XVIII. Элементы I а и II а подгрупп

 

Элементы этих подгрупп – типичные, очень активные (особенно элементы Iа подгруппы) металлы. На внешнем электронном уровне соответственно один и два валентных S электрона. Энергия ионизации атомов низкая; понижается сверху вниз по подгруппе, соответственно усиливаются металлические свойства. Имеют большие отрицательные значения стандартных электродных поенциалов. У лития значение g° в водном растворе наименьшее из всех известных электрохимических систем.

Характер связи в соединениях преимущественно ионный, особенно в соединениях металлов Iа подгруппы.

Будучи активными восстановителями, энергично реагируют с кислородом. При этом с избытком O₂ металлы IIа образуют нормальные оксиды MeO, а из металлов Iа: литий – нормальный оксид Li₂O, натрий – пероксид Na₂O₂, остальные – надпероксиды MeO₂.

Из пероксидов Iа подгруппы наиболее устойчив Na₂O₂. Важное значение имеет реакция

Na₂O₂ + CO₂ ® Na₂CO₃ + 0, 5О₂

(аналогично реагирует K₂O₂), используемая для регенерации воздуха в изолированных помещениях.

Пероксиды IIа подгруппы (кроме пероксидов Ba и Be) получают по реакции: гидроксид + пероксид водорода _(конц.), например:

Ca(OH)₂ + H₂O₂ ® CaO₂ + 2H₂O

Будучи солями перекиси водорода – слабой кислоты, пероксиды металлов подвергаются гидролизу, например:

Na₂O₂ + 2H₂O ® 2NaOH + H₂O₂,

и разлагаются кислотами с образованием соли и H₂O₂, например:

BaO₂ + H₂SO₄ ® BaSO₄ + H₂O₂

Большинство металлов непосредственно взаимодействует с водородом при нагревании, образуя гидриды. Водород входит в состав гидридов в отрицательной степени окисления, за счет этого они проявляют хорошие восстановительные свойства, в частности, восстанавливая оксиды и галогениды до металлов, например:

MeCl₂ + 2NaH ® Me + 2 NaCl + HCl

Гидриды полностью гидролизуются:

NaH + H₂O ® NaOH + H₂ ­

С диоксидом углерода при нагревании дают соли муравьиной кислоты (формиаты), например:

KH + CO₂ ® KCOOH

Соединения щелочноземельных металлов с азотом называются нитридами, с углеродом – карбидами; в воде нитриды и карбиды гидролизуются с образованием гидроксида металла и аммиака и метана соответственно. 

Реакции оксидов и самих металлов с водой приводят к образованию гидроксидов (исключение – Be по причине очень прочной оксидной пленки).

Большинство гидроксидов – сильные основания (Mg(OH)₂ – основание средней силы, Be(OH)₂ –амфотерное основание), хотя гидроксиды IIа – слабее. Их растворимость и основные свойства закономерно усиливаются сверху вниз по подгруппе.

Сильные основания называют щелочами. Отсюда и название элементов подгрупп: Iа – щелочные, IIа – щелочноземельные металлы.

Гидроксиды щелочноземельных металлов при нагревании разлагаются, теряя воду (так же ведет себя и LiOH):

          t

Me(OH)₂ ® MeO + H₂O

Щелочи реагируют с кислотами, кислотными оксидами, амфотерными гидроксидами с образованием солей:

2KOH + CO₂ ® K₂CO₃ + H₂O

2NaOH + Be(OH)₂ ® Na₂[Be(OH)₄];

с галогенами

2NaOH +2F₂ ® 2NaF + H₂O + OF₂

3Br₂ + 6KOH ® КBrO₃ + 5 КBr + 3H₂O;

с фосфором

3KOH + 4P + 3H₂O ® 3KH₂PO₂ + PH_3.­;

с кремнием

4NaOH + Si ® Na₄SiO₄ + 2H_2.­;

с ацетатом натрия

NaOH + CH₃COONa ® Na₂CO₃ + CH₄ ­;

при плавлении разрушают стекло и фарфор:

2NaOH + SiO₂ ® Na₂SiO₃ + H₂O

В соляной и разб. серной кислоте щелочноземельные металлы растворяются с выделением водорода; все щелочные металлы реагируют с кислотами со взрывом, потому такие реакции специально не проводят.

Соли металлов IIа (кроме солей лития и NaHCO₃) хорошо растворимы в воде, многие из солей металлов IIа (карбонаты, сульфаты, фосфаты и некоторые другие) малорастворимы.

Наибольшее практическое значение из солей щелочных металлов имеют карбонаты натрия (сода) и калия (поташ). Растворы карбонатов имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза:

CO₃^2- + H₂O « HCO₃^- + OH^-

Щелочные металлы (особенно натрий и калий) образуют соли практически со всеми известными кислотами.

Из солей щелочноземельных металлов наиболее распространены и широко используются сульфаты, карбонаты, хлориды кальция и магния. В частности, CaSO₄ × 2H₂O – гипс; CaSO₄ × 0, 5H₂O – алебастр; CaCO₃ – мел, мрамор, известняк; CaCO₃× MgCO₃ – доломит; MgCO₃ – магнезия белая, а также магнийсодержащие материалы: 3MgO × 2SiO₂ × 2H₂O – асбест, 3MgO × 4SiO₂ × H₂O - тальк и др.

Сульфат кальция при нагревании разлагается:

         t

2CaSO₄ ® 2CaO + 2SO₂ + O₂

Термически неустойчивы и карбонаты:

        t

MgCO₃ ® MgO + CO₂

Карбонат кальция и в меньшей степени карбонат магния реагируют с диоксидом углерода в воде с образованием гидрокарбонатов:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ® Ca(HCO₃)₂

Большинство гидрокарбонатов растворимо в воде.

Содержание в природной воде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ обусловливает ее жесткость. В жесткой воде плохо пенится мыло, так как составляющие его основу хорошо растворимые натриевые соли стеариновой и пальмитиновой кислот по обменной реакции переходят в плохорастворимые кальциевые и магниевые соли

2C₁₇H₃₅COONa + Ca²⁺ ® (C₁₇H₃₅COO)₂Ca ¯ + 2Na⁺.

Жесткая вода непригодна для многих технических целей.

Различают жёсткость временную (карбонатную) – обусловленную присутствием гиброкарбонатов, устраняющуюся кипячением:

             t

Ca(HCO₃)₂ ® CaCO₃ ¯ + CO₂ + H₂O.

и постоянную (некарбонатную) – обусловленную наличием других растворимых солей Mg и Ca.

 Общая жесткость воды складывается из постоянной и временной. Основными методами её устранения являются реагентный и ионообменный.

 Суть реагентного метода состоит в связывании ионов кальция и магния в нерастворимые соединения. Для устранения постоянной жесткости обычно используют соду или фосфат натрия, например:

MgCl₂ + Na₂CO₃ ® MgCO₃ ¯ + 2NaCl,

а для устранения временной – гашеную известь или NaOH, например:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ® 2CaCO₃ ¯ + 2H₂O

Как правило, соду и гашеную известь используют совместно (содово-известковый метод).

Ионообменный метод заключается в обмене на катионите ионов Н⁺ или Na⁺ на ионы магния и кальция.

Измеряется жесткость числом милли-эквивалентов солей жесткости (или ионов жесткости) в 1 л воды. 

Задачи

 

181. Составьте электронные формулы натрия и кальция в нормальном и возбужденном состоянии; определите степени окисления этих металлов в соединениях.

182. Почему при добавлении пероксида натрия к кислому раствору иодида натрия появляется бурая окраска, а при добавлении оксида натрия раствор остается бесцветным? Составьте соответствующие уравнения реакций.

183. Составьте уравнения реакций и определите неизвестные вещества:

             H₂ H₂O

NaCl ® Na ® Х ® Y ® NaHSO₃

184. При взаимодействии 6 г двухвалентного металла с водой выделилось 3, 36 л газа (н.у.). Определите этот металл.

185. Составьте уравнение реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

H₂SO₄                     t CH₃COOH

Mg ® X ® Mg(NO₃)₂ ® Y ® (CH₃COO)₂Mg

186. Какой объем газов (н.у.) выделится при взаимодействии с водой 200 г смеси, состоящей из кальция, его оксида и карбида, взятых в равном мольном соотношении?

187. Составьте уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:

Be ® BeCl₂ ® Be(OH)₂ ® Na₂[Be(OH)₄] ® BeSO₄.

188. Составьте уравнения реакций получения гидроксидов кальция, бериллия, бария. Каковы их свойства? Как изменяются основные свойства гидроксидов в ряду:

Be(OH)₂ ® Ca(OH)₂ ® Ba(OH)₂?

189. Как получить нитрид и карбид магния? Какой характер связи в них? Сотавьте уравнения реакций получения карбида и нитрида магния и их взаимодействия с водой.

190. Составьте уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:

CaCO₃ ® CaO ® Ca(OH)₂ ® CaCO₃ ® Ca(HCO₃)₂.

191. Что такое временная и постоянная жесткость воды? Составьте уравнения реакций, протекающих при устранении временной и постоянной жесткости.

192. Составьте уравнения реакций Mg с водой и кислотами (соляной, разб. и конц. серной, разб. и конц. азотной).

193. Какие свойства имеют оксиды и гидроксиды бериллия и магния? Напишите уравнения диссоциации гидроксидов бериллия и магния и их взамодействия с HCl и NaOH.

194. Какая соль - Be(NO₃)₂ или Mg(NO₃)₂ – в большей степени подвергается гидролизу? Почему? Составьте молекулярные и ионные уравнения гидролиза этой соли. Как сместится равновесие ее гидролиза при добавлении: а) кислоты; б)соды?

195.Осуществите превращения и определите неизвестные вещества:

                        O₂                                       электролиз расплава  

                  Na ® X ® Na₂CO₃ ® Na₂SO₄ ® NaOH  ¾ ® Y

196. Что такое щелочи? Каковы их химические свойства? Приведите соответствующие уравнения реакций.

 197. Как можно получить пероксиды натрия, кальция? Как они взаимодействуют с водой, кислотами?

 198. Какие соединения магния и кальция применяются в качестве вяжущих строительных материалов? Чем обусловлены их вяжущие свойства?

 199. Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций: а) бериллия с раствором щелочи; б) магния с конц. серной кислотой (окислитель приобретает

низшую степень окисления).

 

Примеры решения задач

Пример 1. Вычислить жесткость воды, зная, что в 500 литрах ее содержится 202, 5 г гидрокарбоната кальция.

 

Решение

В 1 л воды содержится 202, 5/500 = 0, 405 г гидрокарбоната кальция, что составляет 0, 405/81= 0, 005 экв., или 5мэкв. (81г- эквивалентная масса гидрокарбоната кальция; см. гл. III).

Следовательно, жесткость воды 5 мэкв./л.

Пример 2. Сколько граммов сульфата кальция содержится в 1 м³ воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 мэкв./л.

Решение 1 экв. сульфата кальция составляет 0, 5 моля, т.е. 136, 14/2= 68, 07 г., а 1 мэкв. 68, 07 мг. В 1м³ воды с жесткостью 4 мэкв/л содержится 4× 1000 = 4000 мэкв., т.е. 4000× 68, 07 = 272280 мг = 272, 28 г CaSO₄

 

Пример 3. Сколько граммов соды и гашеной извести надо для умягчения 500 литров воды, если общая жесткость равна 5 мэкв/л, а постоянная равна 3 мэкв/л.

Решение

Ж_общ = Ж_врем + Ж_пост, Ж_{врем =} 5 – 3 = 2 мэкв/л.

В 500 литрах воды содержится 500× 3=1500 мэкв = 1, 5 экв. солей, обусловливающих постоянную жесткость; значит, для ее устранения нужно 1, 5´ 53 = 79, 5 г соды (53 г – эквивалентная масса карбоната натрия).

Количество эквивалентов временной жесткости равно 500´ 2 = 1000 мэкв =

= 1 экв; значит, для её устранения нужно 1´ 37 = 37 г гашеной извести (37 г – эквивалентная масса гироксида кальция).

 

Пример 4. Вычислить карбонатную жесткость воды, зная, что на титрование 100 мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6, 25 мл 0, 08 н. раствора HCl.

Решение

Вычисляем нормальность раствора гидрокарбоната кальция. Обозначив число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора, т.е.

нормальность, через Х, составляем пропорцию

6, 25/100=Х/0, 08       Х = 0, 005 экв.

Таким образом в 1 л исследуемой воды содержится 0, 005 × 1000 = 5 мэкв. гидрокарбоната кальция (или 5 мэкв. ионов Ca²⁺). Карбонатная жесткость воды 5 мэкв/л.

Решение данных задач основано на законе эквивалентов. (гл.III).

 

Рассуждения, приведенные в данных примерах, выражаются формулой

Ж = m ₁ / Э₁ V + m ₂ / Э₂ V + ……,

где m- масса вещества (или ионов), обусловливающих жесткость или применяемого для устранения жесткости воды, мг; Э – эквивалентная масса этого вещества или ионов, мг/мэкв; V- объем воды, л.

 

Задачи

 

200. Некарбонатная жесткость воды равна 3, 18 мэкв./л. Сколько Na₃PO₄ надо взять. чтобы умягчить 1 м³ такой воды?

201. Вычислить общую жесткость воды, если в 2 литрах воды содержится 60 мг ионов Mg²⁺ и 102 мг ионов Ca²⁺.

202. Общая жесткость воды равна 9, 5 мэкв./л, а временная 3, 1 мэкв./л. Сколько гидроксида кальция и соды надо взять, чтобы устранить жесткость 50литров воды. Запишите соответствующие уравнения реакций.

203. Определить массу соли в 3 литрах воды с жесткостью, равной 2 мэкв./л, если вода содержит только гидрокарбонат кальция.

204. Для умягчения 1 м³ воды потребовалось 127, 2 грамма соды. Чему равна жесткость воды?

205. Вычислить жесткость воды, если в 20 литрах воды содержится 0, 28 грамма ионов Mg²⁺ и 1, 18 грамма ионов Ca²⁺.

206. Для устранения общей жесткости по известково-содовому методу к 50 литрам воды добавлено 7, 4 грамма гашеной извести и 5, 3 грамма соды. Рассчитать временную и постоянную жесткость воды. Запишите соответствующие уравнения реакций.

207. Рассчитайте жесткость воды, в 2 литрах которой содержится 1, 04 грамма хлорида магния и 0, 2 грамма гидрокарбоната магния.

208. На титрование 0, 05 литра образца воды израсходовано 4, 8 × 10^{-3 л 0, 1 н HCl. Рассчитайте карбонатную жесткость воды.}

209. Какое количество 95%-ной соды необходимо для устранения общей жесткости 1000 м³, если 1 литр воды содержит по 1 мэкв. ионов кальция и магния?

210. Некарбонатная жесткость воды равна 2, 5 мэкв./л. Сколько надо взять:

а) Na₂CO₃; б) Na₃PO₄ для умягчения 500 литров этой воды?

211. Один литр воды содержит 48, 6 мг гидрокарбоната кальция и 29, 6 мг сульфата магния. Сколько молей Ca²⁺ и Mg²⁺ содержится в одном литре образца воды? Чему равна общая жесткость воды?

212. Растворимость сульфата кальция в воде при 20°С равна 0, 202 г / 100 г воды. Плотность насыщенного раствора сульфата кальция равна 1000 кг/м³. Вычислите жесткость этого раствора.

 

 

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: