Соединения Вe, Мg, а1.
Рассмотрим следующие соединения легких металлов: а) гидриды, б) галиды, в) оксиды, г) сульфиды, д) нитриды, е) карбиды, ж) силициды.
Гидриды легких металлов.
Гидриды бериллия, магния и алюминия не стабильны при воздействии температуры. Гидрид бериллия можно получить только проведением обменных реакций, например:
BeCl2 + 2LiH → BeH2 + 2LiCl
Гидриды Мg, Аl, образуются в результате взаимодействия металлов с водородом. Полимерные гидриды Мg и А1 более стабильны, чем соответствующие мономерные. Эти гидриды изображаются как [МgН2]Х и [А1Н3]Х . Стабильные соединения могут содержать ковалентные связи Аl-Н и донорно-акцепторную связь А1→Н, например, известны такие соединения Li[А1Н4] . Эти соединения называются аланатами.
Галиды легких металлов.
Рассмотрим хлориды и фториды Ве, Мg, А1. Галиды получаются взаимодействием металлов с галогенами (сгорание металлов в галогенах).Хлориды магния и бериллия образуются в реакциях замещения, например:
ТiС14 + 2Мg → Тi + 2МgС12 .
Галиды магния и бериллия представляют собою соли с сильно выраженным ионным характером. В этих связях участвуют sр или q2 орбитали металлов.
Галиды алюминия в значительной степени содержат ковалентные связи. Хлорид алюминия растворяется в органических растворителях, его гидролиз приводит к образованию гидроксида алюминия и хлорида водорода:
AlCl3 + ЗН2О → А1(ОH)3 + ЗНС1
Галиды выше приведенных металлов очень легко образуют комплексные соединения, потому что в их внешних слоях есть свободные орбитали. Формулы комплексных соединений на основе фторидов бериллия и магния можно записать:
Трифторобериллат натрия 2 — Nа[ВеF3]
Тетрафторобериллат натрия 2 — Nа2[ВеF4]
Трифторомагнезат калия 2 — К[МgF3 ]
Тетрафторомагнезат калия 2 — К2[МgF4]
Координационные числа таких ионов, как Аl3+ равно 6. С их участием образуются сложные анионы: [А1F6]3-.
Галиды и алюминия используются в качестве катализаторов полимеризации. Хлорид магния используется для производства магнезиального цемента (цемент Сореля):
MgO + MgCl2 → Mg2OCl2
Оксиды легких металлов.
Металлы Ве, Мg, А1 легко окисляются в кислороде, это означает, что при их горении образуются соответствующие оксиды. Оксиды могут также образоваться при разрушении гидроксидов металлов. Запишем реакцию разложения гидроксида алюминия:
А1(ОН)3 → АlO(ОН) → А1203 → А1203
Карбиды, нитриды, бориды, силициды Ве, Мg, А1.
Большинство этих веществ являются весьма термостойкими, но химически они не устойчивы (разлагаются при взаимодействии с водой или кислотами). Такие соединения, как карбид алюминия, а также нитрид бериллия являются веществами с высокой температурой плавления.
Обычно карбиды металлов, например, карбид бериллия или карбид магния, взаимодействуют с водой следующим образом:
Мg2С + 2Н2О → 2МgО + СН4
Нитрид бериллия разлагается под действием соляной кислоты, а также воды:
Ве3N2 + 8НС1 → 3ВеС12 + 2NН4С1
Ве3N2 +6Н2О → 3Ве(ОН)2 + 2NH3
Экспериментальная часть.
Опыт 1.
Гидроксид бериллия и его свойства.
Выполнение работы.
В две пробирки по 3-4 капли раствора соли бериллия. В каждую пробирку добавить раствор щелочи до образования осадка гидроксида бериллия:
Белого цвета
BeCl2 + 2NaOH → Be(OH)2↓ + 2NaCl
Гидроксид
бериллия
Полное ионное уравнение:
Be2+ + 2Cl- + 2Na+ + 2OH- → Be(OH)2↓ + 2Na+ + 2Cl-
Сокращенное ионное уравнение:
Be2+ + 2OH- → Be(OH)2↓
К осадку добавили 5-6 капель хлороводородной кислоты. Осадок растворяется:
Be(OH)2↓ + HCl → BeCl2 + H2O
В другую пробирку к осадку гидроксида бериллия добавили раствор щелочи. Осадок не растворяется и образуется комплексный анион тетрагидроксобериллат:
Be(OH)2↓ + 2NaOH → Na2[Be(OH)4]2-
Cхема равновесия диссоциации гидроксида бериллия:
Be(OH)2↓ → Ве2+ + 2ОН-
Вывод: Бериллий в воде практически нерастворим, но легко растворяется как в кислотах, так и в щелочах, в последнем случае с образованием гидроксобериллатов. Кислотные свойства гидроксида бериллия выражены очень слабо, поэтому в водном растворе бериллаты сильно гидролизуются. Большинство солей бериллия, в том числе и сульфат, хорошо растворимы в воде, тогда как сульфаты щелочноземельных металлов в воде практически нерастворимы. В водных растворах ионы Ве2+ подвергаются гидролизу, благодаря чему растворы солей бериллия имеют кислую реакцию. Все соединения бериллия токсичны. В частности, весьма опасно пребывание в атмосфере, содержащей пыль бериллия или его соединений.
Опыт 2.
Взаимодействие магния с кислотами.
Выполнение работы.
В пробирку с магнием добавили 4 капли 2н. хлороводородной кислоты. Образуется хлорид магния, бесцветный и хорошо растворимый и протекает с выделением водорода:
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
Также в пробирку с магнием добавили 4 капли азотной кислоты. Образуется нитрат магния, также нитрат аммония и магний не растворяется:
4Mg + 10HNO3 → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Вывод: В кислотах магний легко растворяется с выделением водорода. Щелочи на магний не действуют.
Опыт 3.
Взаимодействие алюминия с разбавленными кислотами.
Выполнение работы.
В три пробирки внесли по 5-8 капель 2н. растворов кислот: хлороводородной, серной азотной и опустили по маленькому кусочку алюминевой фольги. Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой концентрации c выделением водорода:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑
Концентрированная серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2Al + 6H2SO4(конц) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Al + 6HNO3(конц) → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с выделением водорода:
2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2↑
В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением окиси азота (II):
Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO + 2H2O
Вывод: Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Сильно разбавленная и холодная концентрированная азотная кислота алюминий не растворяет.
Опыт 4.
Растворение алюминия в водном растворе щелочи.
Выполнение работы.
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Al(OH)6]3-
гексагидроксоалюминат натрия
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2↑
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Al(OH)3 + 3NaOH → Na3[Al(OH)6]3-
Вывод: Реакции алюминия с водой объясняется наличием на его поверхности плотной оксидной пленки, которая затрудняет доступ водородных ионов к поверхности металла. Добавленная щелочь растворяет оксидную пленку с образованием гидроксоалюмината и создает возможность непосредственного взаимодействия алюминия с водой.
Опыт 5.
Гидроксид алюминия, его получение и свойства.
Выполнение работы.
Помещая в пробирку 2-3 капли раствора алюминия и 2-3 капли раствора едкого натра до образования осадка гидроксида алюминия. Гидроксид алюминия Al(OH)3 – белое твердое вещество, не растворяющееся в воде. Получается гидроксид алюминия при взаимодействии солей алюминия со щелочами. Так, если к раствору хлорида алюминия приливать по каплям раствор едкого натра, то наблюдается образование студенистого осадка гидроксида алюминия:
белого цвета осадок
3) AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3↓ + 3NaCl
Сокращенное ионное уравнение этой реакции:
Al3+ + 3OHˉ → Al(OH)3↓
Если на гидроксид алюминия подействовать какой-либо кислотой, например соляной, то осадок исчезнет и получится прозрачный раствор: происходит реакция с образованием растворимой в воде соли алюминия и воды:
Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
Или ионное уравнение:
Al(OH)3 + 3H+ → Al3+ + 3H2O
В этой реакции гидроксид алюминия проявляет свойства основания.
К гидроксиду алюминия прибавляем 3-5 капели 2н. раствора едкого натра. Al(OH)3 обладает амфотерными свойствами. Он растворяется в щелочах с образованием комплексной соли, разлагающейся с выделением воды до алюмината – соли алюминиевой кислоты НАlО2:
Al(OH)3 + 3NaOH → Na3[Al(OH)6]3-
избыток гексагидроксо-3-алюминат натрия
В этой реакции гидроксид алюминия проявляет свойства кислоты. Осадок растворяется, раствор прозрачный.
Схема равновесия диссоциации гидроксида алюминия:
Al(OH)3 → Al3+ + 3OHˉ
Гидроксид алюминия проявляет свойства кислоты и основания т.е. он амфотерен.
Вывод: Гидроксид алюминия Al(OH)3 выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия и легко образуют коллоидные растворы. Гидроксид алюминия – типичный амфотерный гидроксид. С кислотами он образует соли, содержащие катион алюминия, со щелочами – алюминаты. При взаимодействии гидроксида алюминия с водными растворами щелочей или при растворении металлического алюминия в растворах щелочей образуется гидроксоалюминаты.