Пероксид натрия образуется при сгорании натрия на воздухе. Пероксиды калия, рубидия и цезия Ме2О2 получают косвенным путём, они менее устойчивы, чем Na2O2.
К, Rb, Cs при сгорании образуют надпероксиды МеО2 (КО2, RbO2, CsO2).
Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов сильные окислители, например:
Na2O2(ТВ) + 2СО2 = 2Na2CO3(ТВ) + О2↑
2КO2 + S = K2SO4.
Пероксиды и надпероксиды легко разлагаются водой, например:
Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2;
2KO2 + 2H2O = 2KOH + H2O2 + O2.
Гидроксиды
Гидроксиды щелочных металлов Ме(ОН) – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключая LiOH), являются сильными электролитами (существуют в воде только в виде ионов). В ряду Li – Cs растворимость гидроксидов и их основные свойства усиливаются.
Гидроксиды активно поглощают из воздуха СО2 и Н2О (поэтому всегда содержат примеси – карбонаты).
Гидроксиды проявляют все характерные свойства оснований:
NaOH + HCl = NaCl + H2O,
NaOH + CO2 = NaHCO3,
2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 + H2O (сплавление),
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],
2NaOH + CuCl2 = Cu(OH)2↓ + 2NaCl,
6NaOH + 3S = 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O.
В промышленности гидроксиды получают электролизом водных растворов их солей, например:
2NaCl + 2H2O ----------------→ H2(катод) + Cl2(анод) + 2NaOH.
Твёрдые гидроксиды и их концентрированные водные растворы разрушают живые ткани вследствие обезвоживания и щелочного гидролиза белков. Поэтому работа с ними требует мер предосторожности (резиновые перчатки, очки).
Соли
Щелочные металлы образуют соли с большинством известных кислот. С многоосновными кислотами образуют средние соли (MeCO3, MeSO3, MeSO4, Me3(PO4)3 и др.) и кислые (MeHSO3, MeHSO4, MeH2PO4, Me2HPO4 и др.).
Кислых солей щелочных металлов известно очень много, а у других металлов они встречаются редко. Склонность к образованию таких солей и их термическая устойчивость увеличивается в ряду Li – Cs.
|
|
Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде. Исключение составляют соли лития.
Все соли щелочных металлов характеризуются высокими температурами плавления, хорошо проводят электрический ток их расплавы и растворы.
В водных растворах соли слабых кислот пордвергаются гидролизу. Например:
Na2CO3 + H2O ↔ NaHCO3 + NaOH;
K2S + H2O ↔ KHS + KOH.
Летучие соединения щелочных металлов окрашивают пламя в характерные цвета: натрий – желтый, калий – фиолетовый и т.д.).
Токсикология. Ионы Na+ и K+ - активные участники биохимических процессов в живых организмах. Ионы Li+ являются биологическим антагонистом ионов натрия Na+, они осорбенно токсичны при недостатке ионов Na+ в рационе.
S-элементы IIA группы
s -Элементы IIA группы – это бериллий, магний и щелочно-земельные металлы – кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радиоактивный радий Ra. Последние так называют потому, что их оксиды тугоплавки и малорастворимы в воде (такие вещества раньше назывались «землями»), а продукты их взаимодействия с водой имеют щелочные свойства.
В свободном состоянии эти металлы представляют собой серебристо-белые вещества, более твёрдые, чем щелочные металлы, со сравнительно высокими температурами плавления. Все эти элементы, кроме бериллия, обладают ярко выраженными металлическими свойствами.
Строение внешнего электронного уровня атомов этих элементов можно представить так: ns2, в возбуждённом состоянии ns1np1.
Атомы элементов IIA группы проявляют в своих соединениях одну степень окисления +2.
|
|
Металлы группы IIA сильные восстановители. Они довольно легко реагируют с большинством неметаллов:
2Ве + О2 = 2ВеО
2Са + О2 = 2СаО
(металлы легко окисляются образуя не пероксиды, а оксиды; оксидная плёнка бериллия и магния довольно прочная, поэтому эти металлы могут храниться на воздухе);
С водородом металлы образуют гидриды МеН2. Например:
Са + Н2 = СаН2.
Бериллий с водородом не взаимодействует.
Гидриды щелочноземельных металлов белые кристаллические вещества с ионной кристаллической решеткой, анион Н‾. Гидриды Ве и Mg твёрдые полимерные соединения. Термическая устойчивость гидридов понижается от Ва к Ве (ВеН2 плавится при 1250С, а ВаН2 – при 12000С). Гидриды группы металлов IIA, как и гидриды металлов группы IA, сильные восстановители.
С водой активно реагируют щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ba), реакции идут при обычной температуре. Например:
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2↑
Магний реагирует при нагревании, а бериллий имеет поверхность, покрытую прочной плёнкой оксида и, поэтому, с водой не реагирует даже при высоких температурах (хотя термодинамически это возможно).
Активность взаимодействия с водой в ряду Mg – Ca – Sr – Ba – Ra возрастает.
Оксиды
Оксиды щелочно-земельных металлов – твёдые белые тугоплавкие вещества. Они могут быть получены термическим разложением карбонатов, нитратов, гидроксидов. Например:
МеСО3 = МеО + СО2↑.
Оксиды, кроме ВеО, реагируют с водой; MgO реагирует с горячей водой:
МеО + Н2О = Ме(ОН)2
Оксиды щелочно-земельных металлов проявляют свойства основных оксидов:
ВаО + 2HCl = BaCl2 + H2O,
CaO + CO2 = CaCO3,
CaO + SiO2 = CaSiO3.
ВеО – амфотерный оксид, белое тугоплавкое, термически устойчивое вещество. При нагревании взаимодействует с кислотами и щелочами, кислотными и основными оксидами:
|
|
ВеО + 2НCl(конц.) = ВеCl2 + H2O,
ВеО + H2SO4 (конц.) = ВеSO4 ↓+ H2O
ВеО + 2NaOH(конц. Гор.) + H2O = Na2[Be(OH)4],
ВеО + 2Na2O = Na4BeO3 (t = 5000C)
2ВеО + SiO2 = Be2SiO4 (фенакит; t= 16000C)
2 ВеО + Al2O3 = (BeAl2)O4 (хризоберилл; t = 14000C)
ВеО – токсичен, раздражает дыхательные пути, при попадании в лёгкие вызывает хроническое заболевание бериллиоз (лёгочная недостаточность).
Гидроксиды
Элементы группы IIA образуют гидроксиды Ме(ОН)2. Это бесцветные, тугоплавкие, твёрдые вещества. Они являются более слабыми основаниями, чем гидроксиды щелочных металлов. Основные свойства гидроксидов усиливаются от Ве(ОН)2 к Ва(ОН)2. Гидроксиды бериллия и магния – слабые основания, плохо растворимые в воде. Ве(ОН)2 склонен к полимеризации.
Гидроксиды щелочно-земельных металлов являются сильными основаниями. Они активно взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами. Например:
Ва(ОН)2 + Н2SO4 = BaSO4 + 2H2O↓,
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓.
При нагревании гидроксиды разлагаются. Например:
Ме(ОН)2 = МеО + Н2О↑.
Гидроксид бериллия проявляет амфотерные свойства, реагирует с разбавленными кислотами, щелочами в растворе и при сплавлении:
Be(OH)2 + 2HCl(разб.) = BeCl2 + 2H2O,
Be(OH)2 + 2NaOH(конц.) = Na2[Be(OH)4],
Be(OH)2 + 2NaOH = Na2BeO2 + 2H2O (t = 3000C).
Cоли
Элементы IIA подобно щелочным металлам образуют соли со всеми кислотами. Многие соли растворимы. Малорастворимы или практически нерастворимы фториды и карбонаты, а также сульфаты кальция, стронция и бария. С ростом порядкового номера элемента растворимость солей понижается.
Растворимые соли бериллия и магния подвергаются гидролизу:
ВеCl2 + H2O ↔ BeOHCl + HCl,
Mg(NO3)2 + H2O ↔ MgOHNO3 + HNO3.
Ионы элементов группы IIA, как и ионы щелочных металлов, не образуют устойчивых комплексных соединений. Более склонны к образованию комплексных соединений бериллий и магний. В ряду Be2+ - Mg2+- Ca2+ - Sr2+ - Ba2+ прочность комплексных соединений уменьшается.
Жесткость воды
Жесткость воды обусловлена наличием ионов Са2+ и Mg2+. Чем выше их содержание в природной воде, тем больше её жесткость.
Количественно жесткость воды характеризуют через суммарное содержание ионов Са2+ и Mg2+, выраженное в моль/л. По жесткости все природные воды делятся на мягкие (общая жесткость менее 2 ммоль/л) и жесткие со средней степенью жесткости (2 – 10 ммоль/л) и высокой степенью жесткости (более 10 ммоль/л).
Виды жесткости
Различают общую жесткость, которая складывается из временной и постоянной жесткости.
Временная жесткость (устранимая, или карбонатная жесткость) удаляется кипячением воды. Эта жесткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Са(НСО3)2 и Mg (НСО3)2 и количественно равна концентрации ионов Са2+ и Mg2+, которая соответствует удвоенной концентрации гидрокарбонат-иона НСО3‾. При длительном кипечении воды в ней появляется осадок МеСО3 и одновременно выделяется газ СО2:
Сa(HCO3)2 = CaCO3↓ +CO2↑ +H2O,
Mg(HCO3)2 = MgCO3↓ +CO2↑ +H2O,
Поэтому карбонатную жесткость называют временной жесткостью.
Постоянная жесткость (неустранимая, или некарбонатная) сохраняется при кипячении воды. Количественно она равна концентрации ионов Са2+ и Mg2+ за вычетом временной жесткости. Обычно постоянную жесткость характеризуют содержанием CaSO4 и MgSO4, поэтому её называют сульфатной жесткостью. Эту жесткость устраняют введением в воду химических реагентов (карбонат натрия, гидроксид кальция, ортофосфат натрия, тетраборат натрия и др.). Например:
Сa(HCO3)2 + Сa(OH)2 = 2CaCO3↓ + 2H2O,
MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3↓ + Na2SO4,
3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2↓ + 3Na2SO4.
Ортофосфаты менее растворимы, чем карбонаты, поэтому лучшее умягчение достигается с помощью реагента Na3PO4.
Современный способ умягчения воды основан на использовании ионообменных смол – ионитов (катионитов и анионитов). Через трубчатый обменник, заполненный смолой в Na+-форме пропускают жесткую воду, при этом ионы Са2+ и Mg2+, эквивалентно замещают ионы Na+ в смоле. Ионит периодически регенерируют, промывая концентрированным раствором хлорида натрия.
Умягчение воды при стирке проводят с помощью комплексообразующих ионитов (полифосфаты натрия, метафосфаты натрия и др.). Ионы Са2+ и Mg2+ связываются в устойчивые комплексы и становятся инертными по отношению к мылу.
В некоторых случаях проводят полное обессоливание воды. Для этого воду подвергают перегонке (дистилляции). Другой способ обессоливания – последовательная обработка воды с помощью катионита и анионита. При пропускании через катионитный фильтр ионы металлов в растворе заменяются на ионы Н+, а при пропускании воды через анионитный фильтр анионы кислот в растворе заменяются на ионы ОН ‾. Таким образом, в целом из воды удаляются соли, а перешедшие в воду ионы взаимно нейтрализуются: Н+ + ОН ‾ = Н2О. Периодически иониты восстанавливают промывая их разбавленными растворами соответственно серной кислоты и гидроксидом натрия.
Понятие о ионофорах
Ионофоры – органические вещества, осуществляющие перенос катионов щелочных и щелочно-земельных металлов или NH4+ через биологические мембраны. К ионофорам относятся многие антиьиотики (валиномицин, нактины, энниатины и др.).
В основе действия ионофоров лежит их способность образовывать комплексы с транспортируемыми катионами. Механизм переноса ионов обычно включает следующие стадии. Вначале ионофор, расположенный на поверхности мембраны, взаимодействует с катионом, находящимся в водной фазе с одной стороны мембраны. Образующийся комплекс внедряется в мембрану и перемещается к другой её стороне под действием электрического поля или градиента концентрации, после чего комплекс диссоциирует. Катион вновь переходит в водную фазу (принцип подвижного переносчика).