CHEMIA WARTA POZNANIA

Transkrypt

1 Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej Wydział Chemii UAM Poznań 2011 Część II

2 Dymitrij Iwanowicz Mendelejew ( ) Chemik rosyjski, zestawił okresowy układ pierwiastków chemicznych i przewidział istnienie oraz własności nieznanych jeszcze pierwiastków, odkrył i wyjaśnił zjawisko kontrakcji.

3 Prawo okresowości, prawo odkryte przez D.I. Mendelejewa w 1869, stwierdzające, że własności chemiczne i fizyczne ulegają cyklicznym zmianom od pierwiastków o niższych masach atomowych do pierwiastków o wyższych masach atomowych. Obecnie stosuje się formę długą układu okresowego, zaproponowaną przez chemika szwajcarskiego Alfreda Wernera, w której masa atomowa zastąpiona została liczbą atomową.

4

5 Względne rozmiary kationów, anionów i ich macierzystych atomów dla niektórych pierwiastków. Kationy są mniejsze, a aniony większe od swych macierzystych atomów.

6 Tworzenie kationów i anionów z obojętnych atomów w fazie gazowej wymaga dużej energii: konieczne jest dostarczenie energii jonizacji atomów metalu, która zostaje tylko częściowo odzyskania dzięki powinowactwu elektronowemu atomów niemetalu. Sumarycznie obniżenie energii sprzyjające powstaniu substancji jonowej jest wynikiem przyciągania się kationów i anionów w fazie stałej. Utworzenie jonów z pierwiastków wymaga energii 145 kj/mol, a stały związek ma energię o 787 kj/mol mniejszą niż rozdzielone jony.

7 Tlenki III okres Zmiana położenia w układzie okresowym, a charakter chemiczny Na 2 O 2 MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 4 O 10 SO 3 Cl 2 O 7 Elektroujemność od 0,9 do 3,0 tlenek wiązanie charakter Na, Mg Al Si P S Cl jonowe słabo jonowe atomowe spolaryzowane coraz mniej spolaryzowane zasadowy amfoteryczny bardzo słabo kwasowy słabo kwasowy silnie kwasowy bardzo silnie kwasowy

8 Wodorki Wszystkie pierwiastki grup głównych, z wyjątkiem gazów szlachetnych tworzą binarne wodorki

9 Charakter konkretnego wodoru jest związany z właściwościami jego pierwiastka macierzystego. Wodorki typu soli tworzą silnie elektrododatnie pierwiastki, są to związki jonowe, w których wodór występuje jako jon wodorkowy H - i ma stopień utlenienia -1. Tworzą je wszystkie pierwiastki bloku s oprócz Be. 2K(s) + H 2 (g) 2KH(s) Wodorki metaliczne czarne proszki, które powstają przez ogrzewanie pewnych metali bloku d w wodorze. 2Cu(s) + H 2 (g) 2CuH(s) Wodorki kowalencyjne złożone są z osobnych cząsteczek, w większości są gazami, np. HF, HCl, HBr, HI, lżejsze węglowodory np. metan.

10 Moc wiązania w binarnych wodorkach zmniejsza się przy przejściu w dół grupy układu okresowego. Entalpie wiązań między wodorem a pierwiastkami bloku p. Siła wiązań maleje od góry ku dołowi każdej grupy, gdy wzrastają rozmiary atomów.

11 Im bardziej polarne jest wiązanie H-A w określonym okresie, tym mocniejszy kwas. Im słabsze jest wiązanie H-A w określonej grupie, tym mocniejszy jest kwas.

12 Moc kwasów tlenowych HClO, HClO 2, HClO 3, HClO 4 H 2 SO 3, H 2 SO 4 Im większa jest liczba atomów tlenu przyłączonych do atomu centralnego (im wyższy stopień utlenienia atomu centralnego), tym mocniejszy jest kwas. HClO, HBrO, HIO Im bardziej elektroujemny jest atom centralny, tym mocniejszy jest kwas

13 Rośnie promień atomu Maleje energia jonizacji Maleje elektroujemność Rośnie charakter metaliczny Maleje promień atomu Rośnie energia jonizacji Rośnie elektroujemność Maleje charakter metaliczny ROŚNIE AKTYWNOŚĆ CHEMICZNA MALEJE AKTYWNOŚĆ CHEMICZNA

14 Litowce Pierwiastki 1 grupy Konfiguracja walencyjna: ns 1 Postać normalna : miękkie, srebrzystoszare metale Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Temperatura topnienia, Lit Sód Potas Rubid Cez Frans Li Na K Rb Cs Fr 6,94 22,99 39,10 85,47 132, Temperatura wrzenia, Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. Promieniotwórczy Temperatury topnienia litowców obniżają się ku dołowi grupy. Wartości liczbowe podano w stopniach Celsjusza Gęstość, g/cm 3 0,53 0,97 0,86 1,53 1,87 -

15 Litowce Reaktywność rośnie od litu do cezu Tlenki: Li 2 O Na 2 O 2 KO 2 RbO 2 CsO 2 Na 2 O 2 + 2H 2 O 2NaOH + H 2 O 2 Wodorotlenki: MOH Wodorki: MH M= Li, Na, K, Rb, Cs 2M + 2H 2 O 2MOH + 2H 2 W roztworze wodnym ulegają całkowitej dysocjacji, dlatego są silnymi zasadami. Mają budowę jonową

16 Berylowce Pierwiastki 2 grupy Konfiguracja walencyjna: ns 2 Postać normalna : miękkie, srebrzystoszare metale Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Beryl Magnez Wapń Stront Bar Rad Be Mg Ca Sr Ba Ra 9,01 24,31 40,08 87,62 137,34 226,03 Temperatura topnienia, Temperatura wrzenia, Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. Promieniotwórczy Gęstość, g/cm 3 1,85 1,74 1,53 2,58 3,59 5,00

17 Berylowce Wodorki: MH 2 CaH 2, SrH 2, BaH 2 to wodorki typu soli (H na -1) Tlenki: jonowa BeO kowalencyjny MgO, CaO, SrO, BaO struktura Reaktywność tlenków z wodą rośnie od Be do Ba BeO nie reaguje z wodą MgO bardzo trudno reaguje z wodą Cao, SrO, BaO regują tworząc wodorotlenki MO + H 2 O M(OH) 2 Wodorotlenki: moc wodorotlenków wzrasta od Be do Ba Be(OH) 2 ma właściwości amfoteryczne Najmocniejszą zasadą jest Ba(OH) 2, gdyż właściwości zasadowe lub kwasowe zależą od zdolności atomu do polaryzacji grupy OH

18 Borowce Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 1 Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Bor Glin Gal Ind Tal B Al. Ga In Tl 10,81 26,98 69,72 114,82 204,37 Pierwiastki 13 grupy Temp. topnienia, Temp. wrzenia, Gęstość, g/cm 3 2,47 2,70 5,91 7,29 11,87 Postać normalna Brunatny, niemetaliczny proszek Srebrzystobiały metal Srebrzysty metal Srebrzystobiały metal Miękki metal Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm.

19 Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 2 Węglowce Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Węgiel Krzem German Cyna Ołów C Si Ge Sn Pb ,09 72,59 118,69 207,19 Pierwiastki 14 grupy Temp. topnienia, 3700s Temp. wrzenia, Gęstość, g/cm 3 Postać normalna Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. symbol s oznacza, że pierwiastek sublimuje 1,9-2,3 3,2-3,5 2,33 5,32 7,29 11,34 Czarny niemetal (grafit), Przezroczysty niemetal (diament), Pomarańczowy niemetal (fuleryt) Szary półmetal Szarobiały półmetal Biały błyszczący metal Niebieskobiały błyszczący metal

20 Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 3 Azotowce Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Azot Fosfor Arsen Antymon Bizmut N P As Sb Bi 14,01 30,97 74,92 121,75 208,98 Pierwiastki 15 grupy Temp. topnienia, s Temp. wrzenia, Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. symbol s oznacza, że pierwiastek sublimuje dla cieczy w jej temp. wrzenia Gęstość, g/cm 3 w 25 1,04 1,82 5,78 6,69 8,90 Postać normalna Bezbarwny gaz Biały niematal Szary półmetal Niebieskobiały błyszczący półmetal Białoróżowy metal

21 Tlenowce Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 4 Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Tlen Siarka Selen Tellur Polon O S Se Te Po Pierwiastki 16 grupy 16,00 32,06 78,96 127, Temp. topnienia, Temp. wrzenia, Gęstość, g/cm 3 w 25 1,14 1,35 2,09 4,81 6,25 9,40 Postać normalna Bezbarwny paramagnetyczby gaz (O 2 ) Niebieski gaz (ozon, O 3 ) Żółty niemetal (S 8 ) Szary niemetal Srebrzystobiały półmetal Szary półmetal Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. dla cieczy w jej temp. wrzenia

22 Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 5 Fluorowce Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Fluor Chlor Brom Jod astat F Cl Br I At 19,00 35,45 79,91 126, Pierwiastki 17 grupy Temp. topnienia, Temp. wrzenia, Postać normalna oznacza stan i wygląd pierwiastka przy 25 i 1 atm. dla cieczy w jej temp. Wrzenia promieniotwórczy Gęstość, g/cm 3 w 25 1,51 1,66 3,12 4,95 Postać normalna Prawie bezbarwny gaz (F 2 ) Żółtozielony gaz Czerwonobrunatna ciecz Fioletowoczerwony niemetal niemetal

23 Helowce Pierwiastki 18 grupy Konfiguracja walencyjna: ns 2 np 6 Postać normalna: bezbarwne gazy jednoatomowe Z Nazwa Symbol Masa molowa, g/mol Hel Neon Argon Krypton Ksenon Radon Promieniotwórczy He Ne Ar Kr Xe Rn 4,00 20,18 39,95 83,80 131, Temp. topnienia, Temp. wrzenia, -269(4,2 K)

24 metale PIERWIASTKI Pierwiastki metaliczne dające tlenki amfoteryczne + tlen + tlen TLENKI niemetale zasadowe amfoteryczne kwasowe Na 2 O, MgO, CaO, CrO, FeO, MnO + woda + tlen ZnO, Al 2 O 3, PbO SO 2, SO 3, CO 2, N 2 O 5, P 2 O woda woda NaOH, Mg(OH) 2, Ca(OH) 2, Zn(OH) 2, Al(OH) 3, Pb(OH) 3, H 2 SO 3, H 2 SO 4, H 2 CO 3, HNO 3, Cr(OH) 2, Fe(OH) 2, Mn(OH) 2 H 3 PO 4

25 Właściwości metali i niemetali Metale Właściwości fizyczne Dobre przewodniki elektryczności Ciągliwe Kowalne Z reguły: stałe Wysoka temperatura topnienie Dobre przewodniki ciepła Właściwości chemiczne Reagują z kwasami Tworzą zasadowe tlenki (reagujące z kwasami) Tworzą kationy Tworzą jonowe halogenki Niemetale Właściwości fizyczne Złe przewodniki elektryczności Nieciągliwe Niekowalne Stałe, ciekłe lub gazowe Niska temperatura topnienie Złe przewodniki ciepła Właściwości chemiczne Nie reagują z kwasami Tworzą kwasowe tlenki (reagujące z zasadami) Tworzą aniony Tworzą kowalencyjne halogenki

26 Amfoteryczność Wykazywanie w zależności od środowiska właściwości kwasowych lub zasadowych. Najbardziej znanym związkiem amfoterycznym jest woda. W wyniku dysocjacji cząsteczki wody: H 2 O H + + OH - powstają jony wodoru (kwas) i jony wodorotlenkowe (zasada). Inne związki wykazujące właściwości amfoteryczne: np. wodorotlenek cynku Zn(OH) 2, w obecności mocnych kwasów, ulega rozpuszczaniu i zachowuje się jak zasada: Zn(OH) 2 + 2H + Zn H 2 O Wodorotlenek cynku rozpuszcza się również w nadmiarze zasady, zachowując się jak kwas: Zn(OH) 2 + 2OH - Zn(OH) 4 2- ZnO H 2 O

27 W roztworach wodnych, związki amfoteryczne tworzą pierwiastki leżące w pobliżu przekątnej od górnego lewego do dolnego prawego rogu układu okresowego pierwiastków: Bor B, glin Al, tytan Ti, wanad V, cynk Zn, gal Ga, german Ge, cyna Sn, antymon Sb, ołów Pb, bizmut Bi. Właściwości amfoteryczne zmieniają się wraz ze stopniem utlenienia pierwiastka. Np. wodorotlenek chromu(iii) Cr(OH) 3, wykazuje właściwości amfoteryczne, natomiast wodorotlenek chromu(ii) Cr(OH) 2 ma właściwości zasadowe.

28 Szereg napięciowy metali (inaczej szereg elektrochemiczny, szereg aktywności metali) To zestawienie pierwiastków chemicznych o własnościach metalicznych, według ich potencjału standartowego E 0. Punktem odniesienia dla tego zestawienia jest elektroda wodorowa, której potencjał standardowy przyjmuje się umownie za zero. Praktyczne znaczenie szeregu napięciowego metali wynika z faktu, że metal bardziej aktywny wypiera (poza niektórymi wyjątkami) metal mniej aktywny z roztworu jego soli, zaś dobrą miarą aktywności chemicznej metali jest ich potencjał standardowy. Szereg ważniejszych metali uporządkowany w kierunku wzrostu potencjału i zarazem spadku aktywności do tworzenia kationów: Li, K, Na, Ca, Mg, Al., Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

29 Pasywacja Zjawisko polegające na tworzeniu bardzo cienkich pasywnych warstewek tlenków, które uodparniają metale na działanie czynników zewnętrznych. Wiele metali ulega pasywacji pod wpływem różnych czynników chemicznych (pasywacja chemiczna), np. tlenu z powietrza (nikiel, kobalt, chrom, tytan), chromianów lub azotanów(iii) zawartych w roztworach (np. żelazo). Pasywacji ulegają metale także wskutek reakcji z kwasami o właściwościach utleniających. Powstałe warstewki tlenków zapobiegają zjawisku korozji. Metal, który powinien samorzutnie przechodzić w danych warunkach w postaci jonów do roztworu nie rozpuszcza się. Pasywacji przeciwdziałają jony chlorkowe i substancje o właściwościach redukujących.