Основы общей и неорганической химии, Инденбом А. В. 26.11.2021г.

• Лекция посвящена щелочным и щелочноземельным металлам и алюминию.  

• Вторая группа элементов включает бериллий, магний и щелочноземельные металлы от кальция до бария.  

• Щелочноземельные металлы названы так из-за устойчивости их оксидов при нагревании.  

• Металлические свойства элементов второй группы увеличиваются от бериллия до бария.  

• Атомный радиус и энергия ионизации уменьшаются с ростом элемента.  

• Стандартный электродный потенциал становится более отрицательным.  

• Элементы второй группы имеют диагональное сходство с другими группами.  

• Граница между металлическими и неметаллическими свойствами проходит по диагоналям таблицы Менделеева.  

• Плотность заряда ионов элементов, стоящих по диагонали, близка, что объясняет их схожие свойства.  

• Литий и магний являются слабыми основаниями и реагируют с азотом.  

• Литий легко покрывается пленкой на воздухе, а магний требует нагрева для реакции с азотом.  

• Эти элементы образуют ковалентные органические соединения.  

• Бериллий похож на алюминий по свойствам, включая фатерность и образование оксидной пленки.  

• Бериллий может пассивироваться в концентрированной азотной кислоте.  

• Оба элемента образуют гидриды и нерастворимые соли.  

• Щелочноземельные металлы встречаются в природе в виде карбонатов.  

• Магний можно получить из доломита через термическое разложение и восстановление.  

• Щелочноземельные металлы получают электролизом и алюмотермией.  

• Щелочноземельные металлы имеют металлический блеск и кристаллическую структуру.  

• Температура плавления уменьшается с ростом атомного радиуса.  

• Смена кристаллической структуры влияет на физические свойства.  

• Щелочноземельные металлы не дают окраски в пламени при обычных температурах.  

• Бериллий токсичен и вызывает болезнь бериллиоз.  

• Бериллий используется в высокотемпературных структурах благодаря своей легкости и прочности.  

• Бериллий легкий, пропускает рентгеновское излучение и прозрачен.  

• Используется в рентгеновских трубках и термоядерных реакторах.  

• Бериллиевая бронза прочна и не магнитна, что делает её полезной в магнитных полях и взрывоопасных средах.  

• Бериллий амфотерен, реагирует с водой с образованием оксида и водорода.  

• Магний реагирует с водой медленно, образуя гидроксид и щелочную среду.  

• Щелочноземельные металлы бурно реагируют с водой, образуя оксиды.  

• Металлы окисляются кислородом и неметаллами, образуя хлориды и фосфиды.  

• С щелочами ведут себя как амфотерные элементы, образуя гидриды и амиды.  

• Гидриды образуются в зависимости от активности металла.  

• Оксиды образуются при реакции с кислородом, за исключением бария, который образует пероксид.  

• Гидроксиды щелочноземельных металлов активны и образуют щелочи.  

• Пероксиды щелочноземельных металлов можно получить из гидроксидов и перекиси водорода.  

• Пероксиды проявляют окислительные свойства из-за активного кислорода.  

• Гидроксиды щелочноземельных металлов плавятся при высоких температурах.  

• Растворимость гидроксидов увеличивается с ростом длины связи.  

• Гидроксиды бериллия и магния растворяются в щелочи, но не в аммиаке.  

• Гидроксид магния можно получить реакцией с щелочью, но он растворяется в хлористо-аммонийной среде.  

• Гидроксиды образуются из оксидов реакцией с водой.  

• Фториды щелочноземельных металлов слабо растворяются из-за короткой связи.  

• Гидролиз происходит при нагревании кристаллов, что приводит к образованию оксида и соляной кислоты.  

• Синтез безводных фторидов включает воздействие высокой температуры и восстановителя.  

• Карбонаты, сульфаты и фосфаты малорастворимы в воде.  

• Сульфат кальция при нагревании разлагается до оксида, теряя воду.  

• Качественная реакция на магний включает соль магния с аммиаком и гидрофосфатом натрия.  

• Жесткость воды бывает временной и постоянной.  

• Временная жесткость удаляется кипячением, постоянная — добавлением карбоната натрия.  

• Ионо-обменная смола используется для удаления солей из воды.  

• Алюминий похож на бериллий и магний, легкоплавкий и образует плотно упакованные структуры.  

• Координационное число алюминия — двенадцать, что делает его плотно упакованным.  

• Алюминий встречается в природе в виде оксидов и солей, таких как бокситы и алюмосиликаты.  

• Алюминий используется в авиастроении из-за его легкости и коррозионной стойкости.  

• Он устойчив к коррозии, кроме хлоридов, которые вызывают его разрушение.  

• Алюминий - активный металл, реагирующий с другими элементами при высокой температуре.  

• Используется в зажигательных бомбах и для сварки рельсов.  

• Применяется в электротехнике из-за легкости и хороших проводящих свойств.  

• Алюминий легко деформируется и разрушается при нагревании.  

• Для предотвращения этого используются сплавы с железом.  

• Алюминиевые сплавы, такие как силумин, применяются в различных изделиях.  

• Оксид алюминия Al2O3 называется корундом.  

• Корунд используется в абразивных материалах и для резки стекла.  

• Прочность и тугоплавкость оксида алюминия делают его эффективным в алюминотермии.  

• Исторически алюминий получали из хлорида алюминия и калия.  

• Современный метод - электролиз с использованием креолита для понижения температуры плавления.  

• Электролиз требует большого количества электроэнергии, поэтому алюминиевые заводы часто расположены рядом с электростанциями.  

• Алюминий активно реагирует с углеродом, серой, фосфором, кислородом и галогенами.  

• Реагирует с кислотами, но медленно из-за оксидной пленки.  

• Пример реакции с медным купоросом показывает, что реакция происходит с задержкой.  

• Алюминий коррозионностойкий, но не в присутствии хлоридов.  

• В морской воде алюминий быстро покрывается хлопьями и чернеет.  

• Хлорид-ионы замещают кислород в оксидной пленке, что приводит к бурному выделению газа и водорода.  

• Йод активно взаимодействует с алюминием, что приводит к его растворению.  

• Золото также растворяется в йоде, что можно проверить на старых золотых предметах.  

• Концентрированные кислоты пассивируют алюминий, но разбавленные кислоты могут реагировать.  

• Азотная кислота реагирует с алюминием только в разбавленном состоянии.  

• Алюминий растворяется в щелочах с выделением водорода.  

• Для выделения гидроксида алюминия можно добавить слабую кислоту, например, сернистую кислоту.  

• Бериллий и алюминий часто встречаются вместе в минералах.  

• Для разделения используется высокотемпературная реакция с хлором и углеродом.  

• Концентрированная серная кислота также может разрушить кристаллы бериллия.  

• Сульфатный метод: добавление сульфата калия на холоду выделяет алюмокалиевые квасцы.  

• Карбонатный метод: при избытке кальцинированной соды образуется гидроксид алюминия.  

• Цитатный метод: летучее соединение бериллия и нелетучее соединение алюминия.  

• Переходные металлы находятся на переходе от s- к p-элементам.  

• Они имеют легкий переход между s- и d-под уровнями.  

• Основные группы переходных металлов включают железо, монетные металлы, платиновые металлы и цинк.  

• Алюминий является самым распространенным металлом.  

• Железо и никель преобладают в ядре Земли.  

• Кобальт используется в электронной промышленности и очень дорог.  

• Тяжелые металлы образуют нерастворимые сульфиды, которые нарушают работу белков в организме.  

• Противоядие: связывание тяжелых металлов с белком, например, яичным белком.  

• Тяжелые металлы можно вывести из организма, если они не успели взаимодействовать.  

• Некоторые тяжелые металлы, такие как железо и цинк, являются необходимыми микроэлементами.  

• Железо входит в состав гемоглобина, а цинк важен для иммунной системы.  

• Цинк защищает от коронавируса, поэтому его часто покупают в аптеках.  

• Орбитали заполняются по правилам Хунда и принципу Паули.  

• У некоторых элементов, таких как хром и медь, наблюдается "проскок электрона".  

• Это объясняет их структуру и электронные конфигурации.  

• Все тяжелые металлы обладают металлическими свойствами и имеют степень окисления +2.  

• Они могут образовывать комплексные соединения благодаря своим акцепторным свойствам.  

• Устойчивые степени окисления: +0, +5 и +10.  

• Высшая степень окисления увеличивается до марганца, затем снижается.  

• Это связано с уменьшением количества неспаренных электронов.  

• Уменьшение радиуса и координационного числа также влияет на стабильность.  

• Радиусы атомов уменьшаются с ростом заряда ядра.  

• Хром и медь имеют орбитальные радиусы, соответствующие максимуму электронной плотности.  

• Потенциалы ионизации хрома и меди ниже, чем у других элементов.  

• В растворах потенциалы ионизации изменяются из-за гидратации.  

• Хром и медь возвращаются к общей тенденции, а марганец и цинк выделяются.  

• Марганец и цинк имеют симметричную конфигурацию, что делает их активными.  

• Радиусы металлов в октаэдрическом окружении короче.  

• Энергия стабилизации кристаллическим полем влияет на прочность связи.  

• Окислительно-восстановительные свойства зависят от степени окисления.  

• Металлические свойства увеличиваются вниз по группе.  

• Радиусы увеличиваются до лантаноидов, затем уменьшаются.  

• Антаноидное сжатие приводит к уменьшению радиусов и увеличению заряда ядра.  

• После лантаноидов радиусы элементов практически не меняются.  

• Заряд ядра увеличивается, что делает электроны прочнее.  

• Металлические свойства уменьшаются, что делает элементы менее активными.  

• Неактивные металлы можно заставить прореагировать за счет стабилизации продукта.  

• Золото реагирует с цианидами, образуя цианидные комплексы.  

• Аналогичная реакция возможна с теосульфатом, но с менее ядовитыми продуктами.  

• Устойчивость высших степеней окисления у нижних d-элементов растет при повышении степени окисления.  

• Это связано с тем, что радиусы свободных металлов не увеличиваются при отборе электронов.  

• Элементы в высоких степенях окисления не проявляют окислительных свойств.  

• Примеры: шестивалентный хром, молибден, медь и золото.  

• Высокие степени окисления устойчивы и не возвращаются в низкие.  

• Высокие степени окисления проявляются у нижних элементов.  

• Продолжение темы будет рассмотрено на следующей лекции.