PIERWIASTKI BLOKU S
UKA
AD OKRESOWY PIERWIASTKÓW
LITOWCE
Litowce to metale o największej aktywności chemicznej.
Bardzo łatwo ulegają utlenieniu w związku z czym nie występują w przyrodzie
w stanie wolnym.
Są miękkimi metalami o niskich temperaturach topnienia. Występują na
+I stopniu utlenienia, tworzÄ…c bezbarwne zwiÄ…zki jonowe.
Konfiguracja elektronowa
Powłoki walencyjnej
Pierwiastek Symbol Konfiguracja
elektronowa
Lit Li 2s1
Sód Na 3s1
Potas K 4s1
Rubid Rb 5s1
Cez Cs 6s1
frans F 7s1
WA
AŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE LITOWCÓW
RYS 4.2 STR 139
LEE
Rys. 16.2 str 517
bielanski tom II
Rys. 16.3 str 522
bielanski tom II
Emisja energii (podczas powrotu wzbudzonego elektronu na poziom pierwotny)
w postaci światła widzialnego wywołującego charakterystyczne zabarwienie
płomienia.
OTRZYMYWANIE LITOWCÓW
Otrzymywanie za pomocÄ… elektrolizy stopionych soli (np. NaCl)
TÄ… metodÄ™ na skalÄ™ technicznÄ… wykorzystuje siÄ™ tylko do produkcji sodu.
NaCl Na+ + Cl-
Katoda: 2Na+ + 2e 2Na
Anoda: 2Cl- - 2e Cl2
Elektrolizy soli litowców nie można przeprowadzać w roztworach
wodnych, ponieważ metale te stoją w szeregu napięciowym poniżej
wodoru i głównym produktem tworzącym się na katodzie byłby wodór.
Temperatura topnienia  czystego NaCl wynosi 1074 K. Dodatek CaCl2
(jako topnika) obniża tą temp. do 870 K.
Ze względu na wysoką aktywność Na musi być chroniony przed
zetknięciem się z powietrzem i chlorem tworzącym się na anodzie.
Dawniej sód otrzymywano również w wyniku elektrolizy wodorotlenku
sodu (topi się w temp. 601 K)  metoda droższa.
RYS 47
STR 92
ZAJDLER
Otrzymywanie NaOH
Elektroliza wodnego roztworu chlorku sodu
Metoda przeponowa
NaCl +H2O "! Na+ + Cl- + H+ + OH-
Anoda: 2Cl- - 2e Cl2
Katoda: 2H+ + 2e H2 w roztworze zostaje tylko NaOH
Jeśli nie ma przegrody między przestrzeniami przyelektrodowymi, to
zachodzi reakcja uboczna:
2NaOH + Cl2 NaClO + NaCl + H2O
Ponadto uzyskany tym sposobem NaOH może być zanieczyszczony
chlorkiem sodu.
Rys 19.17 str 901 Atkins
Metoda rtęciowa (przy użyciu anody grafitowej i katody rtęciowej)
Anoda: 2Cl- - 2e Cl2
Katoda(Hg): 2Na+ + 2e 2Na (sód rozpuszcza się w rtęci i powstaje
amalgamat)
2Na (amalgamat) + H2O H2 + NaOH
W metodzie tej wykorzystuje się fakt, że wydzielenie wodoru na katodzie
rtęciowej jest możliwe dopiero po przyłożeniu wyższego napięcia
(nadnapięcia) niż przy użyciu katody grafitowej lub żelaznej. Równocześnie
wydzielenie sodu (tworzącego amalgamat) zachodzi przy napięciu niższym
niż w przypadku innych metali.
Rys 48 str 93
ZAJDLER
Otrzymywanie potasu
Elektroliza stopionego chlorku lub wodorotlenku potasu  problemy
związane z wysoką aktywnością chemiczną potasu.
Metoda termiczna przez redukcję węglanu, fluorku lub wodorotlenku
potasu za pomocą węgla, żelaza, krzemu lub węglika wapnia, a także
przez redukcjÄ™ chlorku potasu metalicznym sodem.
np.
2KF + CaC2 2K + CaF2 + 2C (temp. 1300-1400K)
3CaO + 4KF + Si CaSiO3 + 2CaF2 + 4K (temp. ok. 1420K)
Wydzielające się pary potasu zostają skondensowane, a ciekły potas
wprowadza się do naczyń zawierających naftę, aby uniknąć kontaktu
z powietrzem.
WA
AŚCIWOŚCI CHEMICZNE LITOWCÓW
Litowce sÄ… bardzo reaktywne i na powietrzu szybko matowiejÄ… tworzÄ…c
tlenki (i azotek w przypadku litu).
Tylko lit spalany w powietrzu daje tlenek Li2O, sód tworzy w tych
warunkach nadtlenek Na2O2, a potas, rubid i cez ponadtlenki KO2, RbO2,
CsO2.
Wodorki tworzą się w bezpośredniej reakcji wodoru z metalami
w podwyższonej temperaturze.
W reakcji z wodÄ… powstajÄ… wodorotlenki
2M +2H2O 2MOH + H2 (M = atom metalu)
Reakcja ta zachodzi najmniej gwałtownie w przypadku Li, natomiast
w przypadku sodu wydzielające się podczas reakcji ciepło wystarcza do
stopienia metalu. Potas zapala siÄ™ w kontakcie z wodÄ…, rubid i cez
reagują jeszcze gwałtowniej.
Ze względu na niska energię jonizacji litowce są dobrymi reduktorami
(np. stopiony sód stosuje się do otrzymania tytanu, czy cyrkonu z ich
chlorków lub w syntezach organicznych)
TiCl4(g) + 4Na(c) 4NaCl(s) + Ti(s)
Związki litowców z fluorowcami
Wiązania chemiczne w halogenkach litowców mają dominujący charakter
jonowy (duża różnica elektroujemności).
Najpopularniejszy związek z tej grupy to NaCl  stanowi materiał wyjściowy
do przemysłowej produkcji wszystkich innych związków sodu.
Związek ten jest wydobywany sposobem górniczym lub przez odparowanie
wody morskiej.
Oczyszczenie preparatów NaCl za pomocą krystalizacji ze stygnącego
roztworu nie jest możliwe (małe zmiany rozpuszczalności  273 K 35,6g NaCl
 373 39,1g NaCl na 100g wody). Dlatego czysty NaCl uzyskuje siÄ™ poprzez
wprowadzenie do roztworu gazowego chlorowodoru, co powoduje
podwyższenie stężenia jonów chlorkowych i strącenie osadu NaCl.
Czysty NaCl nie jest higroskopijny. Wilgotnienie handlowej soli kamiennej
w powietrzu jest spowodowane zanieczyszczeniem przez silnie
higroskopijnÄ… substancjÄ™ np. CaCl2, MgCl2.
Nazwa Deklarowany skład
Sól warzona NaCl  min. 96,5%
(Inowrocław) Mg2+  0,1%
Ca2+  0,7%
SO42- - 1,4%
Sól kamienna NaCl  min. 99,83%
(KÅ‚odawa) KI  32mg/kg
(obecnośd KIO3)
Sól dietetyczna NaCl  70%
niskosodowa KCl  30%
MgCl2
KI
Sól morska P, Se, Si, Fe, Cr, S, Mn, Cu, Zn,
możliwa itd.
zawartośd
mikroelementów
z
ródło: http://katalog.ndc.pl/pawosol/index.php?id=23
Azotany litowców
NaNO3 (saletra chilijska)
KNO3 (saletra indyjska)
Stosowane jako nawozy mineralne, KNO3 do produkcji czarnego prochu,
dawniej NaNO3 był wykorzystywany jako surowiec do produkcji kwasu
azotowego.
KNO3 jest również otrzymywany w procesie konwersji saletry chilijskiej:
NaNO3 + KCl "! KNO3 + NaCl
Azotany (V) sodu i potasu wykazują silne właściwości utleniające.
Ogrzewane oddaja tlen i przechodzÄ… w azotan (III).
2KNO3 2KNO2 + O2
Silniejsze ogrzewanie może prowadzić do rozkładu azotanu (III) na tlen,
azot i tlenek potasu.
Węglany litowców
Węglan sodu jest stosowany do produkcji szkła, jako środek piorący (do
zmiękczania wody) oraz wyrobu mydła. Wodorowęglan sodu (nazywany
powszechnie sodą oczyszczoną) wykorzystuje się w przemyśle
spożywczym do spulchniania ciasta.
NaHCO3 + H+ Na+ + H2O + CO2(g)
BERYLOWCE
Berylowce podobnie jak litowce nie występują w przyrodzie w stanie
wolnym. Ich reaktywność jest znaczna, ale niższa w porównaniu do litowców
i wzrasta w miarę zwiększania liczby atomowej. Berylowce są
srebrzystobiałymi metalami. W związkach występują na +II stopniu
utlenienia. Beryl różni się najbardziej właściwościami od pozostałych
pierwiastków 2 grupy i wykazuje podobieństwo do glinu położonego
w 3 grupie układu okresowego.
Konfiguracja elektronowa
Powłoki walencyjnej
Pierwiastek Symbol Konfiguracja
elektronowa
Beryl Be 2s2
Magnez Mg 3s2
Wapń Ca 4s2
Stront Sr 5s2
Bar Ba 6s2
Rad Ra 7s2
WA
AŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE BERYLOWCÓW
RYS 4.7 STR 150 LEE
Berylowce posiadają wyższe energie jonizacji
niż litowce z tego samego okresu.
Różnica pomiędzy pierwszą i drugą energią
jonizacji jest dosyć znaczna. Jednak
Rys.
berylowce występują powszechnie na
II stopniu utlenienia.
19.24
Wynika to z faktu, że energia sieciowa
związku, w którym występują jony
Atkins
dwuwartościowe jest znacznie większa niż
energia sieciowa związku, w którym pojawiają
się jony jednowartościowe. Jest to
rozwiązanie korzystniejsze pod względem
energetycznym.
Anomalne właściwości berylu
Beryl różni się od pozostałych berylowców
małymi rozmiarami atomu i stosunkowo dużą
elektroujemnością  tworzy wiązania
kowalencyjne.
Wodorotlenek berylu wykazuje najsłabsze
właściwości zasadowe spośród wodorotlenków
tworzonych przez berylowce  jest
amfoteryczny (jako jedyny w tej grupie!).
Sole berylu Å‚atwo hydrolizujÄ… tworzÄ…c
tetraedryczne jony kompleksowe [Be(H2O)4]2+.
Sole berylu nie zawierają więcej niż
4 cząsteczki wody krystalizacyjnej, ponieważ
w 2 powłoce elektronowej są tylko 4 orbitale
(ale np. Mg może mieć liczbę koordynacyjną 6
w wyniku wykorzystania niektórych orbitali 3d).
Szkliwo zębów  związek wapnia hydroksyapatyt  Ca5(PO4)3OH
Przyczyna próchnicy zębów  atak kwasów na ich powierzchnię.
W wyniku działania bakterii na resztki pożywienia w jamie ustnej mogą
powstawać kwasy karboksylowe.
Ca5(PO4)3OH + 4H+ 5Ca2+ + 3HPO42- + H2O
Powłoka ochronna staje się odporniejsza gdy jony OH- w hydroksyapatycie
zostanÄ… zastÄ…pione jonami F- - fluoroapatyt - Ca5(PO4)3F.
Ca5(PO4)3OH + F- Ca5(PO4)3F + OH-
Dlatego do past do zębów dodaje się związków fluoru.
ZASTOSOWANIE W BUDOWNICTWIE
Spoiwa wapienne
Spoiwo wapienne należy do grupy spoiw powietrznych i oparte jest na
tlenku wapnia CaO.
Wapno palone (CaO) otrzymuje siÄ™ przez wypalanie kamienia wapiennego
(CaCO3) w piecach szybowych, bÄ…dz
obrotowych w temperaturze
950  1050°C.
CaCO3 CaO + CO2 + 165,5 kJ/mol
W czasie wypalania wapienia temperatura nie może być zbyt wysoka,
ponieważ może wystąpić proces powlekania (oblepiania) ziarenek wapna
palonego nieprzepuszczalnymi dla wody stopionymi tlenkami
zanieczyszczeń (np. tlenek krzemu, tlenki żelaza, tlenek glinu lub węglan
magnezu). Takie wapno nie jest podatne na proces gaszenia.
Wapno palone poddaje sie procesowi gaszenia wg reakcji
CaO + H2O Ca(OH)2 - 63,5 kJ/mol
ZaprawÄ™ murarskÄ… (wapiennÄ…) otrzymuje siÄ™ zazwyczaj poprzez zmieszanie
1 części objętościowej wapna gaszonego z 3-5 częściami piasku oraz wodą.
Proces wiązania polegają na odparowaniu wody przy równoczesnej reakcji
wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w powietrzu
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O + 38 kJ/mol
Proces krystalizacji i wzrostu kryształów węglanu wapnia prowadzi do
powstania dużych wzajemnie poprzerastanych kryształów tworzących
szkielet, od którego zależy stwardnienie spoiwa.
Wiązanie zapraw wapiennych w pomieszczeniach zamkniętych można
przyśpieszyć przez spalanie koksu (wzrost temperatury i wzrost stężenia CO2
w powietrzu).
Spoiwa gipsowe
Otrzymywane z naturalnych siarczanów wapniowych występujących
w przyrodzie w postaci kamienia gipsowego (CaSO4 " 2H2O) i anhydrytu
(CaSO4).
Spoiwa gipsowe szybko wiążące otrzymuje się w prażarkach w niskich
temperaturach (135  230°C). Surowcem jest mÄ…czka gipsowa.
Podczas wypalania zachodzi proces odwodnienia według reakcji:
CaSO4 " 2H2O CaSO4 " 1/2H2O + 3/2H2O
Spoiwa gipsowe należą do spoiw powietrznych szybko wiążących,
o początku wiązania od 3 do 12 minut, a końcu wiązania 15 do 20 minut.
WiÄ…zanie spoiw gipsowych polega na reakcji odwrotnej do reakcji
odwodnienia surowców stosowanych do produkcji gipsu.
CaSO4 " 1/2H2O + 3/2H2O CaSO4 " 2H2O +14,2 kJ/mol