Dla pierwiastków bloku s elektrony walencyjne to: ns, gdzie n to ostatnia powłoka

Transkrypt

1

2 Spis treści Pierwiastki bloku s na tle układu okresowego Konfiguracja elektronowa litowców Konfiguracja elektronowa berylowców Charakterystyka litowców Właściwości chemiczne litowców Występowanie i znaczenie litowców Zastosowanie litowców Charakterystyka berylowców Właściwości chemiczne berylowców Twardość wody Znaczenie magnezu i wapnia dla organizmu Hel Wodór - właściwości chemiczne -- metody otrzymywania

3 Litowce Wodór Berylowce Hel Dla pierwiastków bloku s elektrony walencyjne to: ns, gdzie n to ostatnia powłoka

4 Pierwiastki grupy 1 ( grupa I A) litowce / metale alkaliczne/

5 Pierwiastki grupy 2 ( grupa II A) berylowce / metale ziem alkalicznych /

6 Cechą wspólną jest powłoka walencyjna złożona z jednego orbitalu typu s, na którym jest tylko jeden elektron (ns 1 ). Wartościowość litowców jest stała. Zawsze występują na +I stopniu utlenienia. Wiąże się to z trwałością konfiguracji na powłokach bliższych jądru. Poczynając od litu, u każdego następnego litowca elektron ten znajduje się coraz dalej od jądra atomowego. Oderwanie więc tego elektronu jest coraz łatwiejsze,. dlatego reaktywność litowców wzrasta wraz ze wzrostem masy atomowej pierwiastka. Litowce mają najmniejszą elektroujemność wśród pierwiastków układu okresowego: Li 1,0; Na - 0,9; K - 0,8; Rb - 0,8; Cs - 0,7 przy czym zmniejsza się ona w miarę wzrostu odległości elektronu walencyjnego od jądra.

7 Właściwości fizyczne litowców Budowa krystaliczna Barwa srebrzysto biała Połysk metaliczny Gęstość bardzo lekkie lit, sód i potas mają gęstość mniejszą od wody Temperatury topnienia niskie ( o C) Przewodnictwo elektryczne bardzo dobre Twardość bardzo miękkie Metale alkaliczne są niezwykle reaktywne. W jaki sposób bezpiecznie je przechowywać? Aby nie dopuścić do reakcji litowca z otoczeniem, przechowuje się go w pojemniku z naftą lub inną nie reaktywną cieczą. W przypadku rubidu i cezu to nie wystarcza. Wchodzą w reakcje z cieczą. Oba metale przechowywane są w szklanych, próżniowych wypełnionych obojętnym gazem ampułkach.

8 Właściwości chemiczne litowców Litowce to najbardziej reaktywne pierwiastki chemiczne (najsilniejsze reduktory). Lit ma najniższy potencjał standardowy, bo ma bardzo wysoką energię hydratacji. Potencjał standardowy Pierwiastek E o [V] Lit Sód Potas Rubid Cez Identyfikacja soli litowców metodą płomieniową Wzbudzone atomy pierwiastków dają widmo w zakresie fal widzialnych, co jako tzw. próba płomienia służy do identyfikacji pierwiastków; i tak: lit - karminową, sód żółtą, potas fioletową, rubid fiołkowo-różową, cez niebieską

9 1. Spalanie Tylko w przypadku litu normalnym produktem spalania w powietrzu jest prosty tlenek. Produktem spalania sodu jest nadtlenek Na 2 O 2 z jonem O 2 2 Produktami spalania potasu, rubidu i cezu są ponadtlenki MeO 2 zawierające jony O 2 4Li O2 2Li2O 2Na O 2 Na 2O2 K O 2 KO 2 K[ + ] O O Otrzymane związki reagują z wodą dając wodorotlenki i ewentualnie wydziela się tlen 4MO 2 + 2H 2 O 4MOH + 3O 2 2M 2 O 2 + 2H 2 O 4MOH + O 2 M 2 O + H 2 O 2MOH 2. Reakcja z wodą Bardzo gwałtownie reagują z wodą :2 M + 2H 2 O 2 MOH + H 2 Przebieg tej reakcji jest tym gwałtowniejszy im większa liczba atomowa litowca najsilniejsza zasada to CsOH.

10 3. Reakcje z wodorem M + H 2 2MH stopień utlenienia wodoru: -I, metalu I wodorki w reakcji z woda dają wodorotlenki i wydziela się wodór MH + H 2 O MOH + H 2 4. Reakcje z azotem, siarką i fluorowcami Z azotem tworzą azotki: 6M + N 2 = 2M 3 N M 3 N + 3H 2 O = 3MOH + NH 3 Z siarką dają siarczki M 2 S, wodorosiarczki MHS i wielosiarczki Z fluorowcami dają sole 5. Reakcje z kwasami Reagują z kwasami wypierając wodór i tworząc sole

11 Występowanie i znaczenie litowców Bardzo duża aktywność powoduje, że w warunkach normalnych występują jedynie w postaci związków chemicznych. Najbardziej rozpowszechnionym metalami grupy pierwszej jest sód i potas. Sód jest najtańszym i najłatwiej dostępnym litowcem. Występuje w znanym minerale- chlorku sodu, czyli soli kuchennej. Ogromne ilości NaCl zawiera woda morska (10500 ppm). Frans występuje w śladowych ilościach w minerałach uranowych. Spowodowane jest to jego promieniotwórczością. Najtrwalszy izotop fransu ma T 1/2 krótszy niż 30 minut. Ale skąd w ogóle frans znajduje się w Ziemi? Otóż powstaje on w szeregu aktynowym, z rozpadu uranu Sód i potas są nieodzownymi składnikami tkanki zwierzęcej i roślinnej. Oprócz spełniania podstawowych funkcji fizjologicznych, jak np. ułatwianie obiegu wodnego, jony te odgrywają szczególna rolę. Sód hamuje aktywność enzymów mięśniowych i jest niezbędny do kurczenia się wszystkich mięśni zwierzęcych.

12 Potas reguluje równowagę wodną organizmu, utrzymuje prawidłowy rytm serca, wpływa na równowagę kwasowo zasadową,utrzymuje właściwe ciśnienie osmotyczne, ułatwia myślenie; zaopatruje mózg w tlen, pomaga w usuwaniu produktów przemiany materii, bezwzględnie potrzebny do syntezy białek, udziela się w metabolizmie węglowodanów Ocenia się, że organizm zawiera około 150 gramów potasu, natomiast stężenie potasu w krwi utrzymuje się w granicach od 3,7 do 5 mmol/l. Lit jest jednym z najcenniejszych mikroelementów. Zapobiega chorobom serca, cukrzycy i nadciśnieniu, działa pobudzająco na szpik kostny. Niedobór powoduje stany depresyjne. W życiu roślin ważniejszy od sodu jest potas. Przez to ponad 90% zawartości alkalicznych popiołów stanowi właśnie ten pierwiastek. Rośliny mają tak ogromne zapotrzebowanie na potas, że w przypadku gleby bardziej bogatej w sód, jony K + wchłaniane są w pierwszej kolejności.

13 Zastosowanie litowców Lit (Li) dodatek do stopów, odtleniacz w produkcji innych metali, do wyrobu anod w bateriach o długim czasie życia (ogniwo litowe), w lecznictwie (węglan litu - stosowany przy leczeniu depresji) Sód (Na) metalurgia, produkcja szkła sodowego, nawozy sztuczne, chłodziwo w reaktorach atomowych, środki bielące i detergenty, kuchnia Potas (K) chłodziwo w reaktorach jądrowych, nawozy, pokrywanie wnętrz fotokomórek, szare mydło; Rubid (Rb) składnik świetlówek, geochronologia i fotokomórki Cez (Cs) liczniki scyntylacyjne (jest to detektor promieniowania jonizującego), katalizatory, fotokomórki Frans (Fr) Wskaźnik obecności rud uranowych

14 Posiadają konfigurację elektronową ns 2 - dwa elektrony walencyjne na podpowłoce s. W wyniku wzbudzenia jeden z elektronów s przechodzi na podpowłokę p. W porównaniu do litowców mają mniejszą objętość (większy ładunek jądra silniej przyciąga elektrony) i większą gęstość (co wynika z poprzedniego). Reaktywność berylowców, mimo, iż mniejsza niż litowców, jest znaczna i wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Wszystkie berylowce występują na +II stopniu utlenienia. Wykazują silne właściwości redukujące. Z małymi rozmiarami atomu oraz "ze stosunkowo wysoką, jak na resztę grupy, elektroujemnością berylu wiąże się jego tendencja do tworzenia wiązań o charakterze kowalencyjnym, podczas gdy pozostałe metale o znacznie większych rozmiarach atomów i niższej elektroujemności występują głównie w związkach jonowych. radioaktywne

15 Metale Barwa srebrzysto biała Niewielka gęstość Łatwo topliwe Z wyjątkiem berylu miękkie Właściwości fizyczne Występowanie Berylowce nie występują w stanie wolnym, ponieważ mają znaczną reaktywność. Magnez i wapń występują pospolicie w skorupie ziemskiej. Stront i bar występują rzadziej, a beryl jeszcze rzadziej. Rad występuje jedynie w śladowych ilościach (około 6x10-7 ppm) w rudach uranu.

16 Właściwości chemiczne Barwienie płomienia: Ca - ceglasto czerwony, Sr karminowo czerwony, Ba żółto zielony Reakcja z tlenem Mg pali się jasnym płomieniem Ca, Sr, Ba z tlenem reagują gwałtownie dlatego przechowywane są pod naftą. Ba i Sr tworzą również nadtlenki: Me + O 2 MeO 2 Żaden z berylowców nie tworzy ponadtlenków (w odróżnieniu od litowców!). Nadtlenki tworzą się w bardziej drastycznych warunkach niż tlenki berylowców i jakiekolwiek tlenki litowców. Reakcja z wodą -Be z wodą nie reaguje (aby reakcja berylu z wodą zaszła efektywnie należy podgrzać ją niemal do wrzenia). -Mg tylko na gorąco, -Ca, Ba gwałtownie jak Na i K, - moc i rozpuszczalność wodorotlenków berylowców rośnie ze wzrostem masy atomowej pierwiastka.

17 Reakcje z fluorowcami W podwyższonej temperaturze berylowce wiążą się z fluorowcami tworząc halogenki typu MeX 2 : Me + X 2 MeX 2 (Me=Be, Mg, Ca, Sr, Ba; X=F, Cl, Br, I) Wszystkie halogenki berylu mają budowę kowalencyjną polimeryczną a pozostałe są jonowe. Reakcje z siarki Beryl i magnez w podwyższonej temperaturze reagują z siarką tworząc siarczki: Me + S MeS (Me=Be, Mg) Siarczki Ca, Sr i Ba częściej otrzymuje się w reakcji na gorąco wodorotlenków z H 2 S: Me(OH) 2 + H 2 S MeS + 2H 2 O (Me=Ca, Sr, Ba) Reakcje z kwasami Wypierają wodór z kwasów tworząc sole Beryl nie roztwarza się na zimno w kwasie azotowym(v) (ulega pasywacji). Rozcieńczony kwas siarkowy(vi) i solny reaguje z berylem już w temperaturze pokojowej.

18 Amfoteryczność berylu Beryl, jest jedynym pierwiastkiem bloku s wykazującym charakter amfoteryczny, pozostałe wykazują charakter zasadowy. Be + 2HCl BeCl 2 + H 2 Be + 2NaOH + 2H 2 O Na 2 [Be(OH) 4 ] + H 2 Wszystkie związki berylu mają słodki smak i są silnie trujące. Wdychanie berylu i jego związków może być przyczyną poważnych chorób układu oddechowego, a stykanie się rozpuszczalnych związków berylu ze skórą może wywoływać jej stany zapalne. Tworzenie wodorków Wszystkie berylowce (poza berylem) w reakcji z wodorem tworzą wodorki MeH 2 Reakcja z azotem Berylowce spalają się w azocie tworząc azotki typu Me 3 N 2 (azotek berylu jest dość lotny): 3Me + N 2 Me 3 N 2 (Me=Be, Mg, Ca, Sr, Ba)

19 Twardość wody Obecność różnych soli, głównie wodorowęglanów, chlorków i siarczanów wapnia i magnezu wywołuje tzw. twardość wody, która utrudnia pienienie się mydła i innych środków piorących. Przy gotowaniu wody wodorowęglany przechodzą w znacznie trudniej rozpuszczalne węglany, które strącają się w postaci tzw. kamienia kotłowego: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Twardość wody wywołana obecnością wodorowęglanów zwana jest twardością przemijającą, którą poza gotowaniem wody, da się usunąć poprzez wprowadzenie roztworu zasadowego: Ca(HCO 3 ) 2 + 2Ca(OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O gdy w wodzie znajduje się wodorowęglan magnezu, strąca się jeszcze wodorotlenek magnezu: Mg(HCO 3 ) 2 + 2Ca(OH) 2 2CaCO 3 + Mg(OH) 2 + 2H 2 O Trwała twardość wody (czyli taka, która spowodowana jest obecnością chlorków lub siarczanów), usuwana jest poprzez destylację lub demineralizację za pomocą jonitów (wymieniaczy jonowych). Jonity to substancje wielocząsteczkowe, o skomplikowanej budowie.

20 Znaczenie magnezu i wapnia dla organizmu Magnez jest niezbędny w organizmie człowieka do działania około 80 enzymów i aktywacji witaminy B1. Uczestniczy w odbudowie fosforanowych źródeł energetycznych skurczu mięśniowego, kwasu ATP i fosforanu kreatyny. Magnez uczestniczy w syntezie i stabilizacji kwasów nukleinowych DNA i RNA, zapewnia funkcjonowanie mitochondriów komórkowych, uczestniczy, razem z wapniem, w funkcjonowaniu tkanki nerwowej i mięśniowej. Brak magnezu pogłębia stany depresyjne. Magnez bierze udział w przesyłaniu impulsów nerwowych a zwłaszcza w utrzymaniu prawidłowego rytmu pracy serca. Magnez poprawia wchłanianie potasu oraz chroni komórki mięśnia sercowego i komórki nerwowe przed niszczącym działaniem wolnych rodników, substancji toksycznych i w efekcie tego, zmian miażdżycowych w układzie krwionośnym. Wapń jest pierwiastkiem budulcowym i regulacyjnym w organizmie. W ciele dorosłego człowieka znajduje się około 1000 gramów wapnia. Prawie 99% tego pierwiastka znajduje się w szkielecie kostnym. Pozostały 1% znajduje się w osoczu krwi, w trzech postaciach. Około 48% wapnia w krwi jest w postaci zjonizowanej, 46% znajduje się w powiązaniu z białkami, reszta występuje w kompleksach z cytrynianami, fosforanami i białczanami. Sole wapnia wchodzą w skład kośćca i zębów, zapewniając ich odpowiednią wytrzymałość i twardość.

21 Wodór i hel, należące do pierwiastków bloku s, są niemetalami (gazami) o właściwościach całkowicie odmiennych od właściwości pozostałych pierwiastków bloku. Mają jednak podobną konfigurację elektronową powłoki walencyjnej i to jest przyczyną umieszczenia ich w tej grupie. Gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu. Wykazuje najniższą temperaturę wrzenia: C Skroplony hel występuje w 2 odmianach: hel I własności cieczy (poniżej 4K) hel II nadciekły powstaje w temp. 2,17 K i p = ok Pa ma bardzo małą lepkość i bardzo dobre przewodnictwo cieplne (1000 razy większe od przewodnictwa miedzi) - stan nadciekły helu Występuje w postaci cząsteczek jednoatomowych, cząsteczka He 2 jest nietrwała Rozrzedzony podczas wyładowań elektrycznych emituje żółte światło Nieznane są żadne związki He.

22 Występowanie Hel jest drugim po wodorze pod względem rozpowszechnienia we Wszechświecie. Jego zawartość w powietrzu wynosi0,0005( % obj.) Otrzymywanie a) frakcjonowana destylacja powietrza b) He uzyskuje się też z gazu ziemnego c) He i Ar powstają wskutek naturalnych przemian promieniotwórczych, np. 226 Ra 222 Rn + 4 He przemiana α ( 4 He) Zastosowanie helu do napełniania balonów (nie jest palny i nie przenika przez powłokę balonu) mieszanina O 2 i He - gaz, którym oddychają nurkowie przy podwyższonym ciśnieniu. skroplony He (4 K) w laboratoriach naukowych ciekły hel stosowany jest do otrzymywania najniższych temperatur, tzw. helowych w kriotechnice

23 Elektroujemność wodoru znacznie różni się od elektroujemności innych pierwiastków 1 grupy. W skali Allreda i Rochowa wynosi 2,20 ( dla porównania elektroujemność litowców 0,97 0,86, a fluorowców 4,10 2,21) Wodór nie jest więc litowcem. W związkach występuje na dwóch stopniach utlenienia: +1 (H + ) proton (podobieństwo do litowców) -1 (H ) jon wodorkowy (dwa elektrony na powłoce -konfiguracja elektronowa helu). Przyłączenie 1 elektronu podobieństwo do fluorowców. Izotopy wodoru: H 1 1H D 1 2H T 1 3H prot deuter tryt 99,98% 0,016% ok % T (tryt) jest promieniotwórczy, ulega rozkładowi: D (deuter) służy do produkcji ciężkiej wody D 2 O

24 Właściwości chemiczne wodoru H 2 w temp. pokojowej jest niezbyt aktywny chemicznie 1) Reakcja wodoru z tlenem H 2 + ½ O 2 = H 2 O (silnie egzotermiczna) do 450 K brak reakcji K powoli > 720 K wybuchowo mieszanina piorunująca mieszanina H 2 : O 2 = 2 : 1 2) W podwyższonych temperaturach H 2 jest silnym reduktorem 3) Tworzenie wodorków

25

26 1) typu soli połączenia jonowe, zawierają jon wodoru Tworzone przez: litowce i berylowce z wyjątkiem Be, Mg reagują z wodą, np. C ah 2 : + H 2 0 CaO + 2H 2 2) wodorki kowalencyjne wiązanie kowalencyjne tworzone przez: Be, Mg (2.) B, Al (13.) weglowce (14.) azotowce (15.) tlenowce (16.) fluorowce (17.) Dla X o dużej elektroujemności wiązania kowalencyjne spolaryzowane W grupie fluorowców (17) najbardziej spolaryzowane wiązanie wykazuje HF (45% udziału wiązania jonowego) najmniej spolaryzowane wiązanie ma HI (5% udziału wiązania jonowego) 3) wodorki metaliczne pierwiastki grup od 3 do 13 (z wyjątkiem B, Al) mają połysk i właściwości metaliczne. Atomy H zajmują pozycje międzywęzłowe w sieci przestrzennej atomu X typu metalicznego

27 Metody otrzymywania wodoru I. laboratoryjne: 1) metal nieszlachetny + kwas Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2 Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 2) elektroliza wody (i wodnych elektrolitów) na katodzie: 2H + + 2e H 2 3) amfoteryczny metal (nieszlachetny) + zasada (NaOH) 2 Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2 4) litowce + H 2 O (oraz Ca, Sr, Ba + H 2 O) 2Na + 2H 2 O = 2Na+ + 2OH + H 2 II. w skali przemysłowej: 1) jako produkt uboczny w procesie elektrolitycznego otrzymywania NaOH z NaCl 2) z gazu ziemnego 3) w procesach krakingu węglowodorów otrzymywanych z ropy naftowej 4)Działanie pary wodnej na rozżarzony koks (1500 K) C + H 2 O CO + H 2 } gaz wodny