План лекции

1. Положение s-элементов в периодической системе Д.И. Менделеева. Степени окисления.

2. Физические и химические свойства s- элементов.

3. Водородные и кислородные соединения s-элементов.

4. Калийные удобрения.

12.1 Положение s-элементов в периодической системе Д.И. Менделеева

В периодической системе 14 s-элементов. Все эти элементы, кроме водорода и гелия, являются металлами и расположены в главных подгруппах 1 и 2 групп ПС. На внешнем слое у щелочных металлов (Li – Fr) на s-подуровне 1 электрон (ns¹, где n – номер периода в ПС). Степени окисления 0,+1. Вторая группа s-элементов (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) имеет на s-подуровне 2 электрона (ns²) и степени окисления 0, +2. Элементы Ca, Sr, Ba и Ra называются щелочно-земельными, так как по своим свойствам они похожи на щелочные металлы, а их оксиды на оксиды редкоземельных элементов. Be и Mg не относятся к щелочно-земельным элементам. У бериллия оксид и гидроксид амфотерны.

12.2 Физические и химические свойства s-элементов

Щелочные металлы – типичные металлы. Они имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводность, характерный блеск чистой поверхности, пластичность. Щелочноземельные значительно тверже. Щелочные металлы и в меньшей степени щелочноземельные активно взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому их хранят под слоем керосина.

12.3 Водородные и кислородные соединения s-элементов

С водородом образуют соединения состава ЭH и ЭH₂ – гидриды. Это солеобразные соединения, в которых степень окисления водорода -1. Термически устойчивы, легко разлагаются водой. При непосредственном взаимодействии с кислородом щелочные металлы образуют перекисные соединения (кроме лития). Оксиды имеют состав Э₂O и ЭO. Это оксиды основного характера, за исключением амфотерного BeO. Растворяются в воде (кроме BeO и MgO). Гидратные формы ЭOH и Э(OH)₂ – являются щелочами (кроме нерастворимых амфотерного Be(OH)₂ и основного Mg(OH)₂). Основные свойства в подгруппах щелочных и щелочно-земельных элементов усиливаются с ростом радиуса.

12.4 Калийные удобрения

Катионы калия входят в состав растительной клетки. Они участвуют в 60 реакциях, протекающих в клетке. Особенно важной является их роль в водном обмене клетки. Калийные удобрения – K₂CO₃ (зола растений), KCl, K₂SO₄ и т.д.

Лекция 13. Общая характеристика p-элементов периодической системы (2 часа).

План лекции

1. Положение p-элементов в периодической системе.

2. p-элементы 3 группы ПС. Борные удобрения.

3. p-элементы 4 группы ПС. Углерод как основа жизни на земле.

4. p-элементы 5 группы ПС. Азот и фосфор – макроэлементы.

5. p-элементы 6 группы ПС. Значение кислорода и серы для живых организмов.

6. p-элементы 7 группы ПС.

7. p-элементы 8 группы ПС.

13.1 Положение p-элементов в пс

В периодической системе p-элементы находятся в главных подгруппах с 3 по 8 группу. Это 30 элементов, у которых идет заполнение p-подуровня от 1 до 6 электронов (ns² np^1-6).

13.2 p-элементы 3 группы ПС

К третьей группе относятся элементы B, Al, Ga, In и Tl (валентные орбитали ns²np¹). Степени окисления 0, +1, +3.

Водородные соединения: гидриды бора (бораны) термодинамически неустойчивы. Гидрид бора BH₃ в обычных условиях не существует. Известно несколько десятков соединений бора с водородом, простейшее из которых B₂H₆ – диборан. Гидрид алюминия (AlH₃)_n – алан твердое нелетучее полимерное соединение, которое нельзя получить синтезом из простых веществ. Гидриды галлия и индия также полимерны, получают косвенным путем. Гидриды p-элементов 3 группы неустойчивы и легко разлагаются водой с выделением водорода.

Элементарный бор химически инертен. Бор неметалл и его оксид (B₂O₃) носит кислотный характер. В качестве гидратной формы ему соответствует борная кислота (H₃BO₃). Это слабая одноосновная кислота. Алюминий, галлий и индий амфотерные металлы. Оксиды Э₂O₃ и гидратные формы Э(OH)₃ амфотерны. С увеличением радиуса усиливается основной характер соединений. Так Tl₂O₃ и Tl(OH)₃ обладают основными свойствами, а TlOH – щелочь.

Бор является микроэлементом. Его соединения используются в качестве микроудобрений. Это борная кислота H₃BO₃ и бура Na₂B₄O₇. Недостаток бора приводит к тому, что растения перестают плодоносить.

13.3 p-элементы 4 группы ПС

В четвертой группе p-элементов находятся C, Si, Ge, Sn и Pb (валентные орбитали ns²np²). Степени окисления -4, -2, 0, +2, +4.

Углерод и кремний являются неметаллами. Германий полуметалл, а олово и свинец металлы. Водородные соединения общей формулы ЭH₄ являются неустойчивыми соединениями (кроме CH₄). Оксиды углерода и кремния в степени окисления +2 (CO, SiO) являются несолеобразующими оксидами, а GeO, SnO и PbO амфотерны. При этом от GeO к PbO усиливаются основные свойства.

В степени окисления +4 оксиды CO₂ и SiO₂ носят кислотный характер, а GeO₂ , SnO₂ и PbO₂ амфотерны с преобладанием кислотных свойств, при этом кислотные свойства ослабевают от германия к свинцу. Для свинца степень окисления +4 неустойчива. Соединения свинца(IV) - сильные окислители. Это объясняется экранированием 6s²-подуровня орбиталями 4f и 5d (6s²4f¹⁴5d¹⁰6p²).

Углерод входит в состав всех живых и растительных организмов. Это восполняемый макроэлемент. Кремний входит в состав земной коры, на нем, в полном смысле, стоит земная цивилизация.

13.4 p-элементы 5 группы ПС (пниктогены).

В 5 группе p-элементов находятся N, P, As, Sb и Bi. На валентном слое 5 электронов. Строение валентных орбиталей ns²np³. Степени окисления –3, 0, +3, +5 .

Азот и фосфор типичные неметаллы, мышьяк и сурьма тоже неметаллы, однако, у них появляются некоторые свойства металлов. Висмут является металлом.

Для него не характерна степень окисления +5, так как 2 электрона s-подуровня зкранированы 4f и 5d-подуровнями (6s²4f¹⁴5d¹⁰6p³). По этой причине соединения висмута, содержащие висмут(+5) неустойчивы и являются сильными окислителями.

Водородные соединения элементов имеют формулу ЭH₃. Это газообразные соединения. Устойчивость уменьшается с ростом радиуса элемента. В этом направлении растет их восстановительная способность.

Оксиды (Э₂O ₅) азота, фосфора, мышьяка и сурьмы носят кислотный характер, гидратные формы оксидов имеют общую формулу H₃ЭO₄ (кроме азотной HNO₃). Кислотные свойства ослабевают от азота к сурьме, в связи с ростом радиуса. Оксиды (Э₂O₃) азота, фосфора и мышьяка кислотные, оксид сурьмы – амфотерен, а Bi₂O₃ имеет основной характер. В качестве гидратной формы ему соответствует основной Bi(OH)₃.

Азот и фосфор входят в больших количествах в состав живых организмов. Азот входит в состав аминокислот, из которых формируется белок. В составе организма человека фосфора, приблизительно, 1,5 кг (1,3 кг в костях, 130 г. в мышцах, а 12 г. - нервы и мозг).

13.5 p-элементы 6 группы ПС (халькогены).

К p-элементам 6 группы относятся кислород, сера, селен, теллур и полоний, соответственно: O, S, Se, Te и Po. У них одинаковое строение валентного слоя(ns²np⁴). Этим объясняется сходство их химических свойств. Для всех элементов характерны степени окисления: -2,-1, 0, +2,+4, +6. Для полония не характерна высшая степень окисления +6, для кислорода типична степень окисления -2, исключение составляют его фториды OF₂ и О₂F₂ со степенями +2 и +1, соответственно, и перекись водорода Н₂О₂, а также её производные, где она равна-I.

Кислород – газ, сера, селен, теллур и полоний – твердые вещества. Физические и химические свойства халькогенов закономерно изменяются с увеличением порядкового номера. Появление новых электронных слоёв влечет за собою увеличение радиусов атомов, уменьшение электроотрицательности, понижение окислительной активности незаряженных атомов и усиление восстановительных свойств атомов со степенью окисления -2, поэтому с увеличением заряда ядра неметаллические свойства ослабевают, а металлические возрастают от О к Ро. В целом все элементы подгруппы кислорода, кроме полония – неметаллы, хотя и менее активные, чем галогены. Селен и теллур, однако, известны в металлических и аморфных модификациях.

Водородные соединения элементов подгруппы отвечают формуле Н₂Э ( Н₂О, Н₂S, Н₂Se, Н₂Те, Н₂Ро). При обычных условиях это газы (кроме воды). Их устойчивость уменьшается от О к Ро. При растворении соединений в воде образуются кислоты (формулы те же), кислотность которых увеличивается в том же порядке, что объясняется уменьшением энергии связи в ряду соединений Н₂Э. Вода Н₂О, диссоциирующая на ионы Н+ и ОН-, является амфотерным электролитом и считается нейтральной, а остальные очень слабые кислоты. Халькогеноводороды проявляют соответственно большие и меньшие кислотные свойства, чем водородные соединения p-элементов 5 группы и галогеноводороды.

Соединения халькогенов с кислородом (оксиды и гидроксиды).

Сера, селен и теллур образуют одинаковые формы соединений с кислородом типа ЭО₂ и ЭО₃. Их гидроксидам соответствуют кислоты типа Н₂ЭО₃ и Н₂ЭО₄. С ростом порядкового номера элемента сила этих кислот убывает. Все они проявляют окислительные свойства, а кислоты типа Н₂ЭО₃ еще и восстановительные. По сравнению с p-элементами 5 группы все указанные гидроксиды более кислотные, а по сравнению с p-элементами 7 группы – более основные. Полоний образует амфотерный гидроксид РоО(ОН)₂.

Кислород входит в состав четырех важнейших биогенных элементов

(O, H, N, C). В сухой биомассе растений содержится в среднем 45% кислорода против 1,5% азота. Это различие свидетельствует о том, что роль кислорода в биохимии растений отличается от роли азота. Помимо функциональной активности и структурообразующей способности, кислород окисляет углеводы и липиды и обеспечивают растворимость биомолекул в воде.

Среднее содержание серы в сухой массе растений (0,05%) немногим меньше, чем фосфора (0,07%). Таким образом, сера является одним из важных биогенных элементов. Она входит в состав серусодержащих белков, которые называют ферредоксинами или железосеропротеинами. Эти белки участвуют в переносе электронов при фотосинтезе, а также помогают в фиксации азота.

13.6 p-элементы 7 группы ПС (галогены).

К 7 группе p-элементов относятся: F, Cl, Br, J и At. Все, кроме астата, неметаллы. На валентном слое содержат 7 электронов (ns²np⁵). От фтора к астату неметаллические свойства ослабевают из-за роста радиуса. Степени окисления, которые проявляет фтор 0 и -1. Для хлора, брома и иода степени окисления: -1, 0, +1, +3, +4, +5, +6, +7. Фтор и хлор – ядовитые газы, бром – красно-коричневая, ядовитая жидкость, иод – серо-фиолетовые кристаллы, легко возгоняющиеся даже при обычных условиях, астат похож на металл.

Водородные соединения ЭH – газы, легко растворимые в воде. Растворы галогеноводородов в воде являются кислотами. Кислоты эти сильные электролиты, кроме фтороводородной кислоты (HF)_n. Она аномально слабая среди галогеноводородных кислот, так как молекулы HF связаны водородной связью. Сила галогеноводородных кислот увеличивается от HCl к HJ, т.к. увеличивается поляризуемость связи, несмотря на то, что уменьшается полярность связи.

Кислородные соединения этих элементов носят кислотный характер (Э₂O, ЭO_2, ЭO₃, Э₂O₇). Для фтора нет соединений с кислородом, где бы у кислорода была степень окисления –2. Кислородные кислоты имеют формулы: HЭO, HЭO₃, HЭO₄. Кислотный характер соединений ослабевает от хлора к йоду, из-за увеличения радиуса, в этом же направлении уменьшается окислительная активность.

Анализ свойств кислородных кислот, образованных галогеном в разных степенях окисления, показывает, что с увеличением степени окисления сила кислот растет, а окислительная активность убывает. Это можно пронаблюдать на примере кислот хлора: HClO (хлорноватистая), HClO₂ (хлористая), HClO₃ (хлорноватая), HClO₄ (хлорная). Хлорноватистая кислота очень слабый электролит. Она и её соли (гипохлориты) сильнейшие быстродействующие окислители. Самая сильная кислота – хлорная, однако, она и её соли (перхлораты) являются сильными, но медленнодействующими окислителями. Это объясняется увеличением числа связей хлора с кислородом. Электронам трудно пробиться через барьер электронной плотности кислородных атомов.

Фтор, хлор и йод относятся к жизненно важным элементам. Однако использование галогенов и их соединений в сельском хозяйстве невелико, по сравнению с промышленностью.

13.7 p-элементы 8 группы (благородные газы).

На земле эти газы He – гелий, Ne – неон, Ar – аргон, Kr – криптон , Xe – ксенон и Rn сосредоточены в основном в атмосфере, где они существуют в виде одноатомных газов. Наибольшим является содержание аргона, составляющее почти 1% объема воздуха. Остальные относятся к редким элементам. На валентном слое находятся 8 электронов (ns²np⁶), кроме гелия (1s²). Это очень прочный слой электронов. Поэтому возбудить электроны и получить соединения для гелия, неона, аргона не представляется возможным. Получены соединения ксенона с фтором, где Xe проявляет степени окисления +2, +4,+6, +8. Соединения ксенона со степенью окисления +8 сильные окислители. Кислородные соединения носят кислотный характер.

Инертные или благородные газы используются в тех случаях, когда необходимо создать инертную атмосферу (без кислорода).

Лекция 14. Азот, фосфор и их соединения. Азотные и фосфорные удобрения (4 часа)