Химия элементов I- III групп и их соединений.

Элементы IА группы периодической системы Д. И. МенделееваLi, Na, К, Rb, Сs, Fr называют щелочными металлами. Своиминебольшими плотностями, невысокими температурами плавленияи мягкостью щелочные металлы отличаются от большинства других металлов.

На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов имеется один s-электрон, который они при химических реакциях легко отдают другим атомам. Значительная величина радиуса атомов (от 1,57 у Li до 2,62 А у Сs) и низкие значения энергии ионизации (от 5,39 эв у Li до 3,89 эв у Сs) характеризуют эти элементы как очень активные восстановители. Все эти элементы образуют элементарные катионы с зарядом +1.

Очень большая восстановительная активность щелочных металлов не дает возможности хранить их на воздухе и даже в таком инертном газе, как азот. Их приходится содержать в жидких углеводородах (керосине, бензине).

Стандартные электродные потенциалы этих элементов изменяются в пределах -2,71-3,02 в, что значительно отрицательнее потенциала восстановления воды. Поэтому все щелочные металлы восстанавливают воду с образованием гидроксидов металлов и водорода.

В результате сильной полярности химических связей между щелочными металлами и кислородом гидроксиды этих металлов —сильные основания, растворимые в воде — щелочи.

Щелочные металлы легко вступают в химические реакции со всеми элементарными окислителями: галогенами, кислородом, серой, азотом и даже водородом.

При взаимодействии с галогенами щелочные металлы образуют простые ионные соединения — соли, называемые галидами.

При нагревании щелочные металлы соединяются с кислородом, образуя оксиды, пероксиды и супероксиды. Пероксиды и супероксиды являются солями слабых кислот — перекиси водорода и надперекиси водорода НО₂, существующей в виде солей.

Водород окисляет щелочные металлы и образует гидриды—соединения с ионной связью, представляющие собой соли.

В своих соединениях щелочные металлы связаны преимущественно ионными связями. Способность же к комплексообразованию у этих металлов невелика.

Большая часть соединений щелочных металлов имеет полярный характер и растворимы в воде. На немногочисленных отклонениях от этого правила основаны аналитические реакции на ионы щелочных металлов. Небольшие плотности этих металлов и очень небольшая механическая прочность объясняются большими размерами их атомов, слабо связанных между собой.

Во IIА группу периодической системы Д. И. Менделеева входят элементы Be, Мg, Сa, Sr, Ва и Ra. Внешний энергетический уровень атомов этих элементов характеризуется наличием двух спаренных s-электронов, следовательно, в нормальном состоянии эти элементы нульвалентны. Однако пара s-электронов их атомов при незначительной затрате энергии переходит в возбужденное состояние, при котором один s-электрон переходит на р-подуровень: s¹p¹. В этом состоянии оба электрона непарны, и проявляемая этими элементами валентность становится равной двум. Радиусы атомов этих элементов меньше, чем радиусы атомов элементов соседней IА группы, а энергии ионизации соответственно больше, что характеризует их как менее активные восстановители по сравнению с группой IА. Но в этом отношении они уступают только щелоч-ным металлам. В реакциях с окислительными элементами атомы Мg — Ra легко теряют свои валентные электроны, превращаясь при этом в двухзарядные катионы. Изменение стандартных потенциалов от—1,696 в у Ве до—2,92 в у Rа указывает на усиление восстановительной активности этих металлов в водных растворах, возрастающей от бериллия к радию. Бериллий и в меньшей мере магний отличаются по своим свойствам от остальных элементов группы. Бериллий окисляется кислородом при обычных температурах лишь с поверхности, поскольку образующаяся при окислении плотная защитная пленка ВеО мешает дальнейшей реакции. По этой же причине бериллий не реагирует с водой. Магний реагирует с водой, но весьма медленно, так что скорость реакции становится легко измеримой только при высоких температурах. Но все же магний считается металлом недостаточно устойчивым по отношению к влажному воздуху и к воде. Поэтому из чистого магния конструкционные детали не выполняются. Кальций, стронций, барий, радий окисляются кислородом воздуха очень активно и полностью, поэтому их, как и щелочные металлы, нужно

хранить в жидких углеводородах (керосине, бензине). Более сходные между собой Мg, Са, Sr, Ва, Rа объединяют под одним названием щелочноземельных металлов. Химический характер связей в оксидах элементов IIА группы различен: в оксиде бериллия ВеО связи преимущественно ковалентны, в оксидах щелочноземельных металлов МеО они в основном ионны. Это объясняет амфотерность ВеО и ясно выраженную основность оксидов других элементов этой

группы, усиливающуюся от МgO до RаО.

Амфотерный оксид бериллия реагирует как с кислотами, так и с щелочами.

Гидроксиды Са, Sr, Ва, — сильные основания; Мg(ОН)₂ слабое основание, но несколько лучше диссоциирующее, чем многие другие слабые основания; Ве(ОН)₂ — амфотерное соединение. Кроме кислорода, щелочноземельные металлы легко реагируют е галогенами, серой, азотом и многими другими элементарными окислителями. Образующиеся при этом соединения носят преимущественно ионный характер. Соединения же бериллия преимущественно кова-лентны. Получают металлы IIА группы, за исключением бария, электролизом расплавов солей, восстанавливая ионы Ме²⁺ на катоде до свободных металлов. Многие соли щелочноземельных металлов в отличие от солей щелочных металлов нерастворимы. Растворимые соли кальция и магния вызывают жесткость воды.

Элементы бор, алюминий, галлий, индий и таллий составляют IIIА группу периодической системы Д. И. Менделеева. На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов находится по 2s- и 1 p-электрону, что выражается формулой s²р¹. В нормальном состоянии атомы этих элементов содержат только по одному непарному p-электрону, но так как при очень незначительной затрате энергии один из s-электронов возбуждается и переходит на энергетический подуровень p, то энергетическое состояние возбужденных атомов можно выразить формулой s¹p². В этом состоянии все три электрона наружного энергетического уровня являются непарными. Поэтому все элементы IIIА группы образуют соединения, в которых их степени окисления равны +1 и +3. Однако соединения элементов с окислительным числом +1 устойчивы только у таллия, а у всех остальных элементов группы IIIА неустойчивы.

Бор по химическим свойствам относится к неметаллическим элементам. Так, бор не образует элементарных положительно заряженных ионов. В соединениях степень окисления бора равна +3. Окись В₂О₃ обладает кислотными свойствами.

При переходе к алюминию металлические свойства резко возрастают. Однако оксид и гидроксид алюминия являются амфотерными соединениями. Гидроксид алюминия реагирует и с кислотами и с щелочами. Алюминий покрыт окисной пленкой, защищающей его от коррозии. На алюминий действуют ед-кие щелочи, соляная и серная кислоты. Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, упрочняя защитную пленку на его поверхности.

Место алюминия в ряду напряжений металлов говорит о его высокой восстановительной активности, которая проявляется в тех случаях, когда окисная пленка устраняется или не может препятствовать реакциям.

ЛЕКЦИЯ 8