Лекция 28: Металлы а-групп (сурс)

жүктеу/скачать 97 Kb. бет 3/3 Дата 04.11.2023 өлшемі 97 Kb. #189514 түрі Лекция

Байланысты:
Лекция 28

Ba	1284 650 850 770 710	2970 1120 1487 1368 1635	113 160 197 215 221
34 74 104 120 138

В сильных основаниях вериллий образует ион-бериллат ВеО^2-₂. Следова­тельно, бериллий—металл, но его соединения обладают амфотерностью. Бериллий, хотя и металл, но значительно менее электропо­ложительный, по сравнению с литием. Он способен отдавать элект­роны, но ни в одной кристаллической решетке не существует в виде двухзарядного иона даже в твердых ВеО и BeF₂. Для него обычны ковалентные связи и комплексы как катионного, так и анионного типа Na₂BeS₂, K₂[BeF₄] или BeSiS₃, Be[SiF₆]. И в том и в другом случае координационное число бериллия равно 4, что служит экспериментальным подтверждением возможности sp-гибридизации.

Высокой энергией ионизации атома бериллий заметно отлича­ется от остальных элементов IIА-подгруппы (магния и щелочнозе­мельных металлов). Его химия во многом сходна с химией алюми­ния (диагональное сходство). Таким образом, это элемент с нали­чием у его соединений амфотерных качеств, среди которых преоб­ладают все же основные.
Электронная конфигурация Mg: 1s²2s²2p⁶3s² по сравнению с натрием имеет одну существенную особенность: двенадцатый электрон помещается на 2s-орбитали, где уже имеется 1е^-. Взаимное экранирование двух электронов, находящихся на одной и той же орбитали, невелико. Следовательно, должно резко возрасти влияние ядра, что, в свою очередь, приведёт к сжатию атома – уменьшению его радиуса. Ионы магния и кальция совместно с К⁺ и Na⁺ - незаменимые элементы жизнедеятельности любой клетки. Их соотношение в организме должно быть строго определённым. Ионы магния участвуют в деятельности ферментов (например, карбоксилазы), кальция – в построении скелета и обмена веществ. Повышение содержания кальция улучшает усвоение пищи. Кальций возбуждает и регулирует работу сердца. Его избыток резко усиливает деятельность сердца. Магний играет отчасти роль антагониста кальция. Введение ионов Mg²⁺ под кожу вызывает наркоз без периода возбуждения, паралич мышц, нервов и сердца. Попадая в рану в форме металла, он вызывает долго незаживающие гнойные процессы. Оксид магния в лёгких вызывает так называемую литейную лихорадку. Частый контакт поверхности кожи с его соединениями приводит к дерматитам. Самые широко используемые в медицине соли кальция: сульфат СаSO₄ и хлорид CaCL₂. Первый используется для гипсовых повязок, а второй применяется для внутривенных вливаний и как внутреннее средство. Он помогает бороться с отёками, воспалениями, аллергией, снимает спазмы сердечно – сосудистой системы, улучшает свертываемость крови. Все соединения бария, кроме BaSO₄, ядовиты. Вызывают менегоэнцефалит с поражением мозжечка, поражение гладких сердечных мышц, паралич, а в больших дозах – дегенеративные изменения печени. В малых же дозах соединения бария стимулируют деятельность костного мозга. При введении в желудок соединений стронция наступает его расстройство, паралич, рвота; поражения по признакам сходны с поражениями от солей бария, но соли стронция менее токсичны. Особую тревогу вызывает появление в организме радиоактивного изотопа стронция ⁹⁰Sr. Он исключительно медленно выводится из организма, а его большой период полураспада и, следовательно, длительность действия могут служить причиной лучевой болезни.
Радий опасен для организма своим излучением и огромным периодом полураспада (Т_1/2 = 1617лет). Первоначально после открытия и получения солей радия в более или менее чистом виде его стали использовать довольно широко для рентгеноскопии, лечения опухолей и некоторых тяжёлых заболеваний. Теперь с появлением других более доступных и дешевых материалов применение радия в медицине практически прекратилось. В некоторых случаях его используют для получения радона и как добавку в минеральные удобрения.
В атоме кальция завершается запол­нение 4s-орбитали. Вместе с калием он образует пару s-элементов четвертого периода. Различие между энергией внешнего подуровня и нижележащими настолько велико, что кальций, кроме состояния +2, никаких устойчивых степеней окисления не имеет. В последнее время стали известны соединения СаС1 и CaF, в которых степень окисления кальция +1, но эти вещества еще очень слабо изучены. Увеличение заряда приводите более прочному стягиванию внешне­го электронного слоя, так что размер атома уменьшается по срав­нению с калием почти на 0,5 А. По величинам радиусов атома и иона кальций ближе к натрию, чем к калию (диагональное сходст­во). Гидроксид кальция довольно сильное основание. Таким образом, даже у кальция — наименее активного из всех щелочноземельных метал­лов — характер связи в соединениях ионный.
Стронций. Название этого элемента ассоцииру­ется с радиоактивной опасностью, так как близость свойств каль­ция и стронция позволяют Sr активно участвовать в обмене веществ и вместе с кальцием откладываться в костной ткани. Опасность однако, представляет не природный стронций, состоящий из смеси четырех изотопов 84, 86, 87 и 88, а искусственно получаемые радиоактивные изотопы этого элемента. Особенно ⁹⁰Sr, образующейся в результате цепной ядерной реакции. Период его полураспада 27,7 года, он β-излучатель и потоки его электронов активно воздей­ствуют на живую ткань организма. Соединения же нерадиоактив­ного стронция совершенно безвредны (как и кальция) для челове­ка и животных. Для растений они ядовиты.
По своим характеристикам стронций занимает промежуточное -положение между кальцием и барием. Его первый и второй потен­циалы ионизации невелики и составляют соответственно 5,7 и 11,03 эВ. Для него известно существование только нона Sr²⁺. Хотя для образования такого иона требуется в два раза больше энергии, чем для Sr+, она компенсируется за счет энергии образования ион­ных соединений. Ион Sr²⁺ исключительно стабилен, так как имеет электронную оболочку инертного газа.
Свойства бария наиболее близки к свойствам щелочных металлов. Структура атома бария такова, что первый потенциал ионизации (5,21эВ) расположен между значениями для лития и натрия. Однако ион Ва⁺ пока не обнаружен, так как при реакциях удаляются от атома сразу же два электрона с 6s²-орбитали. Суммарный потенциал ионизации (I₁+ I₂) невелик и равен 9,95эВ. Образующийся Ва²⁺-ион (R_ион = 1,29А) поляризует анионы слабо, поэтому в соединениях бария связи ионного типа, а его комплексные ионы неустойчивы.
Бериллий и магний широко используют в сплавах. Бериллиевые бронзы – упругие сплавы меди с 0,5-3% бериллия; в авиационных сплавах (плотность 1,8) содержится 85-90% магния ("электрон"). Бериллий отличается от остальных металлов IIА группы – не реагирует с водородом и водой, зато растворяется в щелочах, поскольку образует амфотерный гидроксид:
Be+H₂O+2NaOH=Na₂[Be(OH)₄]+H₂.
Магний активно реагирует с азотом:
3 Mg + N₂ = Mg₃N₂
Жесткость воды принято связывать с катионами кальция Са²⁺ и в меньшей степени магния Mg²⁺. В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na⁺) таким свойством не обладают. Ионы кальция Са²⁺ и магния Mg²⁺, а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Во внеклеточной жидкости содержится в 5 раз больше ионов натрия, чем внутри клеток. Изотонический раствор ("физиологическая жидкость") содержит 0,9% хлорида натрия, его применяют для инъекций, промывания ран и глаз и т.п. Гипертонические растворы (3-10% хлорида натрия) используют как примочки при лечении гнойных ран ("вытягивание" гноя). 98% ионов калия в организме находится внутри клеток и только 2% во внеклеточной жидкости.

В день человеку нужно 2,5-5 г калия. В 100 г кураги до 2 г калия. В 100 г жареной картошки – до 0,5 г калия. Во внутриклеточных ферментативных реакциях АТФ и АДФ участвуют в виде магниевых комплексов. Бериллий образует гораздо более прочные комплексы с производными фосфорной кислоты, чем магний, поэтому соли бериллия ядовиты. Ежедневно человеку требуется 300-400 мг магния. Он попадает в организм с хлебом (90 мг магния на 100 г хлеба), крупой (в 100 г овсяной крупы до 115 мг магния), орехами (до 230 мг магния на 100 г орехов). Кроме построения костей и зубов на основе гидроксилапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ , катионы кальция активно участвуют в свертывании крови, передаче нервных импульсов, сокращении мышц. В сутки взрослому человеку нужно потреблять около 1 г кальция. В 100 г твердых сыров содержится 750 мг кальция; в 100 г молока – 120 мг кальция; в 100 г капусты – до 50 мг.
Атом алюминия значительно больше, чем бора, и меньше атома магния. На внешнем уровне у него три электрона в соответствии с конфигурацией: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Для заполнения 3р-орбитали ему не хватает пяти электронов, а для то­го, чтобы обнажилась устойчивая структура типа инертного газа, алюминию следует отдать 3 электрона. Из-за сравнительно малого радиуса полностью отдать все три электрона с внешнего уровня он не может: слишком велика сумма энергий ионизации I₁+ I₂ + I₃ = 53,254 эВ. Легче и энергетически выгоднее образовать три ковалентные связи с участием одного электрона в 3р и двух в 3s-состояниях. Однако при трех связях на внешнем уровне у алюминия будет только 6е^-(3s²3p⁴), а для создания завершенной оболочки необходимо 8е^-. Чтобы заполнить уровень, нужно перетянуть на не­го еще 2е^-. Следовательно, алюминий должен проявлять ак­цепторные свойства. Из опытных данных следует, что он может акцептировать электроны не только извне, но и со своих же орбиталей из внутрилежащего 2р-подуровня. Для этого требуется не­которая затрата энергии и ее тонкое дифференцирование.
Такая особенность поведения атома алюминия позволяет про­являть каталитические свойства его соединениям в разнообразных реакциях. Например, безводный ALCL₃ способен растворяться с об­разованием комплексов но многих органических растворителях, молекулы которых содержат неподеленные электронные пары AL₂CL₆ + 2(C₂H₅)₂O = 2[ALCL₃ : O (C₂H₅)₂]
Этой особенностью хлорида и бромида алюминия объясняется их каталитическая активность в реакции Фриделя—Крафтса.
Промышленный способ получения алюминия электролизом расплава разработан в 1886 г. независимо американцем Ч.М.Холлом (1863-1914) и французом П.Эру (1863-1914). Металлический алюминий используют для тонких отражающих покрытий (оптические зеркала, теплоизолирующие полимерные пленки), в пленочных и электролитических конденсаторах, в качестве важнейшего компонента твердых ракетных топлив (до 20%), для электрических проводов, как конструкционный материал, прежде всего в авиации. Работающий на околоземной орбите телескоп-рефлектор "Хаббл" массой более 12 т использует главное стеклянное зеркало диаметром 2,4 м, покрытое слоем алюминия толщиной 7*10^-6 см (70 нм), с защитным слоем фторида магния толщиной 25 нм. На воздухе алюминий быстро покрывается пленкой оксида толщиной 10^-5 мм, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Однако в кислых и щелочных водных растворах, не содержащих кислорода, алюминий реагирует с водой как весьма активный металл. Кислота или щелочь нужна в начале процесса для растворения оксидной пленки:
Al₂O₃ + 6 HCl = 2 AlCl₃ + 3 H₂O
Al₂O₃ + 6 NaOH + 3 H₂O = 2 Na₃[Al(OH)₆]
Далее алюминий реагирует с кислотой и щелочью как амфотерный металл и с водой – как активный металл (стандартный потенциал -1,66 В):
Al + 3 HCl = AlCl₃ + 1,5 H₂
Al + 3 NaOH + 3 H₂O = Na₃[Al(OH)₆] + 1,5 H₂
Al + 3 H₂O = Al(OH)₃ + 1,5 H₂
Эту особенность нужно учитывать при использовании алюминия для получения водорода – обычно реакция начинается не сразу, но не прекращается и при израсходовании кислоты или щелочи в растворе, реакционный сосуд разогревается, жидкость вспенивается из-за образования объемистого осадка гидроксида. Благодаря высокой энтальпии образования оксида Al₂O₃ (-1676 кДж/моль) металлический алюминий реагирует с оксидами многих металлов, например:
3 K₂O + 2 Al = Al₂O₃ + 6 K H = -590 кДж

жүктеу/скачать 97 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: