www.ise.polsl.pl/strony/czasowe/powtorka_z_chemii/charakterystyka%20litowców%20i%20berylowców.doc

L. Charakterystyka litowców i berylowców

Omawiając charakterystykę poszczególnych grup układu okresowego, skupiamy się szczególnie na grupach, które zwykło się określać jako tzw. główne. Są to grupy bloku s czyli grupa I i II oraz bloku energetycznego p. Często stosuje się wobec nich numerację od III do VIII. Określając je jako tzw. grupy główne. Różnią się one ilością elektronów na powłokach zewnętrznych, a więc wykazują bardzo wyraźne zróżnicowanie pod względem właściwości chemicznych.

Przystępując do systematycznej charakterystyki grup dobrze zachować pewien logiczny porządek omawiania. Może on być przykładowo następujący:

1. Budowa atomu typowa dla danej grupy i wynikające z tego wnioski odnośnie możliwych wartościowości oraz zmian aktywności w grupie

2. Występowanie w przyrodzie

3. Otrzymywanie na skalę laboratoryjną i techniczną

4. Właściwości fizyczne

5. Właściwości chemiczne a w tym ;

• Połączenia z wodorem - ich właściwości chemiczne

• Połączenia z tlenem - ich charakterystyka chemiczna

• Połączenia z innymi pierwiastkami niemetalami lub metalami

• Charakterystyka najważniejszych połączeń - soli, kwasów, zasad

Technologia i charakterystyka najważniejszych połączeń pierwiastków z danej grupy

Litowce

Litowce, podobnie jak berylowce, należą do bloku energetycznego s. Ogólny wzór opisujący ich powłokę walencyjną to : ns¹. Pierwiastki bardzo łatwo oddają jeden elektron walencyjny tworząc kationy, które opisuje wzór ogólny (n-1)s²p⁶ Z tego wynika, że posiadają wartościowość +1, osiągając tym samym, łatwo trwałą konfigurację elektronową gazów szlachetnych. Jako, że bardzo łatwo oddają elektrony, są więc typowymi i niezwykle aktywnymi metalami. Aktywność ich polega na oddawaniu elektronów w obrębie grup (dotyczy to zarówno litowców jak i berylowców) ich aktywność w miarę wzrostu liczby atomowej. Łatwiej oddać elektron z powłoki bardziej odległej od jądra. Objawia się to również identycznymi zmianami elektroujemności tych pierwiastków w grupach. Bardzo duża aktywność pierwiastków tych grup powoduje, że w warunkach normalnych występują jedynie w postaci związków chemicznych, najczęściej są to sole z fluorowcami (np. chlorek sodu tzw. sól kuchenna) lub popularniejszymi kwasami tlenowymi takimi jak np. kwas azotowy(V). Te substancje znane są jako saletry. Do częściej wymienianych przykładów należy tzw. kamień wapienny z chemicznego punktu widzenia węglan wapnia. Ważny jest ciąg przemian, którym ten minerał jest poddawany. Kamień wapienny czyli wapień poddaje się prażeniu powodując jego rozkład na tlenek węgla(IV) oraz tlenek wapnia, zwany wapnem palonym. Ta substancja z kolei jest ważnym składnikiem wapiennej zaprawy murarskiej. W tym celu tlenek wapnia czyli wapno palone poddaje się gaszeniu lub inaczej lasowaniu. W zachodzącej wówczas reakcji: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ powstaje wapno gaszone, które z chemicznego punktu widzenia jest wodorotlenkiem wapnia. Wodorotlenek wapnia jest umiarkowanie rozpuszczalny i znany jest jako woda wapienna, czyli klarowny roztwór wodorotlenku wapnia służący przykładowo do wykonywania tzw. próby zmętnienia wody wapiennej, świadczącej o obecności dwutlenku węgla w mieszaninie gazów. Zawiesina wodorotlenku wapnia w wodzie nosi nazwę mleczka wapiennego i bywa stosowana do bielenia drzewek lub pomieszczeń inwentarskich (ma właściwości bakteriobójcze).

Ze względu na dużą aktywność zarówno litowce jak i berylowce nie można otrzymać stosując tradycyjne reduktory chemiczne (gdyż same są najaktywniejszymi reduktorami), z tego względu otrzymuje się je stosując metody fizykochemiczne, konkretnie elektroredukcję, czyli elektrolizę, stopionych soli (kwasów beztlenowych, gdyż te mają najniższe temperatury topnienia!) Oto przykładowy zapis takiego procesu, zgodny z zasadami przyjętymi przy omawianiu procesów elektrochemicznych.

NaCl
Na⁺ + Cl^-

K(-) Na⁺ + e^- → Na⁰

A(+) Cl^- - e^- → ½Cl₂

W wyniku elektrolizy stopionego chlorku sodu na anodzie wydziela się chlor zaś na katodzie metaliczny sód. Reasumując litowce i berylowce otrzymuje się w wyniku elektrolizy stopionych soli (kwasów beztlenowych)

Ze względu na małe rozmiary atomów tych pierwiastków posiadają specyficzne cechy fizyczne (patrz ćwiczenia na płytach). Są miękkie, można je kroić żyletką, oraz lekkie np. lit ma gęstość mniejszą od jedności (czyli jest lżejszy od wody).

Jak już wielokrotnie wspomniano metale te są niezwykle aktywne dlatego przechowuje się je pod warstwą nafty, tak by odciąć dopływ powietrza i możliwość ich utleniania. Po przecięciu powierzchnia posiada połysk metaliczny, matowiejący z czasem w wyniku utleniania metalu.

Litowce i berylowce łatwo utleniają się na powietrzu i dają tlenki (K₂O) zaś w trakcie spalania powstają ich nadtlenki(K₂O₂). Połączenia te zgodnie z podaną klasyfikacją należą do tlenków zasadowych gdyż reagując z wodą dają zasady. Oto odpowiednie równania reakcji:

K₂O + H₂O → 2KOH

K₂O₂ + H₂O → 2KOH + ½O₂

Pierwiastki te łączą się również z wodorem tworząc wodorki, ciekawostką jest to, że wodór w nich posiada elektrowartościowość -I . Wodorki takie wykazują również charakter zasadowy i wyniku reakcji z wodą tworzą wodorotlenki i wydziela się przy tym wodór.

KH + H₂O → KOH + H₂

Pierwiastki te reagują również z innymi niemetalami np. pierwiastkami grupy XVI, XVII dając, powszechne w przyrodzie, sole. Rozważając w dalszym ciągu problem reaktywności tych pierwiastków trzeba wspomnieć, że tak jak wszystkie reagują z kwasami lecz szczególnie zaś to, że bardzo aktywnie łączą się z wodą dając zasady. Przebieg takiej reakcji przedstawiono na filmiku z płyty pokazującym reakcję sodu z wodą.

Najważniejszym i najpowszechniejszym połączeniem, które tworzą pierwiastki tej grupy, należy niewątpliwie wodorotlenek sodu.

Wodorotlenek sodu to ciało stałe, krystaliczne, barwy białej. Bardzo łatwo rozpuszcza się w wodzie gdyż jest niezwykle higroskopijny. Doświadczenie ilustrujące tę właściwość można zobaczyć na drugiej płytce podręcznika. Związek ten znany jest pod nazwami technicznymi soda żrąca lub soda kaustyczna. Dzięki swej niezwykłej aktywności bywa wykorzystywany w celu wykazania właściwości amfoterycznych i to zarówno wodorotlenków, tlenków jak i samych metali. Często przytaczanym przykładem jest glin i jego właściwości amfoteryczne.

Al + H₂O + NaOH → NaAlO₂ + 1½H₂ - glinian sodu

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O lub inaczej

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] - tetrahydroksoglinian sodu

W warunkach laboratoryjnych związek ten przechowuje się w szczelnych słoikach polietylenowych z powodu jego higroskopijności, łatwości reagowania z zawartym w powietrzu dwutlenkiem węgla Następuje wówczas zbrylenie stałego wodorotlenku sodu. Podobnie od powietrza należy chronić roztwory wodorotlenku, które ponadto należy przechowywać w plastikowych butelkach, gdyż jako silnie zasadowe połączenie reaguje z zawartą w szkle krzemionką powodując przykładowo zapiekanie korków szklanych ze szlifem i ogólnie korozję szkła zgodnie z równaniem reakcji: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.

Wodorotlenek sodu na skalę laboratoryjną otrzymuje się dwoma metodami, typowymi dla zasad litowców to znaczy:

2Na + 2H₂O→ 2NaOH + H₂

Na₂O + H₂O → 2NaOH

Na skalę techniczną stosuje dwie grupy metod:

1) chemiczną polegającą na reakcji wodorotlenkiem wapnia na węglan sodu ( wapnem gaszonym na sodę) Na₂CO₃ + Ca(OH)₂→2NaOH + CaCO₃(↓)

2) elektrochemiczne: polegająca na elektrolizie wodnego roztworu NaCl (przeponowa) oraz druga, która również polega na elektrolizie wodnego roztworu chlorku sodu jednak z zastosowaniem katody rtęciowej. Nazywa się ją metodą rtęciową.

Metoda chemiczna polega na reakcji, którą podano wcześniej jednak podstawową jej wada jest to, że otrzymany w ten sposób wodorotlenek jest zanieczyszczony i tym samym nie może być wykorzystany jako surowiec w technologiach o wyższych wymaganiach jakościowych.

Metoda przeponowa polega na elektrolizie wodnego roztworu chlorku sodu. W elektrolizerze przestrzeń katodową od anodowej oddziela przepona azbestowa uszczelniona siarczanem baru, która przeciwdziała mieszaniu się roztworów przestrzeni katodowej i anodowej. Proces w elektrolizerze opisują następujące równania:

NaCl
Na⁺ + OH^-

K(+) H₂O + e^- → OH^- +½H₂

A (-) Cl^- -e^- →½Cl₂

W wyniku elektrolizy wodnego roztworu chlorku sodu na katodzie wydziela się wodór zaś na anodzie gazowy chlor. Wykorzystuje się je do produkcji na skalę techniczną chlorowodoru i dalej kwasu solnego. W elektrolizerze pozostaje wodorotlenek sodu, produkt ostateczny, jednak w pewnym stopniu zanieczyszczony chlorkiem sodu ponieważ nigdy nie można przeprowadzić elektrolizy do całkowitego wyczerpania substratu, czyli w tym wypadku chlorku sodu.

Druga metoda elektrolityczna to metoda rtęciowa, czyli z zastosowaniem katody rtęciowej, która wywołuje zjawiska nadnapięcia wodoru. W praktyce oznacza to, że jony sodu redukują się wówczas przed jonami wodorowymi. Proces ten można zapisać następującymi równaniami: NaCl
Na⁺ + OH^-

K(Hg)(-) Na⁺ + e^- → Na(Hg) roztwór sodu w rtęci (amalgamat)

A (+) Cl^- - e^- → ½Cl₂

Amalgamat zostaje przepompowany do zbiornika z czystą wodą i następuje tam znana reakcja sodu z wodą w wyniku której powstaje wodorotlenek sodu oraz wydziela się wodór, który w połączeniu z uzyskanym na anodzie chlorem służy do otrzymywania, na skalę techniczną, kwasu solnego. Otrzymany w ten sposób wodorotlenek sodu jest bardzo czysty, jednak taka technologia jest uciążliwa ze względów ekologicznych (możliwość przenikania do środowiska połączeń rtęci).

Oddzielnego omówienia wymaga zjawisko tzw. twardości wody. Polega ono na występowaniu w wodach, najczęściej naturalnych, kationów wapnia, magnezu oraz innych metali (glinu, żelaza). Połączenia tych metali występują w wodach naturalnych jako składnik mineralny będący efektem wypłukiwania skał. Obecność połączeń tych metali, niezwykle istotna ze względów sanitarnych, stanowi poważny problem techniczny i dlatego czyni się starania o zmniejszenie twardości np. wód użytkowych podawanych w wodociągach. W zależności od tego jakie aniony towarzyszą wymienionym kationom rozróżnia się twardość trwała (gdy występują aniony tworzące z kationami sole rozpuszczalne) lub twardość przemijającą gdy anionem jest anion wodorowęglanowy. W tej sytuacji w wyniku ogrzania rozpuszczalne wodorowęglany wapnia czy magnezu przechodzą w nierozpuszczalny węglan wapnia i wodorotlenek magnezu (jest on trudniej rozpuszczalny od węglanu magnezu). Związki te tworzą wówczas tzw. kamień kotłowy.

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃(↓) + H₂O + CO₂

Mg(HCO₃)₂ → Mg(OH)₂ + 2CO₂

2

---