Элементы IA, IIA групп

Элементы IA, IIA групп Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 1 Элементы IA группы (щелочные металлы) Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 2 11Na 19K 37Rb 55Cs 87Fr ЛИТИЙ НАТРИЙ КАЛИЙ РУБИДИЙ ЦЕЗИЙ ФРАНЦИЙ (греч. λίθος — камень) (др.-греч. νίτρον – натрон, сода лат. sodium (араб. аль-кали — зола, поташ, лат. potassium) (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный) (от лат. caesius — небесноголубой) (лат. Francium – Франция) 3Li 1817 г. - Юхан Август Арведсон (Швеция) – анализ LiAl[Si4O10] - петалин известны еще в Др. Египте 1807 г. – Хемфри Дэви (Англия) - электролиз распл. NaOH, KOH 1860 г. (Cs), 1861 г. (Rb) – Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгофф (Германия) - спектрально Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 1939 г. – Маргарита Перей (Perey) (Франция) – анализ урановых руд 3 Физические свойства элементов IA группы В группе с Z:  r ,  ОЭО,  ЭИ (Cs – самая низкая ЭИ) Li: малый размер атома  высокая поверхностная плотность заряда (Li+) + низкое КЧ (4)  отличие химических свойств от IA группы – «диагональное сходство» с Mg Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 4 Физические свойства элементов IA группы Li, Na, K, Rb – (в н.у.) мягкие металлы (режутся ножом), хранят под слоем керосина (! +O2, +N2) Cs – (в н.у.) полужидкое состояние Вещество Цвет Li Na K серебристобелый Rb Cs золотисто белый Tпл., С T кип., C d, г/см3 179 1342 0.53 97.8 883 0.97 63.7 766 0.86 38.7 713 1.52 28.5 690 1.87 Fr – радиоактивен: Т1/2(22387Fr) = 21.8 мин  малодоступен для исследований Легкие, мягкие, пластичные, легкоплавкие, легколетучие. Высокая тепло- и электропроводность. Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 5 Химические свойства элементов IA группы      Активные металлы: низкие значения ОЭО и ЭИ Самые сильные восстановители:  rат ,  ЭИ (Cs – самый сильный) В соединениях – только катионы Ме+: легко Ме  Ме+ + е Химические связи ионные или сильно полярные ковалентные. Малый Z + большой rат  ионный потенциал ( = Z / r) невысокий  низкая способность к комплексообразованию, кроме Li: rат – малый   максимальный Химическая активность элементов в н.у. с кислородом: О2: Li + O2 Li2O – оксид Na + O2 Na2O2 – пероксид [Rb, Cs]: K + O2 KO2 – надпероксид, супероксид K + O3 KO3 – озониды - сильные окислители оксиды Na - Cs, K - Cs получают косвенно при T: Na2O2 + 2Na  Na2O KO2 + K  K2O Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 6 Химическая активность элементов в н.у.: Сульфиды: [Li – Cs]: Na + S  Na2S Фосфиды: [Li – Cs]: K + P  K3P Галогениды: [Li – Cs]: 2Li + F2 (Cl2, Br2, ж)  2LiF при перетирании возможен взрыв воспламенение [K, Cs]: 2K + I2  2KI Нитрид Li: 6Li + N2 (возд.)  2Li3N Гидрид Cs: 2Cs + H2  2CsH - единственный устойчивый NH3: [Li – Cs]: 2Na + 2NH3(р-р)  2NaNH2 + H2 H2O: [Li – Cs]: 2Na + 2H2O  2NaOH + H2 Li, Na – “спокойно”, Rb, Cs – со взрывом Кислоты (разб.) HCl, H2SO4  (HnA): [Li – Cs]: K + (HnA)разб  KnA + (n/2)H2 - очень бурно с образованием солей кислот Кроме: Li + HF и H3PO4  LiF,  Li3PO4 – м.р. соли на поверхности металла Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 7 Химическая активность элементов при нагревании (Т): Реагируют со всеми неметаллами: H2 (200 – 400С): [Li – Cs] 2Na + H2  2NaH - гидриды В (> 1000С): [Li – Cs] 2Na + 6B  Na2B6 - бориды С (> 200С): [Na – Cs] Na + С  Na2С2 - ацетилениды: HСCH -ацетилен только для Li: Li + С  Li3С4 - карбид Si (> 600С): [Li – Cs] K + Si  K4Si (Li4Si, Li2Si, LiSi2) - силициды N2 (> 130С): [Li – Cs] 6Na + N2  2Na3N - нитриды P (> 200С): [Li – Cs] 3Na + P  Na3P - фосфиды S (> 100С): [Li – Cs] 2Na + S  Na2S, Na2Sn - сульфиды, полисульфиды Hal2 (300- 600С): [Li – Cs] 2Na + Hal2  2NaHal - галогениды (Hal2 = F2, Cl2, Br2, I2) Все соединения с неметаллами, кроме галогенидов легко разлагаются в воде: Li2С2 + 2H2O  2LiOH + H2C2- ацетилен Li3N + 3H2O  3LiOH + 2NH3 Na2S + H2O  NaOH + NaHS Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 8 Свойства соединений элементов IA группы: Определение ионов K+ и Na+ в растворе (качественные реакции): 3K+ + Na3[Co(NO2)6]  3Na + + K3[Co(NO2)6]  - гексанитрокобальтат(III) калия (жёлтый осадок) Na+ + K[Sb(OH)6]  K + + Na[Sb(OH)6]  - гексагидроксостибат(V) натрия (белый осадок) Гидриды: (T) [Li – Cs]: 2NaH  2Na + H2 - LiH - самый тугоплавкий T = 850С [Li – Cs]: 2NaH + O2  2NaOH [Li – Cs]: 2LiH + H2O  2LiOH + H2 [Li – Cs]: KH + HCl  KCl + H2 (T) [Li – Cs]: 2NaH + CO2  HCOONa - формиаты (T) [Li – Cs]: 2LiH + N2г  2LiNH2 - амид, Li2NH -имид, Li3N – нитрид – производные аммиака (NH3) различной степени замещения Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 9 Оксиды, пероксиды, озониды : сильные окислители: [Na, K]2O2+ H2O: регенерация воздуха на субмаринах: Na2O2 + CO2 Na2CO3 + ½ O2 Гидроксиды (щелочи): только для LiOH: остальные MeOH [Na - Cs] плавятся без разложения! Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 10 Соли элементов IA группы: Известны для всех кислот, в твёрдом состоянии – кристаллогидраты ( 10 H2O) 2LiOH + H2SO4  Li2SO4 + 2H2O 2KOH + CO2  K2CO3 + H2O Галогениды MeHal, сульфаты Me2SO4, карбонаты Me2CO3 [Na - Cs] плавятся без разложения, кроме: Li2CO3 Li2O + CO2 нитраты: [Li - Cs]: KNO3  KNO2 + O2 - расплавы - окислители гидрокарбонаты: - кальцинация получение соды по методу Сольве: Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 11 Области применения соединений элементов IA группы  Химические источники тока  Получение сплавов  Восстановители в органическом синтезе  Производство удобрений  Гальванотехника  Медицина: Изотонический (физиологический) раствор NaCI (0.9 %, 0.15 М) – инъекции, кровезаменитель. Гипертонические растворы NaCI (3; 5 и 10 %) – обезвоживание + плазмолиз бактерий = антимикробное действие, наружно при лечении гнойных ран, воспалительных процессов в полости рта и в случаях обширных ожогов. Гидрокарбонат натрия, или питьевая сода, NаНСО3 - антимикробное действие, хим. ожоги, понижение pH желудочного сока: HCO3¯ + H2O  H2CO3 + OH¯ Тетраборатдекагидрат натрия Na2B4О7 10Н2О (бура) – антисептик, средство для полосканий, спринцеваний и смазываний: Na2B4О7 + 7Н2О  4НзВОз + 2NaOH Сульфатдекагидрат натрия Na2SО4  10Н2О (глауберова соль) применяют в качестве слабительного средства. В клетках коры головного мозга: избыток Na+: угнетение деятельности ЦНС (депрессия); избыток K+: возбуждение ЦНС (маниакальное состояние). Хлорид калия KCl - при гипокалиемии - пониженном содержании калия. Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 12 Атом 133Cs является стандартом для измерений времени и частоты С 1967 года в международной системе единиц СИ : 1 секунда, с = 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома 133Cs. Атомные часы (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул (Cs, Hg, H2 и др.) Погрешность Cs часов = 10-8 с/сутки = 1 с/20’000’000 лет. 1967 г. Пр-во: HP. Погрешность = 1 с/300 лет. Rb - часы 1955 г. Погрешность = 1 с/300 лет. Точность определения секунды  точность определения других основных единиц: 1 метр, м = расстояние, которое проходит свет в вакууме за (299 792 458)-1 с Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 13 Биологическая роль катионов элементов IA группы Na+, К+ (ns0): устойчивая ЭК + низкая плотность положительного заряда = их внешние sорбитали не взаимодействуют с неподелёнными e¯-парами :O: молекул H2O, т.е. удерживаются в гидратной оболочке без образования химических связей, не гидролизуются и, практически, не проявляют склонность к комплексообразованию. Na+ и К+ в живых системах антагонисты: К+ компонент, преимущественно, внутриклеточных жидкостей (~ в 35 раз больше), а Na+ - межклеточных жидкостей (~ в 15 раз больше). К+ в биологических системах: в цитоплазме клеток. Основная роль: поддержание Pосм. внутри клетки, активация ферментативных систем для синтеза белка на рибосомах, для окисления углеводов (гликолиз) и для процессов гидратации и дегидратации CO2, а также участие в работе гемоглобиновой и оксигемоглобиновой буферных систем (в эритроцитах). Натрий-калиевый насос: перенос ионов Na+ и К+ через клеточную мембрану: затраты энергии изза разности (градиента) концентраций: Гидролиз одной молекулы АТФ = энергия для переноса 3Na+ в клетку и 2К+ из клетки Na+ в биологических системах: плазма крови, лимфы, спинномозговой жидкости и любой межтканевой жидкости. Основная роль: поддержание Pосм., удержание H2O тканями, регуляция водного обмена и кислотно-основного равновесия в органах (вместе с НСО3-, HPO42-, Н2РО4-). Участвует в процессе передачи нервных импульсов и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток (также К+, Са2+, Mg2+, Cl-). Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 14 Элементы IIA группы (щелочноземельные металлы) Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 15 4Be БЕРИЛЛИЙ (др.-греч. βήρυλλος зеленый, драгоценный камень) 1798 г - Луи Никола Воклен (Франция), ВеО 12Mg 20Ca МАГНИЙ КАЛЬЦИЙ СТРОНЦИЙ от названия др. города Магнесиа в Малой Азии (от греч. χάλιξ – мягкий камень, известняк) (от названия шотландской деревни Строншиан) 38Sr 56Ва 88Ra БАРИЙ РАДИЙ (от др.-греч. βαρύς — «тяжёлый») (лат. radius — луч) Электролиз амальгам, расплавов оксидов и солей 1808 г – Хемфри Деви (Англия) Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) Из урановых руд 1910 г – Мария Кюри и Андре Дебьерн (Франция) 16 Физические свойства элементов IIA группы В группе с Z:  r ,  ОЭО,  ЭИ У Be, как у Li: малый радиус, высокая ЭО  химические связи ковалентные Типичные металлы. Высокая тепло- и электропроводность. Возможная степень окисления +2. Be, Ca, Mg – легко образуют комплексные соединения  биологическая роль Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 17 Химические свойства элементов IIA группы: амфотерность Be и его соединений Амфотерность Be: «диагональное сходство» с Al: Be + 4H2O + 2H+  [Be(H2O)4]2+ + H2 Be + 2H2O + 2OH-  [Be(OH)4]2- + H2 при сплавлении кристаллических оксидов: BeO + SiO2  BeSiO3 – силикат Ве BeO + Na2O  Na2BeO2 – бериллат натрия основный кислотный при нагревании (в растворе): BeO + 3H2O + 2H+  [Be(H2O)4]2+ основный BeO + H2O + 2OH-  [Be(OH)4]2кислотный гидролиз соединений: BeS + 2H2O  Be(OH)2 + H2S Be3N2 + 6H2O  3Be(OH)2 + 2NH3 соли Be: основный: Na2S + BeS  Na2BeS2 кислотный: BeS основный: BeF2 + SiF4  Be[SiF6] кислотный: + SiS2  BeSiS3 2KF + BeF2  K2[BeF4] Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 18 Химические свойства элементов IIA группы: Mg - Ba Химическая активность элементов в н.у.: неустойчивы на воздухе: Ве, Мg + O2  - защитные плёнки м.р. оксидов BeO, MgO [Ca, Sr] Ba + O2  BaО - воcпламеняется  металлы хранят под керосином реагируют в н.у. с неметаллами, H2O, NH3, HnA: Hal2: Ва + Hal2  BaHal2 - Hal2 = F2 – I2 O2: Ba + O2  BaO2 - пероксид N2: [Ca, Sr] Ba + N2  Ba3N2 - нитрид HnA: [Ве - Ba] Ве + HCl  ВеCl2 + H2 CO2: [Ca, Sr] 2Ba + 3CO2  2BaCO3 + C NH3: [Ca, Sr] Ba + 2NH3(р-р)  Ba(NH2)2 + H2 H2O: [Ca, Sr] Ca + H2O  Ca(OH)2 + H2 Всегда – восстановители Be + HNO3, H2SO4 (конц., разб. холод)  пассивация (оксидная плёнка, как у Al) Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 19 Химические свойства элементов IIA группы: Mg - Ba Химическая активность элементов при нагревании (Т): 1. Горят в О2, N2 и Hal2 2. Взаимодействуют с менее активными неметаллами: S: [Ca, Sr] Ba + S  BaS P: [Ca, Sr] Ba + P  Ba3P2 H2: [Ca, Sr] Ca + H2  2CaH2, кроме Ве + H2  Окрашивание пламени: Са2+ - жёлто-оранжевое Sr2+ - карминово-красное Ba2+ - зелёное 3. Взаимодействуют с HnA - окислителями: [Ве - Ba] 3Be + 8HNO3(разб, гор.)  3Be(NO3)2 + 2NO + 4H2O 4Mg + 5H2SO4(конц, гор.)  4MgSO4 + H2S + 4H2O Пероксиды (сильные окислители): ВеO2 – неизвестен BaO + O2  2BaO2 Ca(OH)2 + H2O2  2CaO2 + H2O 2BaO2  2BaO + О2 Mg(OH)2 + H2O2  2MgO2 + 2H2O Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 20 Соли Са2+ и Mg2+: жёсткость воды «Жёсткая» вода: при кипячении образуется много накипи, мыло не пенится :  вода содержит много гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов Са2+ и Mg2+. Накипь неэкономична: осадки карбонатов на стенках бытовых приборов и промышленных установок  увеличение энергозатрат на нагревание. Накипь опасна: поверхность налёта накипи пористая, в порах могут скапливаться газы  взрыв. СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ЖЁСТКОСТЬЮ: 1. Ионообменный способ (подходит для любого типа жёсткости): Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 21 Соли Са2+ и Mg2+: жёсткость воды Жёсткость бывает: временная и постоянная Виды воды по содержанию солей: 2. Временная (гидрокарбонатная) : легко устраняется при кипячении воды: Са(НСО3)2  СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О или химически: Са(НСО3)2 + Са(ОН)2  2СаСО3↓ + 2Н2О 3. Постоянная жёсткость  содержание хлоридов и сульфатов кальция и магния: устраняется химически: CaSO4 + Na2CO3  CaCO3↓ + Na2SO4 3CaSO4 + 2Na3PO4  Ca3(PO4)2↓ + 3Na2SO4 КОЛИЧЕСТВЕННО о жёсткости: Единица жёсткости, Ж: 1 миллимоль-эквивалент /л = 20.04 мг Са2+/л или = 12.16 мг Mg2+/л Mэ (Са2+) = 20.04 г/моль; Mэ (Mg2+) = 12.16 г/моль Жёсткость воды определяется: Жобщая = m(Са2+) [мг] / 20.04 [г/моль] + m(Mg2+) [мг] / 12.16 [г/моль] Жпо катиону = mкатиона/соли [мг] / (Mэ катиона/соли [г/моль]Vводы [л]) N1V1 = N2V2 Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 22 Применение элементов IIA группы Берилл: Al2Be3(Si6O18) + Fe2+, Cr3+ изумруд (смарагд) + Fe2+ аквамарин + Fe3+ гелиодор + Cs+, Rb+, Mn2+, воробьевит Металлургия и атомная промышленность: Be – источник, замедлитель, отражатель нейтронов, устойчив к облучению  рентгеновские трубки Mg - Ва – восстановители в металлургии, раскислители стали, осушители жидкостей, получение металлов методом металлотермии, выплавка бронз, электровакуумная техника, получение сталей Sr – радиоактивный изотоп 90Sr (Т½ = 27.7 года) используется как маркёр для изучения биологических процессов, при лечении глазных и кожных болезней Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 23 Биологическая роль элементов IIA группы Mg2+ и Ca2+ склонны к образованию комплексов! В организме взрослого человека содержится: Mg2+~ 42 г, а Ca2+ ~ 1700 г. Из них в костной ткани: ½ Mg2+ и ~ 99 % Ca2+ Oстальное: в мягких тканях. Комплексообразовательная способность Mg2+ > Ca2+  магний(II) более «жёсткий» ЦА, чем кальций(II)  Mg2+ - образует связи по донорно-акцепторному механизму с белковыми молекулами, содержащими O и P, а Ca2+ - с содержащими O и N. «Вне костный» Mg2+ сосредоточен внутри клеток (как К+). Из него: в крови в виде [Mg(H2O)6]2+ - ~ 60%, из них 30% - связано с белками, остальное – с фосфолипидами и нуклеотидами. Функции при комплексообразовании: для поддержания Pосм, активация ферментативных процессов, регуляция нервных импульсов дыхания и кровеносных сосудов (давление). «Вне костный» Ca2+ сосредоточен в межклеточной жидкости (как Na+). Общая концентрация Ca2+ в плазме крови составляет 2,5 ·10-З M. Из них: ~ 40 % связано в комплексы с белками, ~ 14 % - в комплексы с лактатами и цитратами и ~ 46 % находится в ионизованной форме. При гиперкальциемии - высокой концентрации Ca2+ в плазме - назначают внутрь Na2HPO4, для предотвращения всасывания Ca2+, поступающего с пищей. В тяжёлых случаях вводят внутривенно смесь Me2HPO4 и MeH2PO4, где Me = Na+ и K+. (Как и почему это работает?) Для связывания Ca2+ также используются соли лимонной кислоты (цитрат натрия), которые предотвращают свёртывание крови при её консервации на станциях переливания крови. (Как и почему это работает?) Обмен кальция в организме регулируется гормонами паращитовидной и щитовидной желёз, а также витамином D. Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 24 Биологическая роль элементов IIA группы Ca2+ в костной ткани: Ca5(PO4)3OH – гидроксилапатит или Ca5(PO4)3F – зубная эмаль - твёрже менее растворима, чем гидроксилапатит. Функции: передача нервного импульса, сокращение мышц, регуляция сердечного ритма, свертывание крови, понижает возбудимость ЦНС, поэтому недостаток Ca2+ проявляется в судорогах, влияет на кислотно-основной баланс организма, действие эндокринных желёз, а также обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием. Ca2+ - биологический антагонист ионов Na+, K+ и Mg2+ В медицинской практике используются соединения Mg2+ и Ca2+: Оксид магния MgO - жжёная магнезия - основной карбонат магния Mg(OH)2  4МgСО3  Н2О (белая магнезия), кальция карбонат СаСО3 - мел осаждённый - являются основными антацидными средствами, применяемыми для уменьшения кислотности желудочного сока. Как это работает? Магния сульфат MgSО4 ·7Н2О - горькая соль или магнезия - используют при гипертонии, как слабительное и желчегонное средство, а также как успокаивающее средство для ЦНС. Кальций хлористый CaCI2· 6Н2О применяют как противовоспалительное и антиаллергическое средство, для снятия сердечно-сосудистого спазма, для улучшения свёртывания крови, при переломах костей и ревматизме. Органические соединения кальция: глютаминат, глюконат, глицерофосфат, аденозинтрифосфат, пантотенат и пангамат Са применяют как общеукрепляющие средства. Гипс CaSО4 широко используют в травматологической и стоматологической практике, так как при замешивании его с водой образуется нерастворимый CaSО4  2Н2О: CaSО4  2Н2О + 3Н2О  2 (CaSО4  2Н2О), т.е. происходит быстрое затвердение с некоторым увеличением объёма. Это используют для фиксации при переломах костей и получения слепков в стоматологии. Химия элементов. Элементы IA, IIA групп. (МФ-1) 25