Химия элементов I- III групп и их соединений.

Элементы IА группы периодической системы Д. И. Менделеева Li, Na, К, Rb, Сs, Fr называют щелочными металлами. Своими небольшими плотностями, невысокими температурами плавления и 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