Repetitor_po_Khimii

6.Сколько граммов алюминия необходимо взять для получения 78 г хрома из его оксида (Cr2О3)?

7.Между какими из попарно взятых веществ произойдет химическая реакция? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном видах:

а) Cu и НСl,

б) Cu и Hg(NO3)2, в) Zn и Pb(NO3)2,

г) Cu и Ag2SO4, д) Fe и ZnCl2,

e) Ag и AuСl3,

ж) Hg и H2SO4 (p), з) Mg и SnCl2,

и) Cu и FeSO4, к) Аl и CuSO4, л) Zn и MgCl2, м) Fe и СаСl2,

н) Ag и H2SO4 (p), о) Zn и НСl.

8.Для защиты железа от коррозии его покрывают слоем олова (луженое железо) или слоем цинка (оцинкованное железо). Какие процессы будут происходить при нарушении защитного покрытия в луженом и оцинкованном железе в случае коррозии:

а) с водородной деполяризацией; б) с кислородной деполяризацией?

§ 7.4. Металлы главных подгрупп I и II групп. Жесткость воды

К металлам главной подгруппы I группы относятся: литий

Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Эти металлы называются щелочными, так как они и их

оксиды при взаимодействии с водой образуют щелочи.

К металлам главной подгруппы II группы относятся: бериллий Be, магний Mg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва,

радий Ra. Последние четыре элемента (Са, Sr, Ba, Ra) называют щелочноземельными металлами, так как их гидроксиды

Ме(ОН)2 обладают щелочными свойствами, а их оксиды МеО по своей тугоплавкости сходны с оксидами тяжелых металлов, называвшимися раньше «землями». По своим свойствам бериллий напоминает алюминий, а магний похож на

310

литий (проявление диагонального сходства элементов в периодической системе).

Щелочные и щелочноземельные металлы относятся к s- элементам. На внешнем электронном слое у атомов щелочных металлов один s-электрон (ns1); у атомов бериллия, магния и щелочноземельных металлов — два s-электрона (ns2). Сверху вниз в подгруппах этих элементов радиусы атомов увеличиваются, энергия ионизации уменьшается, способность отдавать электроны с внешнего слоя увеличивается, поэтому восстановительная способность тоже увеличивается.

Металлы рассматриваемых подгрупп в свободном состоянии в природе не встречаются, так как они химически очень активны. Они находятся в природе только в виде соединений. Ионы щелочных металлов входят в состав многих растворимых минералов:

NaCl — каменная (поваренная) соль;

NaCl · КСl — сильвинит;

Nа2SО4 · 10Н2О — мирабилит (глауберова соль).

Ионы щелочноземельных металлов встречаются в природе в виде малорастворимых соединений:

СаСО3 — мел, кальцит, мрамор; BaSO4 — барит; CaSO4 · 2Н2О — гипс; SrCO3 — стронционит; Са3(РО4)2 — фосфорит и др.

Магний входит в состав ~200 минералов. Важнейшие из них: доломит СаСО3 · MgCO3, магнезит MgCO3.

Физические свойства

Все металлы главных подгрупп I и II групп серебристо-бело- го цвета, хорошо проводят тепло и электрический ток. Щелочные металлы имеют низкие температуры плавления (температуры плавления уменьшаются в подгруппе сверху вниз от 180 °С у Li до 28 °С у Cs); низкую плотность (ρLi = 0,534 г/см3; ρCs = = 1,87 г/см3). Температуры плавления и плотности металлов II группы выше, чем у щелочных металлов (t°пл (Be) = 1287 °С, ρBе = 1,85 г/см3, t°пл (Ва) = 710 °С, ρBa = 3,50 г/см3).

311

Плотность металлов сверху вниз по группе увеличивается, а температуры плавления уменьшаются.

Получение

Рассматриваемые металлы получают электролизом расплавленных солей, чаще всего хлоридов, или щелочей (ще-

лочные металлы):

700°

NaCl Na+ + Сl–; Катод: Na+ + e# Na0

Анод: 2Сl– – 2e# Cl20

t°

NaOH Na+ + OH– Катод:– Na+ + 1e# Na0

Анод:+ 4OH– – 4e# 2H2O + O2

Химические свойства

Щелочные и щелочноземельные металлы — это самые активные металлы и сильные восстановители. Во всех химических реакциях они легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. В соединениях преобладает ионная связь.

312

Химические свойства щелочных и щелочноземельных металлов рассмотрим на примере натрия и кальция.

I. Взаимодействие натрия и кальция с неметаллами

1. Взаимодействие с кислородом

2. С галогенами образуются галогениды

3. С серой образуются сульфиды

4. С водородом образуются гидриды

Гидриды натрия и кальция разлагаются водой с образованием щелочи и свободного водорода:

NaH + Н2О = NaOH + H2

СаН2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + 2Н2

II. Взаимодействие натрия и кальция со сложными веществами

1. Взаимодействие с водой

2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2 Са + 2Н2O = Са(ОН)2 + Н2

313

2. Взаимодействие с разбавленными кислотами

2Na + 2HCl = 2NaCl + H2 Са + H2SO4(p) = CaSO4 + H2

3. Взаимодействие с органическими галогенидами

Щелочные металлы, в частности натрий, взаимодействуют с органическими галогенидами. Эта реакция называется реакцией Вюрца, она будет подробно рассмотрена в ч. III «Органическая химия».

2Na + 2СН3Сl С2Н6 + 2NaCl

Оксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов являются типичными основными оксидами, они обладают всеми свойствами основных оксидов. Оксидам соответствуют сильные основания, растворимые в воде (щелочи), они обладют всеми свойствами оснований (табл. 31).

LiOH, NaOH, КОН, RbOH, CsOH

Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2

314

Растворимость в воде и сила оснований увеличиваются в направлении, указанном стрелками.

Соли щелочных и щелочноземельных металлов

Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение: некоторые соли лития). Хлориды, бромиды, нитраты щелочноземельных металлов также хорошо растворяются в воде. Сульфаты, карбонаты, фосфаты этих металлов — малорастворимые или практически не растворимые в воде вещества.

Растворы солей щелочных и щелочноземельных металлов, образованных слабыми кислотами, имеют щелочной характер среды вследствие их гидролиза:

Na2CO2 + Н2О NaHCO3 + NaOH.

Соли щелочных и щелочноземельных металлов, образованные сильными кислотами (NaCl, Ca(NO3)2 и др.), не гидролизуются. Соли и другие соединения щелочных и щелочноземельных металлов изменяют окраску пламени (см. Приложение № 2).

Жесткость воды

• Жесткость воды — это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция Са2+ и магния Mg2+.

Один из возможных их источников — горные породы (известняки, доломиты), которые растворяются в результате контакта с природной водой.

Анионами растворимых солей Са2+ и Mg2+ могут быть

гидрокарбонат-ионы НСО3–, сульфат-ионы SO42– и реже хлорид-ионы Сl–. Различают временную (карбонатную) же-

сткость воды, обусловленную наличием в воде гидрокарбонатов кальция Са(НСО3)2 и магния Mg(HCO3)2, и постоянную жесткость воды, обусловленную наличием в воде суль-

фатов кальция и магния CaSO4, MgSO4, хлоридов кальция и магния СаСl2, MgCl2 и других солей.

315

Жесткость воды

Жесткость воды количественно выражают числом ммоль эквивалентов (ммоль экв) ионов кальция Са2+ и магния Mg2+, содержащихся в 1 л воды (табл. 32). 1 ммоль экв/л жесткости воды соответствует содержанию 20,04 мг/л ионов Са2+ или 12,16 мг/л ионов Mg2+.

Общая жесткость воды рассчитывается по формуле

[Ca2+] [Mg2+]

Жобщ = ———— + —————, 20,04 12,16

где [Са2+] и [Mg2+] — концентрации ионов Са2+ и Mg2+ в мг/л.

Общая жесткость водопроводной воды в Ростове-на-Дону колеблется от 6,0 до 8,0 ммоль экв/л в зависимости от времени года. Жобщ воды в Черном море составляет 65,5 ммоль экв/л.

В жесткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы кальция Са2+ с белками пищи образуют нерастворимые соединения. В такой воде плохо завариваются чай, кофе. Постоянное употребление жесткой воды может привести к расслаблению желудка и отложению солей в организме человека. Употребление в пищу щавеля в районах с повышенным содержанием в воде ионов Са2+ приводит к образованию в организме соли щавелевой кислоты — оксалата кальция СаС2О4, который труднорастворим в воде. В результате этого образуются камни в почках (мочекаменная болезнь).

316

В жесткой воде плохо мылится мыло, которое представляет собой натриевые соли высших карбоновых кислот, например стеарат натрия Cl17H35COONa. При растворении мыла в жесткой воде образуются плохо растворимые в воде стеараты кальция и магния:

2С17Н35СОO– + Са2+ = (С17Нз5СОО)2Са 2C17H35COO– + Mg2+ = (CI7H35COO)2Mg

Синтетические моющие средства содержат алкилсульфонаты — сложные эфиры высших спиртов и серной кислоты и обладают хорошими моющими свойствами даже в очень жесткой воде, так как их кальциевые и магниевые соли растворимы в воде.

Для устранения жесткости воды (ее умягчения) необходимо ионы Са2+ и Mg2+ перевести в осадок.

Временную (карбонатную) жесткость воды устраняют кипячением, так как при этом гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, образуя карбонат кальция и гидроксид магния:

t°

Са(НСО3)2 = CaCO3 + Н2О + СО2

t°

Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2 + 2СО2

Постоянную жесткость воды кипячением устранить нельзя. Для устранения общей жесткости воды добавляют смесь гашеной извести Са(ОН)2 и соды Na2CO3 (известково-со- довый способ). При этом временная жесткость воды устра-

няется гашеной известью:

317

Са2+ + 2НСО3– + Са2+ + 2ОН– = 2СаСО3 + 2Н2О Mg2++ 2НСО3– + 2Са2+ + 2OН– =

=Mg(OH)2 + 2СаСО3 + 2Н2О

апостоянная — содой:

СаСl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

Ca2+ + CO32– = CaCO3

MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4

Mg2+ + CO32– = MgCO3

Современные способы умягчения воды основаны на применении катионитов (катионитный способ). Катионитами называются твердые вещества, содержащие в своем составе подвижные катионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Для устранения жесткости воды в качестве катионитов применяют алюмосиликаты, например Na2[Al2Si2O8 · пН2О]. Это соединение можно условно выразить формулой Na2R, где R — анион.

При пропускании жесткой воды через колонку, заполненную катионитом, происходит обмен катионов:

Na2R + Са2+ = 2Na+ + CaR Na2R + Mg2+ = 2Na+ + MgR

На катионите задерживаются катионы Ca2+ и Mg2+, а в раствор переходят ионы Na+; в результате этого процесса жесткость воды уменьшается.

Через некоторое время, когда большая часть ионов Na+ катионита обменяется на катионы Са2+ и Mg2+, катионит необходимо регенерировать, т. е. восстановить первоначальные свойства. Для этого через катионообменные колонки пропускают насыщенный раствор хлорида натрия, при этом происходят обратные процессы:

CaR + 2Na+ = Ca2+ + Na2R

MgR + 2Na+ = Mg2+ + Na2R

После промывки катионит можно снова использовать для умягчения воды.

318

Биологическая роль и применение соединений щелочных и щелочноземельных металлов

Соединения щелочных и щелочноземельных металлов играют важную роль в жизнедеятельности организмов. Так, ионы натрия, калия, магния, кальция составляют

ворганизме человека ~99 % от общего содержания металлов.

Ион калия К+ — основной внутриклеточный ион, в то время как ион натрия Na+ — главный внеклеточный ион; их взаимодействие поддерживает жизненно важные процессы в клетках. В организме человека растворимые соли натрия: хлорид, фосфат, гидрокарбонат — входят в состав плазмы крови, лимфы. Ионы магния и кальция образуют комплексы с нуклеотидами (например, АТФ), связываясь с фосфатными группами, тем самым участвуют в терморегуляции организма. Кальций — основной элемент для образования и поддержания таких структур, как зубы, кости;

минерал оксиапатит 3Са3(РО4)2 · Са(ОН)2 — основа костной ткани.

Кроме того, катионы кальция выступают как активаторы ряда внеклеточных ферментов, ослабляют действие на организм токсинов. Магний необходим для деятельности нервно-мышечного аппарата, при его недостатке наблюдаются мышечное подергивание, остановка роста конечностей.

Вмедицинской практике широко используются соединения, образованные щелочными и щелочноземельными металлами. Некоторые из них:

0,9 %-й раствор хлорида натрия NaCl — физиологический раствор, применяемый при большой потере крови;

Na2SO4 · 10Н2О — глауберова соль — применяется как слабительное средство;

MgO — оксид магния — применяется в малых дозах как нейтрализующее средство при отравлении кислотами; входит

всостав зубных порошков;

3MgCO3 · Mg(OH)2 · 3H2O — гидроксид-карбонат магния — применяется в качестве присыпки;

MgSO4 · 7H2O — английская соль — применяется как слабительное средство;

319