2 Лекция: «Щелочные и щелочноземельные металлы»

Содержание:

1. Открытие элементов

2. Положение элементов в таблице Менделеева

3. Цветные пламена щелочных и щелочноземельных металлов

4. Цветные реакции на некоторые катионы; решение задач на тему лекций

5. Практическая работа

Открытие элементов:

• В 1857 году Роберт Бунзен, профессор химии знаменитого университета в маленьком немецком городке Гейдельберге, придумал газовую горелку, которая и сейчас применяется в любой химической лаборатории. В том же университете работал и профессор физики Густав Кирхгоф. В 1859 году вместе с Бунзеном он разработал простой прибор, который назвали спектроскопом.

Рис. 1. Спектроскоп Бунзена–Кирхгофа

Рис. 2. Схема устройства спектроскопа Бунзена–Кирхгофа: спектр (1), телескопическая система (2), призма (3), коллиматор (4), диафрагма (5), источник света (6)

Прибор состоял из стеклянной призмы в виде клина и двух половинок подзорной трубы с выпуклыми линзами. Все эти детали были помещены в корпус, сделанный из деревянной сигарной коробки (на рисунке не показан). Лучи света, проходя через призму, образовывали цветной спектр с фиолетовой частью на одном конце и красной частью – на другом. Между ними располагались желтые, зеленые, синие и другие части спектра.

Когда Бунзен и Кирхгоф ввели в пламя газовой горелки кристаллик хлорида натрия NaCl, выходящий после призмы пучок света содержал пару ярко-желтых линий.

Рис. 3. Спектр хлорида натрия

Если же в пламя они вводили каплю водного раствора хлорида стронция SrCl₂, на белом экране появлялись две яркие красные линии. Оказалось, что каждый атом, в каком бы соединении он ни находился, имеет свой набор линий в спектре. Эти линии назвали спектральными.

В 1860 году Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом при помощи изобретенного ими спектроскопа был открыт новый элемент цезий Cs. В спектре сухого остатка после выпаривания воды минеральных источников Дюркхейма они нашли две неизвестные голубые линии. Цвет этих линий и дал им повод назвать новый элемент цезием: слово «цезиум» у древних римлян означало голубой цвет неба. Год спустя Бунзен и Кирхгоф, изучая спектр одной из солей калия, обнаружили в нем две новые спектральные линии, лежащие в самой дальней красной части спектра. По цвету этих линий новый элемент был назван рубидием Rb – латинское слово «рубидус» означает «темно-красный».

Металлический рубидий впервые выделил Бунзен в 1863 году восстановлением одной из его солей углеродом, а металлический цезий удалось получить только в 1882 году шведскому химику Карлу Сеттербергу электролизом расплава цианида цезия CsCN в азотной защитной атмосфере.

• Франций впервые был обнаружен в природе, хотя и считается синтезированным элементом. Это открытие принадлежит французской исследовательнице М.Перей. В 1939г она доказала, что актиний (Ас₈₉) в очень редких случаях распадается, испуская α – частицу (обычно β – активен). Продуктом α – распада актиния и оказался франций. Свое название он получил в честь родины исследовательницы – Франции.

• Литий был открыт шведским химиком А.Арфведеоном, и получил свое название от греческого «литос», что означает «камень». Это объясняется тем, что минерал петалит (LiAl[Si₄O₁₀]), при анализе которого был выделен литий, очень похож на обычный камень.

• Приоритет открытия натрия и калия принадлежит английскому физику и химику Г.Дэви. В 1807г он выделил натрий электролизом NaOH. Элемент получил свое название от древнееврейского слова «neter» (лат. Nitrum) – «вещество, вскипающее при смещении с уксусом». В Западной Европе это соединение назвали от арабского слова «Sodium или сода».

Также в 1807г при электролизе расплавленного едкого кали Дэви выделил калий. Причем открытие калия могло стоить Гэмфри Дэви жизни. А дело было так. Пропуская электрический ток через платиновые электроды, погруженные в расплавленный гидроксид калия, Дэви обнаружил у анода появление маленьких серебристых капель металлического калия, которые, вырастая в размерах, загорались и с треском разрывались на более мелкие частицы, разлетающиеся по лаборатории. Не зная характера взаимодействия нового металла с водой, Дэви погрузил тигель со значительным количеством калия в воду. Тотчас раздался взрыв, осколки стекла и капли калия попали ему в лицо. Неосторожность обернулась для Деви потерей правого глаза и глубокими шрамами на лице. Не только он пострадал от «коварного» металла.

Гей – Люссак и Тенар при одной из попыток получить калий путем нагревания смеси гидроксида калия и порошка железа едва не погибли из – за взрыва лабораторной установки. Гей – Люссак провел в постели, отправляясь от ран, почти полтора месяца. Все выше сказанное напоминает о крайней осторожности при работе со щелочными металлами.

• Кальций так же как и калий был открыт Г.Дэви с помощью электролиза в 1808г. Названия элементов с атомными номерами 19 и 20, калий и кальций, в русском языке очень похожи. Но происхождение этих слов различно. Название «калий» идет от арабского «аль – кали» – «зола». В золе действительно довольно много этого элемента. Название же кальция происходит от латинского слова «калькс», которым обозначали не только известняк, мел и мрамор, где есть кальций, но и многие другие легко обрабатываемые минералы, где кальция может и не быть.

• В 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Стронциан был найден минерал, который назвали стронцианитом. Долгое время его считали разновидностью флюорита CaF₂ или витерита ВаCO₃, но в 1790 г. английские минералоги Кроуфорд и Крюикшенк проанализировали этот минерал и установили, что в нем содержится новая «земля», а говоря нынешним языком, окисел.

Независимо от них тот же минерал изучал другой английский химик – Хоп. Придя к таким же результатам, он объявил, что в стронцианите есть новый элемент – металл стронций.Видимо, открытие уже «витало в воздухе», потому что почти одновременно сообщил об обнаружении новой «земли» и видный немецкий химик Клапрот.

В те же годы на следы «стронциановой земли» натолкнулся и известный русский химик – академик Товий Егорович Ловиц. Его издавна интересовал минерал, известный под названием тяжелого шпата. В этом минерале (его состав BaSО₄) Карл Шееле открыл в 1774 г. окись нового элемента бария. Не знаем, отчего Ловиц был неравнодушен именно к тяжелому шпату; известно только, что ученый, открывший адсорбционные свойства угля и сделавший еще много в области общей и органической химии, коллекционировал образцы этого минерала. Но Ловиц не был просто собирателем, вскоре он начал систематически исследовать тяжелый шпат и в 1792 г. пришел к выводу, что в этом минерале содержится неизвестная примесь. Он сумел извлечь из своей коллекции довольно много – больше 100 г новой «земли» и продолжал исследовать ее свойства. Результаты исследования были опубликованы в 1795 г.

Так почти одновременно несколько исследователей в разных странах вплотную подошли к открытию стронция. Но в элементарном виде его выделили лишь в 1808 г.Выдающийся ученый своего времени Хэмфри Дэви понимал уже, что элемент стронциановой земли должен быть, по-видимому, щелочноземельным металлом, и получил его электролизом, т.е. тем же способом, что и кальций, магний, барий. А если говорить конкретнее, то первый в мире металлический стронций был получен при электролизе его увлажненной гидроокиси. Выделявшийся на катоде стронций мгновенно соединялся с ртутью, образуя амальгаму. Разложив амальгаму нагреванием, Дэви выделил чистый металл.

• История элемента бария уходит истоками в далекое средневековье, когда в Европе повсюду бушевали алхимические страсти, разжигаемые идеей получения золота из "недефицитных" материалов.

В 1602 году болонский сапожник и по совместительству алхимик Касциароло подобрал в окрестных горах камень, который оказался настолько тяжелым, что не заподозрить в нем присутствие золота мог только полный профан. Но Касциароло был не таков. Перед ним засияли радужные перспективы, и он, притащив находку в свою сапожно-алхимическую мастерскую, тут же принялся за работу. Для начала решено было прокалить камень с углем и олифой. И хоть выделить золото при этом почему-то не удалось, опыт принес явно обнадеживающие результаты: охлажденный продукт прокаливания светился в темноте красноватым светом.

Будучи человеком общительным, Касциароло не стал скрывать от своих коллег-алхимиков тайну необычного камня. Это сенсационное сообщение привело золотоискательскую братию в состояние поисковой горячки: найденный минерал, получивший ряд названий - "солнечный камень", "болонский камень", "болонский самоцвет", стал главным участником всевозможных реакций и экспериментов. Но время шло, золото и не думало выделяться, и интерес к новому минералу постепенно пропал.

Лишь спустя полтора столетия, в 1774 году, известные шведские химики Карл Шееле и Юхан Ган подвергли "болонский камень" тщательному исследованию и установили, что в нем содержится особая "тяжелая земля", которую сначала назвали "барот", а затем - "барит" (от греческого слова "барос"-тяжелый). Сам же металл, образующий эту "землю", был наречен барием.

В 1808 году англичанин Гэмфри Дэви электролитическим путем выделил из барита металлический барий. И поскольку он оказался сравнительно легким металлом (плотность 3,7 г/см3), английский химик Кларк предложил сменить название "барий", не соответствующее его истинному положению среди других металлов, на "плутоний" - в честь мифического властителя подземного царства бога Плутона. Однако предложение Кларка не встретило поддержки у других ученых, и легкий металл продолжал именоваться "тяжелым" (в русской химической литературе начала XIX века этот элемент иногда фигурировал под названием "тяжелец"). Заметим, что по современной технической классификации барий - действительно самый тяжелый представитель группы легких металлов

• Изучая лучи, испускаемые ураном, французские ученые П.Кюри и М.Склодовская – Кюри обнаружили, что некоторые урановые минералы более активны, чем сам металл или его соединения. Возникло предположение: в минералах содержатся еще неизвестные радиоактивные элементы. Этому предположению суждено было дважды подтвердиться. В 1898г 18 июля супруги Кюри сообщили об открытии полония, а 26 декабря стало днем рождения радия. Свое название он получил за свое радиоактивное излучение (от латинского слова «радиус» – «луч»).

Положение элементов в таблице Менделеева:

К щелочным металлам относятся все металлы главной подгруппы первой группы элементов т. Менделеева: литий (Li), натрий (Na), калий (К), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). Их называют щелочными, потому что при растворении в воде образуют растворимые гидроксиды, называемые щелочами. Щелочные металлы, кроме Cs, обладают серебристым металлическим блеском, Cs - имеет золотисто-желтую окраску. Все щелочные металлы очень мягки, легко режутся (кроме Li). Рубидий, цезий и франций при обычной температуре почти пастообразны. В чистом виде металлы не встречаются, ввиду их большой активности, только в виде соединений. Ионы щелочных металлов входят в состав многих растворимых минералов:

NaCl - поваренная соль (каменная соль), галит

Na₂SO₄· 10H₂O - глауберова соль (мирабилит)

NaNO₃ - чилийская селитра

Na₃AlF₆ - криолит

KCl - сильвин

KCl*NaCl – сильвинит.

К металлам главной подгруппы второй группы относятся: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra). Последний четыре (Ca, Sr, Ba, Ra) называют щелочноземельными металлами, так как их гидроксиды Me(OH)₂ обладают щелочными свойствами, а их оксиды по своей тугоплавкости сходны с оксидами тяжелых металлов называвшимися раньше «землями». Ионы щелочноземельных металлов встречаются в природе в виде малорастворимых соединений:

CaCO₃ – кальцит, мел, мрамор

SrCO₃ – стронцианит

BaCO₃ – витерит

CaSO₄ – ангидрит, гипс

SrSO₄ – целестин

BaSO₄ – барит

Цвета пламеней горелок катионов щелочных и щелочноземельных металлов:

Существуют металлы, соли которых окрашивают пламя в различные цвета. Это свойство солей металлов используют для приготовления цветных огней для салютов и римских свечей. Мы тоже можем наблюдать цветные пламена.

Например соли лития и рубидия пламя в карминово – красный цвет, стронция – в красный цвет, кальция — в оранжевый, натрия — в желтый, бария — в желто – зеленый, калия — в фиолетовый. Чтобы увидеть эти цветные пламена, предварительно нужно будет скрутить на конце нихромовой проволоки небольшую петлю так, чтобы на ней могло уместиться несколько кристалликов вещества. Чтобы получить цветное пламя, в пламя сухого горючего на нихромовой проволоке вносят несколько кристалликов соли.

Приведем цвета пламени в виде таблицы:

Катионы	Цвет пламени	Рисунок
Li+
Na+
K+, Rb+, Cs+
Ca2+
Sr2+
Ba2+

Качественные реакции на некоторые катионы:

1. Качественные реакции на катион Li⁺:

а.) Реакция окрашивания пламени. Соли лития окрашивают пламя в карминово – красный цвет.

б.) Реакция иона лития с соединениями фтора.

L

прозрачный мелкокристаллический осадок

iOH + HF LiF + H₂O

Li⁺ + F⁻ LiF

в.) Реакция иона лития с силикатом калия.

2

белый осадок

LiCl + K₂SiO₃ 2KCl + Li₂SiO₃

2Li⁺ + SiO₃⁻ Li₂SiO₃

г.) Реакция иона лития с ортофосфатом натрия.

3

белый кристал-

лический осадок

LiBr + Na₃PO₄ 3NaBr + Li₃PO₄

3Li⁺ + PO₄⁻ Li₃PO₄

2. Цветные реакции на катион К⁺:

а) Горячей платиновой или хромовой проволочкой коснуться соли калия и внести в пламя горелки. Соли калия окрашивают пламя в бледно-фиолетовый цвет.

б) Реакция иона калия с винной кислотой. Условия реакции: рН=4-7, потереть стеклянной палочкой о внутренние стенки пробирки в растворе.

КBr + NaHC₄Н₄О₆ КНС₄Н₄О₆ + NaВr

1-2 кап. 1 кап. белый осадок

К⁺ + HC₄Н₄О₆⁻ КНС₄Н₄О₆

в) Реакция иона К⁺ с гексанитрокобальтатом натрия.

2КВr + Na₃[Cо(NО₂)₆] К₂Na[Cо(NО₂)₆] + 2NaВr

желтый осадок

2 К⁺ + Na⁺ + [Cо(NО₂)₆] ⁻³ К₂Na[Cо(NО₂)₆]

3. Цветные реакции на катион Na⁺:

а) Действие кислого ортосурьмянокислого калия. Условия реакции рН=7, потереть стеклянной палочкой внутренние стенки пробирки, охлаждение раствора.

N

белый мелкокристаллический осадок

a₃РО₄ + КН₂SbО₄ NaН₂SbО₄ + К₃РО₄

1-2 кап. 1-2 кап.

Na⁺ + Н₂SbО4⁻ NaН₂SbО₄

б) Реакция окрашивания пламени. Соли Na⁺ окрашивают пламя в желтый цвет.

4. Цветные реакции на катион Сa²⁺:

а.) Реакция окрашивания пламени. Соли Сa²⁺ окрашивают пламя в желто – оранжевый цвет.

б.) Реакция на катион кальция со щавелевокислым аммонием (оксалат аммония) в уксуснокислом растворе образует белый кристаллический осадок.

CaCl₂ + (NH₄)₂C₂O₄ 2NH₄Cl + CaC₂O₄

Сa²⁺ + C₂O₄²⁻ CaC₂O₄

5. Цветные реакции на катион Ba²⁺:

а.) Реакция окрашивания пламени. Соли Вa²⁺ окрашивают пламя в желто – зеленый цвет.

б.) Реакция иона бария с хроматом калия

B

ярко – желтый

осадок

a(NO₃)₂ + K₂CrO₄ 2KNO₃ + BaCrO₄

в.) Серная кислота и ее соли образуют белый кристаллический осадок сульфата бария, нерастворимого в кислотах и щелочах:

Ba²⁺ + SO₄⁻ BaSO₄

Задания по теме: «Цветные пламена»:

1. Задача: элементы А и В принадлежат к 1 группе, а элемент С к 7 группе. Соединение элементов А и С растворимо в воде и окрашивает пламя в фиолетовый цвет, а соединение В и С имеет белую окраску и нерастворимо ни в воде ни в кислотах, Что представляют собой элементы?

2. Задача: на вещество А подействовали серной кислотой, при этом выделился бесцветный газ Б с резким запахом. Газ Б пропустили через окрашенный водный раствор простого жидкого вещества В. Окраска раствора при этом исчезла. При добавлении к полученному раствору соли бария выпадает белый осадок, нерастворимый в кислотах. При пропускании же через полученный бесцветный раствор желто-зеленого газа Г вновь появляется окраска и образуется вещество В. Вещество А окрашивает пламя в желтый цвет. Расшифруйте вещества и напишите уравнения соответствующих реакций.

3. Задача: даны три соли. Первая соль окрашивает пламя в фиолетовый, вторая - в желтый цвет. Раствор третьей соли образует белый осадок с раствором первой соли, желтый осадок с раствором второй соли и белый творожистый осадок с раствором нитрата серебра. Назовите заданные соли, ответ подтвердите соответствующими уравнениями реакций.

Практическая работа:

1. Опыты на определение цвета пламени катионов

2. Проведение некоторых качественных реакций на катионы металлов

+ видео ролики:

1. Цвета пламён катионов щелочных и щелочноземельных металлов

2. Реакции ионного обмена

3. KMnO4_1.avi.