1 1 Alkalijski i zemnoalkalijski metali 2 Glavna svojstva atoma koja odreñuju svojstva pojedinih elemenata i njihovih spojeva • Elektronska konfiguracija • Veličina atoma i iona • Energija ionizacije • Elektronegativnost 1. skupina elemenata tzv. alkalijski metali imaju svi 1 valentni elektron : [X] ns 1 2. skupina elemenata tzv. zemnoalkalijski metali imaju svi 2 valentna elektrona : [X] ns 2
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
1
Alkalijski i zemnoalkalijski
metali
2
Glavna svojstva atoma koja odreñuju svojstva pojedinih
elemenata i njihovih spojeva
• Elektronska konfiguracija
• Veličina atoma i iona
• Energija ionizacije
• Elektronegativnost
1. skupina elemenata tzv. alkalijski metali imaju svi
1 valentni elektron: [X] ns1
2. skupina elemenata tzv. zemnoalkalijski metali imaju svi
2 valentna elektrona: [X] ns2
2
3
Alkalijski metali (1. skupina)
Zemnoalkalijski metali (2. skupina)
Lantanoidi
Aktinoidi
1
2
43 65 7 8 9 10 11 12
15 16 17
18
1413
4
Element Godina otkrića Istraživači Li 1817 I. Arfvedson Na 1807 H. Davy K 1807 H. Davy Rb 1861 R. Bunsen, G. Kirchhoff Cs 1861 R. Bunsen, G. Kirchhoff Fr 1939 M. Perey Be 1798 L. Vauquelin Mg 1808 H. Davy Ca 1808 H. Davy Sr 1790 A. Crawford Ba 1774 C. Scheele, O. Hahn Ra 1898 M. Curie, P. Curie
Otkriće alkalijskih i zemnoalkalijskih metala
3
5
Li Li
Na Na
K K
Rb Rb
Radioaktivan-Fr
Li
Na(žuto)
K(ljubičasto)
Rb(crveno)
Cs(plavo)
Cs Cs
Soli boje plamen Pokus: Bojenja plamena Li i Na
Alkalijski metali
Stari kemičari ih zvali alkalijski metali. Al-quili (arap.)-biljni pepeo, sadrži K2CO3, Na2CO3, koji s vodom daju alkalijsku bazičnu otopinu.
(karmin crveno)
6
Relativne
atomske
mase
Talište
/ oC
Vrelište
/ oC
Gusto ća
/ g cm -3
Polumjer
atoma
/ pm
Ionski
polumjer
/ pm
Li 6,94 180,5 1342 0,53 152 76
Na 22,99 97,8 882,9 0,97 186 102
K 39,1 63,3 759,9 0,856 227 138
Rb 85,47 38,9 686 1,53 248 152
Cs 132,91 28,4 669 1,873 265 167
Fizička svojstva alkalijskih metala
Srebrno bijeli, mekani; male temperature vrenja i taljenja; male gustoće; imaju najveći polumjer atoma u odgovarajućoj periodi.Za Fr nema gotovo nikakvih podataka.Metalna veza slaba jer je u vezi angažiran samo jedan elektron-niska tališta i vrelišta, malu gustoću i tvrdoću.
Alkalijski metali zbog male Ei (Li 520 do Cs 376 kJ/mol) i malog koeficijenta elektroneg. (1,0 do 0,7) su ekstremno reaktivni -prave s nemetalima ionske spojeve - soli.Ne dolaze u prirodi u elementarnom stanju, nego samo u spojevima uvijek kao kationi +1 naboja, ali se u nazivlju ne piše naboj kationa. Alkalijski metali se čuvaju u petroleju ili ulju bez vlage.
Prva energija
ionizacije
Ei,1 / kJ mol -1
Druga energija
ionizacije
Ei,2 / kJ mol -1
Relativni koeficijent
elektronegativnosti
χχχχ
Standardni elektrodni
potencijal
Eө / V
M+(aq) + e¯→ M(s)
Li 520 7296 1 -3,05
Na 496 4563 0,9 -2,71
K 419 3069 0,8 -2,93
Rb 403 2640 0,8 -2,93
Cs 376 2260 0,7 -2,92
Svojstva atoma 1. skupine
8
Zašto Li ima najveći, Eê, a onda od Na do Cs on raste??
Energija ionizacije, Ei,1 je energija koju je potrebno utrošiti da se atomima u plinovitom stanju oduzme elektron i nastaje plinoviti kation. Li ima najveću Ei,1, a ostalima pada duž skupine.
M(g) –e- = M+(g) Ei,1= +
Standardni elektrodni potencijal, Eê (redoks potencijal) odnosi se na atome metala u čvrstom stanju kada njegovi ioni idu u otopinu.
M(s) –e- = M+(aq)
Redoks potencijal se sastoji od tri meñustupnja:M(s) = M(g) Esub. = + Mg) -1e- = M+(g) Ei,1 = +M+(g) + aq = M+(aq) Ehidr.= -
Litij ima zbog malog radijusa Ehidr. = - >> veću od Ei,1= +, pa zato pravi reakciju energetski povoljnijom nego za isti tip reakcije drugih metala u skupini. Li je najjače redukcijsko sredstvo.
5
9
• Litij (0,006) nalazimo u alumosilikatima i fosfatima, mineralu lepidolitu, K2Li3Al5Si6O20F4.
• Natrij (2,63 %) nalazimo ga u moru (2,7 % NaCl), kamenoj soli, NaCl, almosilikatima, čilskoj salitri, NaNO3, kriolitu, Na3AlF6 i troni,
2 Na5(CO3)2(HCO3)2 · H2O.
• Kalij (2,40 %) nalazimo u biljkama, silikatima, u morskoj vodi, silvin,
• Rb(s) + O2(g) � RbO2(s) superoksidZašto samo Li daje Li2O?
Izgaranjem Li na zraku ili kisiku oslobaña se dovoljno topline koja je dovoljno da pocjepa O=O vezu u molekuli kisika, pa se u njegovu oksidnu rešetku ugrañuje O2- ion.
Pri ostalim elementima skupine ne razvija se dovoljno topline da bi se veza u O=O mogla pocijepati, pa seu kristalnu rešetku ugrañuje čitava molekula, pa nastaju peroksidi, O2
2- kod Na ili uz višak Na (jako redukcijsko sredstvo) nastaje oksid.
Dok kod K, Rb i Cs nastaju superoksidi (O2-) koji nastaju naknadnom oksidacijom primarno
stvorenog peroksida.
U ionskom spoju je privlačna sila izmeñu kationa i aniona u kristalnoj rešetki to veća što je uz isti anion i isti naboj kationa radius kationa manji.
•Litijev karbonat, Li2CO3, litijev bromid, LiBr - koriste se u terapiji neuroloških poremećaja.
•Litij jod baterija - za stimulaciju srčanog mišića
•Legura s Al (1% Li).
•*Reakcija litijeva hidroksida prikazana jednadžbom koristi se u spice shutlu i podmornicama
za uklanjanje viška ugljikovog dioksida.
Uporaba:•Redukcijsko sredstvo LiAlH4:
9
17
Natrijevi spojevi
NaOH, natrijev hidroksid
Dobiva se elektrolizom otopine natrijeva klorida, NaCl (uparavanjem otopine). Katodni i anodni prostor odjeljeni.
Katoda (-): 2H2O +2e-→→→→ H2 (g) + 2OH-
Anoda (+): 2Cl- -2e-→→→→ Cl2(g)Uporaba pri proizvodnji sapuna, viskoze, celuloze, papira, kao baza u industriji.
NaCl, natrijev klorid (kuhinjska sol , halit)Dobivanje NaCl:- Rudarskim kopanjem; - Otapanjem u vodi naslaga kamene soli do zasićenja. Slana voda se
crpi na površinu i uparava (Tuzla);- Uparavanjem morske vode (Pag). Upotreba za proizvodnju spojeva natrija i klora, posipanje cesta, industriji kože, tekstila, papira, kao začin, za konzerviranje hrane...itd.
18
NaHCO3, natrijev hidrogenkarbonat i Na2CO3, natrijev karbonat
• Ca(OH)2 + 2 NH4Cl → 2 NH3(g) + CaCl2(s) balast, ali služi u kemiji za sušenje
žarenje
Upotreba:
Na2CO3 se koristi u industrija gnojiva, proizvodnja stakla, boja, štavljenju kože... NaHCO3 kao prašak za pecivo, u proizvodnji gaziranih pića... Bezvodan Na2CO3 higroskopan –nekad ga egipčani koristili za dehidraciju leša pri mumificiranju pritom nastaje Na2CO3�10H2O.Na2CO3� 10H2O se u prirodi nalazi kao mineral ”soda”.
10
19
Zračni jastuk - u autima NaN3 u sigurnosnim pojasima
2 NaN3(s) 2 Na(l) + 3 N2(g)
Natrijev azid
20
KOH, kalijev hidroksid
Elektrolizom vodene otopine KCl, gdje je katodni prostor odjeljen od anodnog pomoću polupropusne membrane.
Upotreba: umjetna gnojiva- KNO3 i KCl, u kemijskoj industriji KOH i K2CO3
kao i druge kalijeve soli.
Kalijevi spojevi
∆T
Rubidijevi i cezijevi spojeviSpojevi nemaju neku primjenu.Upotreba Rb i Cs za fotoćelije.
11
21
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
ZEMNOALKALIJSKI METALI
Radioaktivan- Ra
Pokus: Bojenje plamena Ba i Sr
Boje plamen (Ca, Sr, Ba)
22
Relativne
atomske
mase
Talište
/ oC
Vrelište
/ oC
Gusto ća
/ g cm -3
Polumjer
atoma
/ pm
Ionski
polumjer
/ pm
Be 9,01 1278 2970 1,85 112 31
Mg 24,30 648,8 1090 1,74 160 72
Ca 40,08 839 1484 1,54 197 110
Sr 87,62 769 1384 2,60 215 118
Ba 137,3 725 1640 3,51 222 135
Zemnoalkalijski metali imaju svi 2 valentna elektrona: [X] ns2
Stari kemičari sve tvari stabilne pri zagrijavanju nazivali “zemlje”, a ove zemlje MgO, CaO daju s vodom alkalnu reakciju - nazvani zemnoalkalijski.U metalnoj vezi zemnoalkalijskih metala sudjeluju po dva elektrona pa zato imaju viša tališta i vrelišta i veću gustoću i tvrdoću od alkalijskih.
Neka svojstva elemenata 2. skupine
12
23
Zemnoalkalijski metali su jaka redukcijska sredstva, u spojevima kationi
+2 naboja- ionski spojevi- izuzetak Be.
Zemnoalkalijski metali stabilni na zraku-presvlače slojem oksida i nitrida.
Ei,1
/ kJ mol -1
Ei,2
/ kJ mol -1
Ei,3
/ kJ mol -1 χχχχ
Eө / V
M2+ +2e¯ →→→→ M
Be 899 1757 14848 1,5 -1,7
Mg 738 1450 7733 1,2 -2,36
Ca 590 1145 4912 1,0 -2,87
Sr 549 1064 4210 1,0 -2,89
Ba 503 965 3430 0,9 -2,90
Svojstva atoma 2. skupine
(s)(aq)
24
• Berilij (0,0006 %). Mineral beril, Be3Al2Si6O18 sadrži najviše berilija.
• Magnezij (1,93 %). Dolazi kao dolomit, MgCO3� CaCO3 ; magnezit, MgCO3; karnalit, KCl� MgCl2� 6H2O; brucit, Mg(OH)2 i morskoj vodi w(MgO) =1,5% i u silikatima i alumosilikatima.
• Kalcij (3,39 %). Kalcij nalazimo u različitim spojevima. Sedimentnoj stijeniCaCO3, vapnencu- (kao kalcit- izgrañena brda, biseri, koralji, školjke, mramor >p,T, i kao kreda).
CaCO3, polimorfan: kalcit (heksag.), aragonita (romp.) i vaterit (monokl.).CaSO4�2H2O, gipsu ili sadri (čisti zrnati bijeli zvan alabaster);CaF2, fluoritu
Ca5(PO4)3�X, apatitu (X=F-, Cl-, OH-);Ca3(PO4)2, fosforitu i CaCO3� MgCO3, dolomitu
• Stroncij (0,02 %). U mineralima stroncijanitu, SrCO3 i celestinu, SrSO4.
• Barij (0,04 %) . Nalazimo ga u mineralima viteritu, BaCO3 i baritu BaSO4.
AaZastupljenost zemnoalkalijskih metala na Zemlji
13
25
Dobivanje zemnoalkalijskih metala
Element Postupak dobivanja Berilij Postupcima rasčinjavanja s Na2SiF6 minerala berila
Be3Al2Si6O18 dobiva se otopina Na2BeF4 iz koje se prethodno odvoje talozi Na2AlF6 i SiO2 , a otopina upari da se dobije čvrsta smjesa BeF2 i NaF koja se rastali uz dodatak BaF2 (da se poveća vodljivost) i elektrolizom na K(-) izlući se elementarni Be.
oksida aluminijom. Barij Elektroliza vodene otopine barijevog klorida uz živinu
katodu.
Zemnoalkalijski metali dobivaju se elektrolizom talina soli (halogenida)
26
M(s)
X2(g)Reakcije s halogenimelementima.
MX2
Osim berilijevih halogenidasoli su ionskog karaktera. Halogenidi topljivi u vodi.
N2(g)
M3N2(s)
H2O(l)
M(s) + 2H2O M(OH)2 + H2(g)
H2(g)
O2(g)
Hidroksidi slabo topljiviu vodi. Topljivost se povećava s povećanjemionskog radijusa.
MH2(s)
Ovisno o metalu
nastaju:
MO(s)
(Ba) MO2(s)
Reakcije zemnoalkalijskih metala
POKUS : Otapanje Ca u vodi
nitrid
hidrid
14
27
• Berilij i njegovi spojevi razlikuju se u odnosu na ostale zemnoalkalijske metale po mnogim svojstvima.
+_
Berilij s malim ionskim radijusom (31 pm)i elektronegativnošću od 1,5 uz naboj 2+ polarizira većinu aniona i zato njegovi spojevi imaju kovalentni karakter.
Mineral beril, Be3Al2Si6O18 -čisti kristali s nešto iona Cr3+- smaragd (zelen), dok sa Co2+- akvamarin (plav)
Be se otapa u kiselinama kao i ostali elementi 2. skupine uz razvijanje vodika:
M(s) + 2 H+(aq) →→→→ M2+ + H2
Be je jedini amfoteran otapa se i u bazama uz razvijanje vodika i nastank topljivog berilatnog iona:Be(s) + 2 OH- + 2 H2O →→→→ [Be(OH)4]
2- + H2
Spojevi berilija su OTROVNI.
Upotreba: Be(s) se koristi za prozore u rentgenskoj cijevi, jer propušta rentgenske zrake; Be legure s Cu- veliku tvrdoću; Be služi kao izvor neutrona u atomskim reaktorima.
15
29
MgO, magnezijev oksid
MgO ima visoku temperaturu tališta (2800oC) pa se koristi za oblaganjeunutrašnjosti peći (npr u metalurgiji) MgO se dobiva se zagrijavanjem magnezijeva hidroksida ili magnezijeva
karbonata:
MgCO3(s) MgO(s) + CO2(g)
MgSO4�7H2O, magnezijev sulfat heptahidrat (gorka sol)Gorka sol služi kao purgativ (naročito u veterinarstvu) i medicini.
Upotreba Mg i spojeva: Mg kao redukcijsko sredstvo, u fotografiji, za legure (Al, Mn, Mg, Zn), a spojevi u grañevinarstvu i kemijskoj industriji, medicini..
Spojevi magnezija
1400oC
30
CaCO3 , kalcijev karbonat-vapnenac je netopljiv u čistoj vodi.
Od vapnenca su načinjene čitave planine, a nastaje kao u prošlosti i danas taloženjem kostura morskih životinja na dno mora (organskog porijekla) ili taloženjem iz voda bogatih kalcijevim hidrogenkarbonatom (anorg. porijekla).
Prozirni kristali kalcita (nañeni na Islandu) tzv. islandski dvolomac rastavljaju zraku svijetlosti u dvije polarizirane zrake, pa se upotrebljavaju kao Nicolove prizme u polarizacijskim aparatima .
Vapnenac, CaCO3(s) se otapa u vodi u kojoj je otopljen CO2:
Proces otapanja vapnenca je zapravo njegovo otapanje u ugličnoj kiselini (karbonatnoj) jer: CO2(g) + H2O(l) × H2CO3(aq)
Nastaje topljivi kalcijev hidrogenkarbonat koji koriste školjkaši za izgradnju kućica, a tako nastaje i prolazna tvrdoća prirodne vode.
Spojevi kalcija
16
31
Reverzibilni proces je taloženje vapnenca u spiljama (gdje je slabostrujanja zraka i relativno niska temperatura-polagano ishlapljuje voda).Nastaju stalagmiti (na zemlji) i stalaktiti (sa stropa). Kemijski proces jeidentičan pri stvaranju kamenca npr.u bojlerima:
Ca(HCO3)2(aq) = CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
Postojnska jama
Voda koja sadrži Ca2+ i HCO3-
ione u obliku kapljica prodire polako kroz pukotine na stropupolako isparava voda zajedno s CO2 i zaostaju čestice CaCO3.
Čitavi proces iz TV-emisija”Postojn.jama”:“Kalcijev karbonat prelazi u tekućinu i onda natrag u kalcijev karbonat”.
32
CaO, kalcijev oksid i Ca(OH)2, kalcijev hidroksid
• Zagrijavanjem na oko 1000oC se CaCO3 prevodi do CaO (POKUS).
• Kalcijev sulfat je topljiviji u vodi od karbonata.
Sumporna kiselina nastaje u prirodi oksidacijom sulfidnih ruda djelovanjem bakterija. H2SO4 nastaje u gradovima gorenjem fosilnih goriva (nafte, ugljena, zemnog plina)- nastajeSO2 koji se s NO2 oksidira u SO3(g) koji s vodom daje sumpornu kiselinu.
34
Spojevi
Sve soli se odvode od SrS, koji se dobiva zagrijavanjem SrSO4
i koksa C:
SrSO4(s) + 4 C(s) →→→→ SrS(s) + 4 CO(g)
• Reakcijom topljivog strocijevog sulfida s odgovarajućom kiselinom dobije se željena sol kao npr.:
SrS(aq) + 2 HNO3(aq) → Sr(NO3)2(aq) + H2S(g)
Upotreba soli u pirotehnici posebno nitrata koje boje plamen crveno.
Spojevi stroncija
18
35
Svi barijevi spojevi topljivi u vodi su otrovni.
Sve soli se odvode od BaS, koji se dobiva zagrijavanjem barita BaSO4 i
koksa C (a onda BaS s odgovarajućom kiselinom daje željeni spoj):
BaSO4(s) + 4C(s) →→→→ BaS(s) + 4CO(g)
Značajni spojevi
BaCl2�2H2O, barijev klorid dihidrat
Vodena otopina BaCl2(aq) je reagens na sulfatni SO42- ion u analitičkoj
kemiji: Ba2+ + SO42-→→→→ BaSO4(s)
BaSO4, barijev sulfat
• BaSO4 (s) zbog netopljivosti u vodi koristi u medicini za ispitivanje želuca jer apsorbira rentgenske zrake, u kozmetici, punilo pri proizvodnji papira, bijele boje...
• Soli boje plamen zeleno pa se koriste u pirotehnici naročito Ba(NO3)2. Ba se koristi za uklanjanje tragova O2 i N2 iz vakuum cijevi.
Barij i njegovi spojevi
36
Biološka uloga alkalijskih i zemnoalkalijskih metala