Химические свойства.
Все щелочные металлы - очень сильные восстановители, в соединениях проявляют единственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличивается в ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.
Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.
Практически все соли растворимы в воде.
1. Активно взаимодействуют с водой:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
2Li + 2H2O = 2LiOH + H2
2. Реакция с кислотами:
2Na + 2HCl = 2NaCl + H2
3. Реакция с кислородом:
4Li + O2 = 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2 = Na2O2(пероксид натрия)
K + O2 = KO2(надпероксид калия)
На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.).
4. В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:
2Li + Cl2 = 2LiCl(галогениды)
2Na + S = Na2S(сульфиды)
2Na + H2 = 2NaH(гидриды)
6Li + N2 = 2Li3N(нитриды)
2Li + 2C = 2Li2C2(карбиды)
5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов - окрашивание пламени в следующие цвета:
Li+ – карминово-красный
Na+ – желтый
K+, Rb+ и Cs+ – фиолетовый
Важнейшие соединения калия: оксид К2О, пероксид К2О2, супероксид К2О4, гидроксид КОН, иодид KI, карбонат K2CO3 и хлорид KCl.
Оксид калия К2О, как правило, получают косвенным путем за счет реакции пероксида и металлического калия:
2K + K2O2 = 2K2O
Этот оксид проявляет ярко выраженные основные свойства, легко реагирует с водой с образованием гидроксида калия КОН:
K2O + H2O = 2KOH
Гидроксид калия, или едкое кали, хорошо растворим в воде (до 49,10% массе при 20°C). Образующийся раствор — очень сильное основание, относящееся к щелочам. КОН реагирует с кислотными и амфотерными оксидами:
SO2 + 2KOH = K2SO3 + H2O,
Al2O3 + 2KOH + 3H2O = 2K[Al(OH)4] (так реакция протекает в растворе) и
Al2O3 + 2KOH = 2KAlO2 + H2O (так реакция протекает при сплавлении реагентов).
В промышленности гидроксид калия KOH получают электролизом водных растворов KCl или K2CO3 с применением ионообменных мембран и диафрагм:
2KCl + 2H2O = 2KOH + Cl2+ H2,
или за счет обменных реакций растворов K2CO3 или K2SO4 с Ca(OH)2 или Ba(OH)2:
K2CO3 + Ba(OH)2 = 2KOH + BaCO3
Попадание твердого гидроксида калия или капель его растворов на кожу и в глаза вызывает тяжелые ожоги кожи и слизистых оболочек, поэтому работать с этими едкими веществами следует только в защитных очках и перчатках. Водные растворы гидроксида калия при хранении разрушают стекло, расплавы — фарфор.
Карбонат калия K2CO3 (обиходное название поташ) получают при нейтрализации раствора гидроксида калия углекислым газом:
2KOH + CO2 = K2CO3 + Н2О.
В значительных количествах поташ содержится в золе некоторых растений.
Важнейшие соединения натрия.
Оксид натрия Na2O. Белые кубические кристаллы (после нагревания желтые). Проявляет сильные основные свойства. Легко реагирует при обычной температуре с водой, газообразными СО2 и NH3. При нагревании реагирует также с фтором, хлором, иодом и серой. Получают нагреванием металлического натрия с нитратом, нитритом, пероксидом или гидроксидом натрия, нагреванием перексида натрия с серебром или углем, нагреванием азида натрия до 300-350оС с нитратом или нитритом натрия или путем нагревания хлорида натрия с оксидом бария. Применяют для получения Na2O2.
Пероксид натрия Na2O2. Микрокристаллический светло-желтый порошок с плотностью 2,8 г/см3 [2]. tпл=596оС. Имеет ионное строение (Na+)2(О2-2). Реагирует с холодной водой, при нагревании до 400оС разлагается. По отношению к иоду, углероду, древесине, хлопку и т.п. является сильным окислителем. Получают, пропуская воздух или кислород над нагретым до 180ометаллическим натрием, а также нагреванием натрия в смеси нитрата и гидроксида натрия. Используется в системах жизнеобеспечения подводных лодок и скафандров – для получения кислорода и одновременного поглощения СО2. Водный раствор применяют как отбеливатель тканей, бумаги.
Надпероксид натрия NaO2. Оранжево-желтый. Плотность равна 2,21 г/см3 [2]. Имеет ионное строение (Na+)(О2-2). Сильный окислитель. При нагревании разлагается без плавления. Реагирует с водой, кислотами, моно- и диоксидом углерода.
Гидроксид натрия NaOH. Белое непрозрачное, очень гигроскопичное вещество (плотность 2,13 г/см3 [2], tпл=321оС, tкип=1390оС). Сильное основание, полностью диссоциирует в растворе или в расплаве. NaOH возгоняется без разложения, разъедает ткани, кожу, бумагу и другие органические вещества, легко растворяется в воде и спиртах. Известен целый ряд кристаллогидратов гидроксида натрия, как, например, NaOH.Н2О, NaOH.3Н2О, NaOH.7Н2О и т.п. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 248,4 Cм.см2/моль [4]. Получают, действуя на металлический натрий или оксиды натрия водой, гидроксидом кальция на карбонат натрия, а также электролизом водных растворов хлорида натрия. Применяют для получения целлюлозы из древесины, для мерсеризации хлопка, изготовления мыла, бумаги и искусственного шелка, очистки растительных масел и продуктов возгонки нефти, приготовления красителей и некоторых фармацевтических препаратов, для осушения газов (таких, как кислород и водород), получения электролитическим путем водорода и кислорода и как лабораторный химический реактив.
Фторид натрия NaF. Бесцветные кристаллы. Кристаллическая решетка NaCl. tпл=997°С, tкип=1785°С, плотность равна 2,8 г/см3 [2]. Диамагнитное вещество. Мало растворим в воде и спирте. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25oС равна 105,5 Cм.см2/моль [4]. Получают непосредственным взаимодействием натрия и фтора, гидроксида или карбоната натрия с плавиковой кислотой. Используют для получения искусственного криолита, в качестве флюса в металлургии, как пропитку для древесины, а также в процессах брожения.
Хлорид натрия (каменная соль, поваренная соль) NaCl. Бесцветные кристаллы. Кристаллическая решетка NaCl. tпл=801°С, tкип=1465°С, плотность равна 2,17 г/см3 [2]. В чистом состоянии негигроскопичен, хорошо растворяется в воде (в 100 г воды при 20°С растворяется 35,85 г NaCl. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 126,45 Cм.см2/моль [4]. В промышленности получают из природных минералов, например галита. В лаборатории можно получить непосредственным взаимодействием натрия с хлором, а также взаимодействием гидроксида или карбоната натрия с хлороводородной кислотой. Применяют для получения хлора, водорода, натрия, соляной кислоты; в мыловаренной, красильной промышленности; в медицине (физиологический раствор); в домашнем обиходе.
Билет
1. Устойчивость коллоидных растворов и строение мицеллы
Устойчивость коллоидных растворов.
Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.
Седиментационная устойчивость – это устойчивость частиц к оседанию под действием силы тяжести; седиментационно неустойчивые системы с течением времени расслаиваются: легкие частицы всплывают на поверхность, а тяжелые – оседают на дно.
Агрегативная устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять размер частиц и их индивидуальность. В агрегативно неустойчивых системах проходят процессы укрупнения частиц.
Коллоидные растворы являются седиментационно устойчивыми, т.к. частицы их дисперсных фаз принимают участие в броуновском движении. Однако они являются агрегативно неустойчивыми. Это связано с большой удельной поверхностью дисперсной фазы, и, как следствие, большим избытком энергии Гиббса на границе раздела фаз.
Потеря коллоидным раствором агрегативной устойчивости называется коагуляцией. Коагуляция – это процесс укрупнения коллоидных частиц, приводящий к разрушению коллоидного раствора.
До тех пор, пока процессы агрегации не приводят к нарушению седиментационной устойчивости (частицы становятся крупнее, но по размерам не выходят за границу коллоидно-дисперсного состояния), внешне коагуляция может проявляться только в изменении цвета золя. По мере укрупнения частиц система начинает постепенно терять и седиментационную устойчивость – появлявляется помутнение, а затем выпадает осадок.
Особенно золи чувствительны к добавлению электролитов, которые уменьшают заряд коллоидных частиц за счёт сжатия диффузного слоя. Электролитическая коагуляция золей проявляется только при достижении некоторой критической концентрации ионов в золе, называемой порогом коагуляции. Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей способностью.
γ = 1/ n6 – порог коагуляции обратно пропорционален заряду иона, имеющего противоположный знак по сравнению с коллоидной частицей в шестой степени.
Процесс дезагрегации частиц, обратный процессу коагуляции называют пептизацией. Пептизация тем более вероятна, чем меньше времени прошло с момента коагуляции. Это объясняется тем, что коагулят (осадок) «стареет», частицы фазы срастаются и коагуляция принимает необратимый характер.
Строение мицелл.
Структурную единицу коллоидного раствора называют мицеллой. Множество формульных единиц (до нескольких тысяч), соединяясь вместе образуют агрегат. Ионы, сообщающие поверхности агрегата определённый заряд, называют потенциалопределяющими ионами. ПИ удерживаются на поверхности агрегата за счёт межмолекулярных взаимодействий. Агрегат вместе со слоем ПИ принято называть ядром коллоидной частицы. Противоионы имеют знак заряда, противоположный ПИ.
На противоионы со стороны ядер коллоидных частиц действует электростатическое притяжение. В то же время противоионы могут принимать участие в тепловом движении как кинетически самостоятельные единицы.
Таким образом, одни противоионы достаточно прочно связаны с поверхностью ядер, вместе с ПИ они образуют адсорбционный слой. Другие противоионы образуют диффузный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем образует гранулу мицеллы. Знак заряда гранулы определяется знаком заряда ПИ, а размер заряда – толщиной диффузного слоя. Гранула и противоионы диффузного слоя образуют мицеллу. Мицелла электронейтральна.
Свойства коллоидных растворов.
Золи обладают рядом специфических свойств, так, золи в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишнёвыми, рубиново-красными.
В отличии от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т.е. рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемнённом помещении. Так можно распознать, является данный раствор коллоидным или истинным.
Одно из важных свойств золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака. Благодаря этому они не соединяются в более крупные частицы и не осаждаются. При этом частицы одних золей имеют отрицательный заряд (металлов, кремниевой кислоты - силикагель), а других положительный (оксидов металлов). Возникновение заряда объясняется адсорбцией коллоидными частицами ионов из раствора.
2. Понятие энтропии и ее фазы.
Энтропия – количественно описывает степень беспорядка в системе.
Напр. Газ расширяется – энтропия увеличивается.
Термодинамическая вероятность – число микросостояний, которыми можно реализовать данное макросостояние. S=KlnW K=R/N
В изолированной системе самопроизвольно протекают только те процессы, которые связаны с увеличением энтропии.
1).Тенденция уменьшения запаса энергии.
2).Тенденция увеличения беспорядка.
ΔG = ΔН -T ΔS, G – энергия Гипса; изобарно-изотермический потенциал; химическое сродство; свободная энергия.
5 билет
1. Понятие об эквиваленте. Закон эквивалента. Нахождение эквивалента веществ.
Эквивалент вещества – такое его количество, которое без остатка реагирует с 1 моль атомов водорода, или замещает их в соединениях.
Эквивалентная масса – это масса эквивалента в-ва, выраженная в граммах.
Закон эквивалентов: Масса веществ, участвующих в реакции, прямо пропорциональны их эквивалентным массам (их эквивалентам).
m1/m2=Э1/Э2
1.экв. элемента равен его атомной массе, делённой на валентность.(Fe2O3, Э=56/3)
2.Эквивалент в-ва, состоящего из 2х элементов равен сумме эквивалентов этих элементов. (Э(FeO)=28+8=36)
3.экв. кислоты равен молярной массе, делённой на основность.(Э(Н2SO4)=98/2=49)
4.Эквивалент основания равен его молярной массе, делённой на число –ОН или валентность.
5.эквивалент соли равен её молярной массе, делённой на валентность Ме. Al2(SO4)3 Э=М/3*2
2. Периодический закон. Таблица менделеева.
Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов. Долгое время периодический закон считался эмпирическим, т.е. утверждением, сформулированным на основе обобщения экспериментальных данных об элементах и их соединениях. На основе периодического закона были сделаны важные открытия и научные предсказания.
1.Атомы элементов обладают общим свойством – атомной массой, от которой зависят все остальные свойства.
2.Монотонность возрастания атомных масс.
3.Таблица – есть графическое отображение закона.
4.Принцип периодичности.
Горизонтальные ряды – периоды – ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, начиная со щелочных Ме и заканчивая инертными газами. Искл.: 1 период – нет щелоч. Ме, 7 период – незаконченный; также по атомной массе (наоборот стоят, у аргона больше Аr, но стоит позже). Различают малые (состоят из одного горизонтального ряда) и большие (состоят из двух горизонтальных рядов) периоды.
Вертикальные столбцы – группы – вертикальная последовательность элементов, расположенных по возрастанию порядкового номера, обладающих однотипным электронным строением и являющихся безусловными химическими аналогами. Элементы имеют одинаковую высшую валентность в оксидах и других соединениях, равную номеру группы.
Каждая группа разделяется на А и В, главную и побочную. В главных находятся элементы, имеющие хим.аналоги в малых периодах. В побочных – не имеющих аналоги. В побочных подгруппах только Ме.
VII группа – в главной – инертные газы; побочная – триады элементов. В периодах от начала до конца Ме сво-ва ослабевают, а неМе усиливаются. В главных подгруппах с верху вниз Ме св-ва усиливаются, а неМе убывают. Свойства соединений элементов тоже меняются периодически (высшие оксиды, гидроксиды (кислоты или основания), соединения с водородом, соединения с галогенами). Если элемент Ме, то оксиды и гидроксиды проявляют основные св-ва, неМе – кислотные св-ва.
В свете современной теории строения атома периодический закон формулируется так: Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер.
6 билет
1. Водородная связь, молекулярная кристаллическая решетка
Водородная связь – это особый вид связи, которая осуществляется при взаимодействии атома водорода гидроксильной или аминогруппы одной молекулы и атомами с высокой электроотрицательностью (O, N, F, Cl) другой молекулы. Взаимодействует атом водорода и атом резко отрицательного элемента из разных молекул. Это межмолекулярная водородная связь. Внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах белков, ДНК и др. за счёт электростатического взаимодействия происходит притяжение положительно заряженного атома водорода одной молекулы к более ЭО атому другой молекулы. При образовании водородной связи атом водорода находится между атомами с высокой ЭО; с одним из них он связан обычной ковалентной связью, а с другим – водородной.
Молекулярная – в узлах молекулы; водородные связи и другие силы межмолекулярного взаимодействия; прочность связи слабая; малая твёрдость, низкая температура плавления, многие растворимы в воде; кислород, иод, углекислый газ, вода.
Билет
1. Комплексные соединения. Координационная теория Вернера.
Комплексные соединения - …
- наличие центрального иона;
- наличие донорно-акцепторной связи;
- устойчивость комплексного иона (как в кристалле, так и в растворе).
Координационная теория Вернера (1893г.).
1.«О наличии побочной валентности»: коль скоро насыщенные молекулы соединятся друг с другом, то у них появляется дополнительная валентность.
2.Полодение о координации: Атом стремится реализовать все свои соединительные способности (окружить себя другими частицами) – это свойство – координация.
Согласно теории Вернера есть какой-либо центральный атом, или ион (чаще всего он имеет + заряд) – комплексообразователь, который координирует вокруг себя другие частицы.
2. Строение растворов.
Растворы – это дисперсные системы. Дисперсные системы – это системы, в которых одно вещество в виде мельчайших частиц распределено в другом веществе. В котором распределено – дисперсная среда. Которое в мельчайших частицах – дисперсная фаза.
По размерам дисперсной фазы:
1.грубодисперсные – 10-5см < a,Д (степень дисперсности) = 1/a см-1 Смысл: сколько частиц может уместиться в единице длины. Д < 10-5см
2.Коллоидные – 10-7 < a < 10-5см, 10-7 < Д < 10-5
3.истинные растворы – a < 10-7 см, Д < 10-7 см
Раствором называется термодинамически устойчивая (с наименьшим запасом энергии), гомогенная система, состоящая из 2х или более компонентов, состав которой можно непрерывно менять в некоторых пределах.
Растворы – это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов (составных частей) и продуктов их взаимодействия.
Растворитель – компонент, который преобладает в растворе и находится в свободном виде в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор. (полярные – перекись водорода, вода; неполярные – бензол, хлороформ)
Растворённое вещество – вещество, молекулы или ионы которого равномерно распределены между молекулами растворителя.
9 билет
1.Коллоидные растворы. свойства. методы получения.
Дисперсные системы – это системы, в которых одно вещество в виде мельчайших частиц распределено в другом веществе.
В котором распределено – дисперсная среда. Которое в мельчайших частицах – дисперсная фаза.
По размерам дисперсной фазы различают:
1.грубодисперсные – 10-5см < a
Д (степень дисперсности) = 1/a см-1
Смысл: сколько частиц может уместиться в единице длины.
Д < 10-5см
2.Коллоидные – 10-7 < a < 10-5см
10-7 < Д < 10-5
3.истинные растворы – a < 10-7 см
Д < 10-7 см
К дисперсным системам относятся обычные (истинные) растворы, коллоидные растворы, а также суспензии и эмульсии. Они отличаются друг от друга, прежде всего размерами частиц, т.е. степенью дисперсности, а также состояниями дисперсионной среды и дисперсионной фазы.
Суспензия (взвесь) – это дисперсная система, в которой дисперсной фазой является твёрдое вещество, а дисперсионной средой – жидкость, причём твёрдое вещество практически нерастворимо в жидкости. Например, масляные краски, взвесь гидроксида кальция.
Эмульсии – это дисперсные системы, в которых и ДФ и ДС являются жидкостями, взаимно не смешивающимися. Например, молоко, водоэмульсионная краска, майонез.
Коллоидные растворы – это высокодисперсные системы (диаметр частиц от 1 до 500нм) с жидкой дисперсной средой. Коллоидные растворы по размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы обычно состоят из большого числа молекул или ионов.
Коллоидные растворы = золи
Гель – ДС твёрдая, а ДФ жидкая. Например, желе, желатин, косметические гели. Гели – связанная коллоидная система.
При определённых условиях (понижение температуры) золи утрачивают текучесть и переходят (тиксотропия) в гели. При повышении температуры гели становятся золями (синерезис).
Лиофильные – обратимые коллоиды.
Лиофобные – необратимые коллоиды.
Получение коллоидных растворов.
Методы основаны либо на дроблении крупных (методы диспергирования), либо на укрупнении мелких (методы конденсации) частиц. И диспергирование, и конденсация могут протекать как без участия химических или физико-химических процессов, так и с их участием, поэтому условно выделяют физические и химические методы получения дисперсных систем.
Диспергирование проводят с использованием коллоидных и шаровых мельниц, с помощью электричества, ультразвука, вибрации (физические методы) и пептизации (химический метод). Пептизация – переход частиц осадка снова в раствор.
Физические конденсационные методы основаны на создании в гомогенной системе пересыщения путём изменения температуры или состава растворителя. Химические конденсационные методы заключаются в проведении реакций, заканчивающихся образованием нерастворимых веществ. Реакции проводят таким образом, чтобы скорость образования частиц дисперсной фазы превышала скорость их роста, так как от соотношения скоростей этих процессов зависит степень дисперсности получаемой системы. Такое условие достигается подбором концентраций реагентов, температурного режима, введением ингибиторов роста кристаллов. Для получения золей методом химической конденсации можно использовать ОВР и обменные реакции.
Коллоидные растворы, полученные одним из таких способов, содержат примеси растворённых низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых может отрицательно сказываться на свойствах золей, снижая их устойчивость.
Для очистки коллоидных растворов от примесей используют фильтрацию, диализ, электродиализ, ультрафильтрацию.
Фильтрация основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров. При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей грубодисперсных частиц.
Диализ – удаление с помощью мембран низкомолекулярных соединений из коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. При этом используют свойства мембран пропускать молекулы и ионы малого размера и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы. Малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в растворитель и при его достаточно частой замене почти нацело удаляются из диализуемой жидкости. В качестве мембран для диализа применяют различные плёнки: естественные (бычий или свиной мочевой пузырь, плавательный пузырь рыб) и искусственные (из целлофана, желатина и других материалов).
Электродиализ используют для увеличения скорости диализа низкомолекулярных электролитов. С этой целью в диализаторе создают постоянное электрическое поле с разностью потенциалов. Проведение диализа в электрическом поле позволяет ускорить очистку коллоидного раствора в несколько десятков раз.
Ультрафильтрацию применяют для очистки систем, содержащих частицы коллоидных размеров (золи, взвеси бактерий и вирусов). В основе метода лежит продавливание разделяемой смеси через фильтры с порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. В определённой степени ультрафильтрацию можно рассматривать как диализ под давлением. Ультрафильтрацию широко используют для очистки воды, белков, НК, ферментов, а также в микробиологии для определения размеров вирусов и бактериофагов.
2.Таблица
1.В периодической таблице элементы пронумерованы. Порядковый номер – заряд ядра атома, определяется числом протонов ядра, число электронов в атоме.
2.Нормер периода – номер внешнего энергетического уровня.
3.В главных подгруппах находятся элементы с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне.
Элементы разделяются на 4 семейства:
S, p, d и f. Элемент относится к тому или иному семейству в зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами.
В гл.подгруппах – s-элементы (max 2 электрона)
В 6ти группах – p-элементы (гл.подгруппы III-VIII)
d-элементы – с 4ого периода.
f-элементы – лантаноиды и актиноиды.