Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

происходит окисление поверхности металла без возникновения в системе электрического тока. Механизм химической коррозии сводится к диффузии атомов или ионов металла сквозь пленку образовавшихся при коррозии продуктов и встречной диффузии атомов или ионов окислителя из окружающей среды.

Диффузия через оксидную пленку существенно зависит от наличия в ней дефектов. При комнатной температуре пленка часто изолирует металл от доступа кислорода воздуха, вследствие чего скорость окисления металла становится ничтожно малой. С повышением температуры окисление металла на воздухе происходит интенсивнее.

Электрохимическая коррозия — это разрушение металла вследствие контакта его с электролитами. Процесс сопровождается возникновением электрического тока. Электрохимическая коррозия может быть разделена на два самостоятельных процесса: анодный процесс — переход металла в раствор в виде ионов и катодный процесс — присоединение появившихся электронов деполяризаторами. Этот вид коррозии происходит при контакте между металлами различной активности, когда активный металл окисляется (отдает электроны менее активному металлу) и в виде ионов переходит в раствор. На менее активном металле восстанавливаются ионы водорода из раствора, и, следовательно, менее активный металл не подвергается коррозии.

Для защиты металлов от коррозии используют различные способы.

1.Защита металла от коррозийной среды с помощью изоляции. На поверхности металла создается защитная пленка, которая может иметь различную природу. Часто удовлетворительная защита от коррозии достигается, если металл покрывается различными красками, лаками, эмалями и т.д. Иногда корродирующий металл покрывают слоем другого, не корродирующего в тех же условиях, металла. Такие покрытия называют анодными, когда они изготовлены из металла с более отрицательным электродным потенциалом, и катодными, если они состоят из металла с более положительным электродным потенциалом.

2.Защита металлов электрохимическим путем. Этот метод иначе называется протекторной защитой, или электрозащитой.

Для этого используют специальный анод — протектор, который готовится из металла или сплава, имеющего более отрицательный электродный потенциал, чем потенциал защищаемого металла. Протектор присоединяется к защищаемому металлу и, контактируя с ним, выполняет роль анода. Защищаемый металл является катодом. Протектор будет разрушаться от коррозии, предохраняя соответствующий

защищаемый металл. В качестве протекторов чаще всего используют цинк, старые железные детали, магниевые сплавы и т.д. Обычно протекторная защита достигает своей цели в тех средах, которые хорошо проводят электрический ток.

3. Защита путем воздействия на агрессивную среду. Имеется в виду добавление веществ, сильно замедляющих взаимодействие металла со средой. Эти вещества называются ингибиторами.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Раскройте содержание понятий: коррозия, химическая коррозия, элек-

?трохимическая коррозия, протекторная защита, ингибитор.

2.Можно ли считать коррозией окисление алюминия в процессе алюминотермии, окисление железа при электросварке, взаимодействие цинка с хлороводородной кислотой при получении «травленой кислоты» для паяния?

ПОВТОРИМ И ЗАПОМНИМ

! Большинство химических элементов относятся к металлам, важнейшими свойствами которых являются металлический тип связи в кристаллической решетке; электрическая проводимость; те-

плопроводность; металлический блеск; ковкость; пластичность.

ВПериодической системе элементов Д.И. Менделеева металлы находятся во втором — седьмом периодах, причем с увеличением номера периода число металлов в нем возрастает. Наиболее типичные металлы расположены в левой нижней части таблицы, т.е. левее от условной диагонали, проведенной от бора к астату.

Атомы металлов характеризуются относительно низкими значениями ионизационных потенциалов и наибольшими для каждого периода радиусами атомов.

Вхимических реакциях они проявляют исключительно восстановительные свойства. По своей химической активности металлы образуют электрохимический ряд напряжений.

Основными источниками получения металлов являются руды. В основе всех способов выделения металлов лежат окислительно-вос- становительные реакции, суть которых сводится к восстановлению металла из оксидов.

Различная химическая активность металлов определяет их устойчивость к воздействию окружающей среды. Процесс разрушения металла под влиянием внешней среды называется коррозией, которая делится на химическую и электрохимическую.

ГЛАВА 14 ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Изучив главу, следует:

знать свойства щелочных металлов как наиболее типичных представителей металлов; уметь объяснить причины их активности и охарактеризовать важнейшие соединения щелочных металлов

§ 1. Общая характеристика щелочных металлов

Элементы главной подгруппы I группы — литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr — называют щелочны-

ми металлами.

На внешней оболочке атомов этих элементов имеется по одному валентному s-электрону, а предвнешние завершены, поэтому они относятся к элементам s-семейства:

Щелочными металлами начинается каждый новый период.

По сравнению с другими элементами у щелочных металлов самые низкие энергии ионизации, а радиусы атомов и ионов наибольшие.

С увеличением радиусов атомов от лития к францию уменьшаются ионизационный потенциал и энергия сродства к электрону, следовательно, легкость отдачи электрона увеличивается. Таким образом, восстановительная способность щелочных металлов увеличивается сверху вниз. От лития к францию число электронных оболочек возрастает от 2 до 7. Атом лития отличается от остальных щелочных металлов тем, что его предвнешний уровень заселен двумя электронами, в то время как у других атомов их по 8.

Будучи энергичными восстановителями, они легко отдают электрон, образуя однозарядный ион Э+.

С увеличением заряда ядра металлические свойства закономерно возрастают.

Щелочные металлы образуют гидриды ЭН, которые по строению кристаллических решеток аналогичны NaCl. Эти соединения представляют собой белые кристаллические вещества, устойчивые при обычных условиях, и имеют высокие температуры плавления. Расплавы гидридов щелочных металлов проводят электрический ток.

Щелочные металлы образуют оксиды типа М2О.

Распространение В природе и получение щелочных металлов. Наиболее распространенными среди щелочных металлов являются натрий и калий, содержание которых в земной коре составляет в среднем 2,5–2,6% по массе, а лития в 100 раз меньше, чем натрия. Из соединений натрия, имеющих важное значение, следует отметить: хлорид натрия NaCl, глауберову соль Na2SO4 . 10Н2О, чилийскую селитру NaNO3, криолит Na3AlF6, буру Na2B4O7. Калий встречается в составе таких минералов, как сильвин КСl, сильвинит КСl . NaCl, карналлит КСl . MgCl2 . 6Н2О. Наиболее распространенными соединениями натрия и калия являются алюмосиликаты.

Литий, натрий и калий получают электролитическим восстановлением расплавленных солей или соответствующих гидроксидов. Эти процессы могут быть представлены, например, следующей схемой:

Физические свойства. Все щелочные металлы кристаллизуются в объемно-центрированной кубической решетке.

На свежем срезе они имеют белый цвет с серебристым металлическим блеском, который на воздухе быстро исчезает вследствие окисления кислородом воздуха. Поэтому все щелочные металлы хранят или под слоем керосина, или в атмосфере благородного газа. Они относятся к легким металлам. Очень пластичны и легко режутся ножом. Самым твердым является литий. Характеризуются высокой электри-

ческой проводимостью и теплопроводностью.

Химические свойства. Щелочные металлы являются сильными восстановителями. Окисляясь, они превращаются в положительный однозарядный ион по схеме:

М – e– → М+.

Поэтому они характеризуются высокой реакционной способностью по отношению к электроотрицательным элементам.

Щелочные металлы активно взаимодействуют с кислородом на холоде, поэтому на воздухе литий, натрий и калий покрываются оксидной пленкой. Рубидий и цезий самовоспламеняются на воздухе.

При сжигании в атмосфере кислорода только литий образует оксид

Li2O; натрий образует пероксид Na2O2, a остальные щелочные металлы переходят в надпероксиды — МО2:

Пероксид калия можно получить косвенным путем, но он менее устойчив, чем пероксид натрия.

Пероксиды щелочных металлов легко разлагаются под действием воды и разбавленных кислот:

Na2O2 + H2SO4 = Na2SO4 + Н2О2;

Na2O2 + 2Н2О = 2NaOH + Н2О2.

Пероксид натрия способен поглощать СО2 с выделением кислорода:

2Na2O2 + 2СО2 = 2Na2CO3 + О2↑.

Данная реакция широко используется для отбеливания тканей, а также для регенерации воздуха в замкнутых помещениях.

Щелочные металлы энергично взаимодействуют с галогенами; реакция экзотермическая:

При нагревании щелочные металлы легко реагируют с серой, образуя сульфиды M2S:

2Li + S = Li2S.

При слабом нагревании щелочные металлы легко реагируют с водородом, который, присоединяя электрон, переходит в гидридион Н–:

2Na + Н2 = 2NaH.

Подробно о гидридах см. главу 7.

В обычных условиях только литий непосредственно взаимодействует с азотом с образованием нитрида лития:

6Li + N2 = 2Li3N.

При нагревании азот реагирует и с другими щелочными металлами, образуя нитриды, которые рассматриваются как продукты полного замещения атомов водорода в аммиаке на металл (см. также главу 10).

Щелочные металлы легко окисляются ионом водорода Н+, что сопровождается выделением Н2, например из воды:

2Na + 2НOН = 2NaOH + Н2↑.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Охарактеризуйте взаимосвязь между радиусом атомов щелочных ме-

?таллов и их восстановительными свойствами.

2.Опишите, как изменяется внешний электронный слой атома щелочного металла при его взаимодействии с хлором.

3.Почему щелочные металлы являются самыми электроположительными элементами?

4.Каков общий способ получения щелочных металлов? Приведите конкретный пример.

5.Какие массы натрия и калия вытеснят из воды одинаковый объем водорода — 1,12 л?

Ответ: 2,3 г Na и 3,9 г К.

6.При взаимодействии с водой 2,125 г сплава натрия с калием получено 0,84 л водорода. Какова массовая доля (%) компонентов сплава? Ответ: 45,88% К; 54,12% Na.

7.В 50 мл воды растворили 1,95 г металлического калия. Определите массу раствора и массовую долю (%) растворенного в нем вещества. Ответ: 51,9 г; 5,4%.

8.В раствор, содержащий 16 г NaOH, пропустили СО2, образовавшийся при действии хлороводородной кислоты на 23 г карбоната калия. Каковы масса и состав полученной соли?

Ответ: 17,66 г Na2CO3.

9.При взаимодействии 11,6 г смеси гидроксидов натрия и калия с серной кислотой образовали 19,35 г сульфатов. Определите массовую долю

(%) гидроксидов в смеси.

Ответ: 48,28% КОН; 51,72% NaOH.

10.Смешали 20 г раствора NaOH с массовой долей 10% с 20 г раствора

H2SO4 с массовой долей 10%. Каковы масса и состав образовавшейся соли?

Ответ: 2,89 г.

11.Образец металлического натрия массой 0,5 г растворили в воде. На нейтрализацию полученного раствора израсходовали 29,2 г раствора НСl с массовой долей 1,5%. Какова масса натрия, содержащегося в образце?

Ответ: 0,276 г.

§2. Соединения щелочных металлов

Гидроксиды. Гидроксиды натрия и калия — твердые кристаллические вещества белого цвета. Их получают электролизом водных растворов хлоридов, что используется в промышленности:

электролит: 2Н+ + 2ОН–; 2Na+ + 2С1–;

в растворе: 2NaOH.

Гидроксид натрия получают также известковым способом (каустификация соды), т.е. обработкой Na2CO3 гидроксидом кальция:

Na2CO3 + Са(ОН)2 = 2NaOH + CaCO3↓.

Поэтому NaOH в технике называют каустической содой.

Когда требуется получить особо чистые гидроксиды для лабораторных работ, используют, например, гидролиз соответствующего алкоголята:

C2H5ONa + НОН → C2H5OH + NaOH. Образующийся в процессе гидролиза этиловый спирт отгоняют;

сухой остаток представляет собой гидроксид натрия. Твердые гидроксиды и их водные растворы поглощают СО2 из атмосферы.

Соли калия и натрия являются типичными ионными соединениями, и большинство из них легко растворяются в воде. Если соль образована слабой кислотой, то происходит гидролиз:

2NaСО3 + НОН NaHCO3 + NaOH; K2S + НОН KHS + КОН.

Соединения калия и натрия окрашивают бесцветное пламя: натрий — в желтый цвет, калий — в фиолетовый, что используется для качественного обнаружения этих элементов.

Щелочные металлы широко используют в промышленности. Натрий и калий имеют огромное биологическое значение. Содер-

жание калия в организме человека составляет 250 г, а натрия — 70 г (в расчете на 70 кг массы организма).

Натрий — главный внеклеточный ион, а калий — основной внутриклеточный ион. Их соотношение регулирует осмотическое давление плазмы крови.

Калий принадлежит к числу элементов, необходимых для жизнедеятельности растений, так как регулирует рост, развитие, водносолевой обмен, азотный обмен и дыхание. Отсутствие или снижение содержания калия в почве приводит к гибели растения.

Для пополнения почвы калием обычно применяют калийные удобрения, из которых наиболее важным является сильвин КСl.

Источником получения калийных удобрений служат соединения калия, широко распространенные в природе. Из их числа в качестве удобрения кроме KCl широко используют сильвинит. Важное значение имеет сульфат калия, образующийся в процессе переработки

соединений калия. Из солей натрия и калия широкое применение в технике и медицине имеют хлориды, бромиды, иодиды, а также карбонаты и гидрокарбонаты.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Почему все соединения щелочных металлов имеют ионную кристалли-

?ческую решетку?

2.Гидриды щелочных металлов используют в лабораторной практике как восстановители. На чем основано это свойство? Напишите соответствующие уравнения.

3.Объясните механизм образования гидрида натрия с указанием электронных конфигураций образующихся частиц.

4.Какова биологическая роль натрия и калия?

5.После смешения раствора карбоната калия с необходимым объемом раствора гидроксида кальция образовался осадок. Масса его равна 40 г. Какая масса второго продукта реакции образовалась?

Ответ: 44,8 г.

6.Образец поваренной соли массой 10 г обработали серной кислотой. Выделившийся хлороводород растворили в воде и получили 50 г раствора массовой долей 10,95%. Определите массовую долю (%) NaCl в образце.

Ответ: 87,75%.

7.При электролизе расплава хлорида натрия на аноде выделилось 56 л хлора. Какова масса образовавшегося металлического натрия?

Ответ: 115 г.

8.Имеется разбавленный раствор гидроксида натрия плотностью 1,109 г/см3 (при 20 oC). Какая масса раствора серной кислоты с массовой долей 10% потребуется для нейтрализации 50 мл этого раствора?

Ответ: 67,92 г.

9.При сплавлении оксида кремния (IV) с гидроксидом калия образова-

лось 77 г соли. Определите массу прореагировавших КОН и SiO2. Ответ: 30 г SiO2; 56 г КОН.

10.Смесь карбоната и гидрокарбоната натрия массой 30 г нагревали до прекращения выделения газов, после чего масса оказалась равной 26,9 г. Какова массовая доля (%) карбоната натрия в смеси?

Ответ: 72%.

11.Cмесь бромида и хлорида калия массой 7 г при нагревании обработали хлором до постоянной массы 4,775 г. Определите массу хлорида калия в исходной смеси.

Ответ: 1,05 г.

12.Действием серной кислоты на 2 г смеси хлорида натрия и сульфата натрия было получено 2,1 г сульфата натрия. Какова массовая доля (%) хлорида натрия в смеси?

Ответ: 23,4%.

13.Для определения концентрации иодида натрия к 24 г анализируемого

?раствора прилили 20 мл разбавленной серной кислоты, а затем небольшими порциями — пероксид натрия. Масса выделившегося кристаллического осадка равна 0,508 г. Какова массовая доля (%) NaI в расворе?

Ответ: 0,6%.

14.Газы, образовавшиеся при действии воды на 9 г смеси гидрида лития с нитридом лития, смешали с 6,48 л кислорода и взорвали. После приведения продуктов реакции к нормальным условиям объем газов, где объемная доля кислорода 12,5%, составил 2,56 л. Определите состав исходной смеси.

Ответ: 2 г LiH; 7 г Li3N.

15.Смесь гидрида и нитрида щелочного металла массой 38,75 г обработали водой и получили смесь газов, плотность которых по водороду равна 2,875. Определите металл и состав компонентов смеси.

Ответ: 18 г NaH; 20,75 Na3N.

ПОВТОРИМ И ЗАПОМНИМ

! Щелочные металлы образуют главную подгруппу I группы и обладают наиболее выраженными металлическими свойствами.

Это обусловлено строением атомов щелочных металлов, наружный энергетический уровень которых имеет конфигурацию ns1.

Каждый период начинается щелочным металлом. Они характеризуются максимальными радиусами внутри каждого периода. В подгруппе от Li к Fr радиусы атомов увеличиваются, ионизационные потенциалы уменьшаются, восстановительные свойства усиливаются.

Как самые активные металлы они взаимодействуют с большинством неметаллов. Из соединений натрия и калия большое значение имеют гидроксиды NaOH и КОН, относящиеся к сильным электролитам.

ГЛАВА 15 ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Изучив главу, следует:

знать особенности строения атомов элементов главной подгруппы II группы; уметь объяснить закономерности в изменении свойств элементов в пределах подгруппы; сопоставить свойства элементов данной подгруппы со свойствами щелочных металлов и охарактеризовать важнейшие соединения кальция.

§ 1. Общая характеристика элементов IIA-подгруппы

Элементы II группы — бериллий Be, магний Mg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радий Ra — составляют главную подгруппу. Бериллий и магний являются типическими и во многом отличаются от остальных элементов подгруппы. По своим свойствам бериллий напоминает алюминий, а магний больше похож на литий. В этом проявляется сходство между элементами, расположенными в Перио-

дической системе элементов Д.И. Менделеева в соседних группах по диагонали (диагональное сходство).

Три элемента — кальций, стронций и барий — щелочноземельные металлы. Название связано с тем, что оксиды этих металлов (алхимики называли их «землями») при растворении в воде образуют щелочи.

Ниже приведены электронные конфигурации атомов элементов данной подгруппы:

Наличие спаренных ns2-электронов на внешней оболочке указывает на то, что в невозбужденном состоянии атомы элементов данной подгруппы нуль-валентны. Переход в возбужденное состояние: