в воде. Me + 2H2O = Me(OH)2 + H2

В воде не растворяется Be. Магний растворяется только в горячей воде. Ме-

таллы Be и Mg пассивируются на воздухе, Образующиеся на поверхности этих металлов оксиды в воде не растворимы.

Металлы легко реагируют со многими неметаллами: галогенами, се-

рой, фосфором.

Щелочные металлы реагируют со спиртом с образованием алкоголя-

тов.

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2

Щелочные и щелочноземельные металлы растворяются в жидком ам-

миаке с образованием синих растворов, содержащих сольватированные электроны. Такие растворы являются источником электронов и проявляют сильные восстановительные свойства.

Высокая восстановительная активность затрудняет получение этих металлов (они требуют очень сильных восстановителей). Технологии полу-

чения этих металлов довольно дороги. Наиболее распространенным спосо-

бом промышленного получения является восстановление этих металлов на катоде при пропускании электрического тока через расплавы их хлоридов.

Из всех металлов s-блока в наибольших количествах получают

Mg – 0,4 и Na – 0,2 млн. т в год.

Соединения

Оксиды и гидроксиды металлов s-блока

Оксиды металлов s-блока – бесцветные кристаллические вещества.

Оксиды щелочных металлов (кроме Li) неустойчивы, при нагрева-

нии они разлагаются, не плавясь. Устойчив оксид Li2O, он имеет темпера-

туру плавления 1570 оС.

Оксиды металлов IIА подгруппы – это тугоплавкие кристалличе-

ские вещества с преимущественно ионным характером связи. Из-за вы-

соких температур плавления (больше 2500оС) они используются для футе-

ровки металлургических печей.

Основные оксиды MgO и CaO при высокой температуре реагируют с кислотными оксидами CO2 и SiO2.

Оксиды металлов IIА-подгруппы получают термическим разложением карбонатов или гидроксидов.

Оксид CaO получают в промышленном масштабе в объеме

109 млн т/год. Его используют для футеровки печей, он является основным флюсом в металлургических производствах, необходимым для перевода природных соединений кремния, присутствующих в рудах, в более легко-

плавкие силикаты. Оксид CaO используется в производстве строительных материалов, для получения гашеной извести, для производства карбида CaC2,

который затем переводят в ацетилен.

Гидроксиды металлов s-блока – бесцветные кристаллические веще-

ства. Гидроксиды щелочных металлов, кроме LiOH плавятся без разложе-

ния, их расплавы электропроводны. Гидроксиды Li, Be, Mg и щелочнозе-

мельных металлов при нагревании разлагаются с образованием оксида и во-

ды.

Mg(OH)2  MgO + H2O

Температуры разложения у Mg(OH)2 ~ 1000 оС, у Сa(OH)2 ~ 580 оС.

Гидроксиды щелочных металлов очень хорошо растворяются в

воде с выделением большого количества тепла. Растворимость в воде гид-

роксидов щелочноземельных металлов ограничена, в подгруппе сверху вниз она увеличивается. Щелочи являются очень едкими веществами, разъедаю-

щими кожу, бумагу, ткани. Поэтому в тривиальных названиях щелочей часто присутствует термин «едкий». Для NaOH используют названия: едкий натр,

каустик (от греч. «каустикос» – «едкий, жгучий»), каустическая сода. Гид-

роксид KOH называют «едкое кали». Щелочи при плавлении разрушают стекло и фарфор. Хранить щелочи и их растворы надо в закрытых сосудах,

так как они поглощают CO2 из воздуха с образованием карбонатов. В твер-

дом виде они поглощают влагу и используются в качестве осушителей.

Гидроксиды Be Mg не растворяются в воде.

Гидроксид Mg(OH)2 – основной, а Be(OH)2 – амфотерный, он растворяется в щелочи с образованием гидроксокомплекса Na2[Be(OH)4].

Из гидроксидов металлов s-блока широкое практическое примене-

ние находят: NaOH, Ca(OH)2, KOH. Мировой объем промышленного про-

изводства NaOH составляет ~ 36 млн.т/год. Гидроксид натрия получают электролизом концентрированного раствора NaCl. Для получения

Ca(OH)2 оксид CaO растворяют в воде. Растворимость CaO ограничена, на-

сыщенный водный раствор Ca(OH)2 называют известковой водой. На воз-

духе она быстро мутнеет из-за образования карбоната.

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Гидроксид Ca(OH)2 – это наиболее дешевая щелочь. Ее можно исполь-

зовать для поглощения газообразных кислотных оксидов, осаждения гидро-

ксидов других металлов, например:

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 = 2FeOOH +3CaCl2 + 2H2O

Соли

Соли металлов s-блока чрезвычайно распространены. Почти все кислоты образуют соли с s-металлами. Соли являются кристаллическими веществами с ионной связью между катионами и анионами, за исключением некоторых соединений Be. Соли, как правило, имеют высокие температуры плавления, в расплавах распадаются на ионы. Расплавы некоторых галоге-

нидов используют для получения металлов, для этих солей ниже приведены температуры плавления.

Большинство солей щелочных металлов хорошо растворяются в воде, за исключением фторидов, карбонатов и фосфатов Li и очень немногих солей Na, K, Rb. Среди солей металлов IIА-подгруппы много нераство-

римых солей. Это силикаты, фосфаты, карбонаты, фториды Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и сульфаты Sr, Ba, Ra, Ca.

Соли металлов s-блока очень широко используются в качестве реагентов в огромном количестве химических реакций: протолитических, реакциях образования комплексов и нерастворимых соединений, в окислительновосстановительных взаимодействиях. Однако функциональную роль в этих

реакциях выполняют не катионы металлов s–блока, а анионы.

Катионы всех металлов s-блока, кроме Be и Mg, являются апротолитами и не участвуют в протолитических реакциях, в том числе не подвергаются гидролизу. Гидролизу по катиону подвергаются только соли Be и Mg.

Окислительные свойства катионов s-металлов выражены чрезвычайно слабо в противоположность восстановительным свойствам самих металлов. Поэтому катионы s-металлов в водных растворах не участвуют в окисли- тельно-восстановительных превращениях.

Соли металлов s-блока широко используются в различных отраслях промышленности: химической, металлургической, производстве строительных материалов, стекла, моющих средств и т. д.

Кроме хлоридов, используемых для получения металлов, щелочей (NaOH, KOH) , соды Na2CO3, хлора, соляной кислоты, наибольшее практическое применение находят карбонаты.

Природные карбонаты Ca – известняк и мрамор, издавна использовались как строительные материалы и широко используются сейчас для производства строительных материалов. CaCO3 используют для получения CaO,

Сa(OH)2, CaCl2, Na2CO3, а МgCO3 для получения MgO.

CaCO3 широко используется в металлургии для перевода SiO2 и тугоплавких силикатов в более легкоплавкие шлаки. В металлургии для понижения температур плавления используют также природный фторид CaF2.

В производстве строительных материалов используется гипс CaSO4 . 2H2O. Самое широкое практическое применение имеет карбонат натрия. Ми-

ровой объем производства соды составляет около 30 млн. т/год.