Главная Обратная связь

Дисциплины:






Хімічні елементи ІІА групи. Берилій, магній та лужноземельні метали

2.2.1 Загальна характеристика s-елементів ІІА групи

До s-елементів ІІА групи належать берилій та магній і лужноземельні хімічні елементи: кальцій , стронцій , барій , радій . Ця назва пов’язана із прийнятим ще за часів алхіміків називати усі малорозчинні у воді сполуки «землями». Оскільки «землі» при контакті з водою утворювали лужне середовище, то ці оксиди стали називати лужними «землями», а хімічні елементи – лужноземельними.

На зовнішніх енергетичних рівнях атомів цих елементів розміщено по два валентні електрони: електронна конфігурація атомів цих елементів в основному стані . Їхні передостанні енергетичні рівні мають по вісім електронів, а в атома берилію – два. Незважаючи на те, що число валентних електронів у всіх атомів цих елементів однакове, у ряді спостерігається істотна зміна числа валентних орбіталей: в атомі літію 4 ( - гібридизація), а в атомів магнію та лужноземельних елементів 6 ( -гібридизація). Хоча нуклідам лужноземельних елементів більш притаманний іонний, ніж ковалентний полярний зв'язок. У всіх своїх сполуках s-елементи ІІА групи мають ступені окиснення тільки +2. Їх хімічні зв’язки з нуклідами інших хімічних елементів, як правило, (за винятком сполук берилію та магнію) мають іонний характер.

Розміри атомів цих хімічних елементів значно менші порівняно з розмірами атомів s-елементів ІА групи, що зумовлено збільшенням зарядів їх ядер і підвищенням стійкості цілком заповнених - підрівнів. Тому ці метали дещо менш активні, ніж лужні метали. Крім того, число делокалізованих електронів у металічних гратках цих металів у два рази більші, тому вони мають значно вищі температури плавлення, кипіння та більші густини, ніж лужні метали. Однак всі вони належать до легких металів, бо їх густина менша 5 г/см3.

У ряді зростають закономірно розміри атомів та іонів, зменшується енергії іонізації, збільшуються металічні властивості, основні властивості оксидів та гідроксидів.

Через зазначені вище особливості s-елементів ІІА групи доцільно берилій і магній розглядати окремо від лужноземельних металів.

Берилій і магній

Берилій і магній суттєво відрізняються за своїми властивостями від інших хімічних елементів своєї групи. Крім того, магній за своїми властивостями більш близький до лужноземельних металів, ніж берилій. Хоча атоми всіх цих елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні по два валентні електрони, берилію і магнію більш притаманно утворювати ковалентні полярні зв’язки, а лужноземельним – іонні. Утворення простих іонів берилію і магнію у незначній кількості можливо лише за високих температур у розплавах їх солей. Зауважимо, що берилій та магній значно відрізняються своїми властивостями. Якщо атомам берилію властива - або - гібридизації при утворенні ковалентних полярних зв’язків, то атомам манію - - та - гібридизації орбіталей. Магній, з одного боку, має хімічні властивості подібні до берилію: його нукліди легко утворюють численні комплекси, основні солі, його гідроксид нерозчинний у воді, а, з другого боку, його погано розчинний гідроксид при контакті з водою утворює слабко лужне середовище, що не притаманно гідроксиду берилію, але – гідроксидам лужноземельних металів.



У природі берилій існує тільки у вигляді одного ізотопа , а магній як хімічний елемент – у вигляді трьох стабільних ізотопів: .

Найважливішими мінералами берилію є хризоберил та берил .

Магній є одним з найпоширеніших хімічних елементів земної кулі.

Він утворює різні поклади мінералів: магнезиту , доломіту і карналіту . Крім того, величезні кількості солей магнію, здебільшого гіркої солі або , розчинені у воді річок, озер, морів і океанів. Магній – біоелемент, макроелемент, він входить до складу рослинних і тваринних організмів, в тому числі, і – людини.

Добування. На сьогодні берилій і магній добувають переважно електролізом розплавів їх солей: у суміші з , а у суміші з . Хлориди лужних металів додають, щоб збільшити електропровідність розплавів, бо та і в розплаві погано розпадаються на прості іони. На катоді виділяються відповідно берилій та магній.

Фізичні властивості. Берилій і магній – блискучі білі метали, які в атмосфері повітря покриваються тонкою оксидною плівкою, яка захищає їх від подальшого окиснення та надає їм матового відтінку. Берилій твердий і крихкий, що свідчить про присутність у металічній решітці, крім делокалізованого металічного зв’язку,локалізованих ковалентних зв’язків, а магній – значно м’якший і більш пластичний, відзначається більшою електропровідністю. Це свідчить про те, що кристалічній решітці магію більш притаманний металічний зв'язок ніж решітці берилію. Густина берилію (1,85 г/см3) трохи більша за густину магнію (1,74 г/см3). Температура плавлення берилію (1283 оС) значно вища за температуру плавлення магнію (650 оС).

Фізичною особливістю є його прозорість для рентгенівських променів. Завдяки цьому його використовують для виготовлення віконець у рентгенівських трубках.

Хімічні властивості. За кімнатної температури берилій і магній при контакті з повітрям покриваються тонкою і стійкою оксидною плівкою, на цьому їх взаємодія з киснем припиняється. Лише в разі нагрівання берилію до 900оС, а магнію – до 650оС вони спалахнуть з утворенням оксидів та нітридів:

;

.

Галогени легко сполучаються з берилієм і магнієм за звичайних умов:

.

Реакція з флуором і хлором відбувається більш активно, з бромом та йодом – повільніше.

З багатьма іншими неметалами берилій і магній реагують тільки за високих температур, утворюючи при цьому різні бінарні сполуки:

;

;

;

;

;

;

.

Магній карбіди при взаємодії з водою утворюють відповідно етин або пропін:

;

.

З воднем берилій безпосередньо не взаємодіє, його полімерні гідриди можна одержати тільки непрямим шляхом. Сполучення магнію з воднем відбувається за високих температури і тиску у присутності йоду як каталізатора:

.

Вже при слабкому нагріванні гідриди берилію та магію розкладаються:

.

Вода на берилій не діє. Магній майже не реагує з холодною водою, але повністю витісняє з неї водень під час кипіння:

.

За звичайних умов берилій і магній реагують з розчинами кислот (з розчинами нітратної кислоти берилій взаємодіє тільки при нагріванні):

;

;

;

;

спрощено записують так:

;

;

;

;

Особливістю магнію, яка мало характерна для інших металів, є його взаємодія з органічними галегенпохідними в розчинах етерів з утворенням реактивів Гриньяра:

Спрощено записують так:

Реактиви Гріньяра дуже часто використовують в органічному синтезі.

Магній стійкий проти дії лугів, а берилій з розплавом лугу реагує так:

,а з водним розчином лугу взаємодіє так:

;

.

Магній – сильний високотемпературний відновник, що використовують для добування деяких металів і неметалів:

;

;

.

Оксиди. Оксиди берилію та магнію – білі тугоплавкі порошки з кристалічним гратками (температури плавлення ). Ці оксиди одержують переважно при прожарюванні їх карбонатів:

.

Магній оксид зустрічається також у природі (мінерал периклаз).

Берилій оксид і магній оксид тим важче вступають в хімічну взаємодію, чим за вищої температури були попередньо прожарені, що зумовлено укрупненням кристалів.

Берилій оксид проявляє амфотерні властивості:

;

;

Спрощено:

;

;

;

;

;

;

;

.

Магній оксиду притаманні переважно основні властивості, він активно реагує з водними розчинами кислот, за певних умов – з кислотними та амфотерними оксидами:

;

;

спрощено:

;

;

;

;

;

;

.

Цікавою особливістю є утворення магнезіального цементу при змішуванні магній оксиду з концентрованим водним розчином магній хлориду. Тужавінння магнезіального цементу відбувається за рахунок утворення поліядерних (полімерних) гідроксооксохлоридокомплексів магнію.

Гідроксиди. Гідроксиди берилію та магнію – аморфні речовини білого кольору, що погано розчиняються у воді.

Гідроксид берилію – поліядерний комплекс, для якого формула не є молекулярною формулою.

Він поводить себе як дуже слабкий електроліт, при контакті з водою її нейтральне середовище не змінюється.

Магній гідроксид теж є поліядерним комплексом, слабким електролітом, але при контакті його з водою остання стає слабко лужною.

Берилій гідроксид – типова амфотерна сполука. добре реагує як з розчинами кислот, так і лугів:

;

;

спрощено:

;

;

;

.

Моноядерна комплексна сполука добре розчиняється у воді на відміну від поліядерного комплексу .

Магній гідроксид (основний гідроксид) добре реагує з розчинами кислот:

;

;

спрощено:

;

.

Цікавою особливістю є його здатність реагувати з розчинами солей амонію:

;

;

спрощено:

;

.

Важливою особливістю берилій гідроксиду є його здатність розчинятися у присутності внаслідок процесу комплексоутворення:

;

.

Берилій гідроксид починає розкладатися при температурі 230оС, а - при більш високій температурі:

;

.

Солі.Більшість середніх і кислих солей берилію і магнію добре розчинні у воді. Аквакомплекси берилію і магнію - і -безбарвні. Іони надають розчину солодкого, - гіркого смаку.

Серед найбільш уживаних солей цих хімічних елементів можна відмітити: сульфати , ; хлориди ; , магній перхлорат .

Серед нерозчинних солей слід назвати: карбонати ; магній флуорид ; магній фосфат ; амоній магній фосфат .

Сульфатам і карбонатам цих металів притаманно утворювати подвійні солі - шеніти, що є різновидом комплексних сполук, склад яких можна подати такими формулами: ; ; ; тощо.

У водних розчинах солі берилію і магнію гідролізують. Особливо досить сильно гідролізують солі берилію. Значний гідроліз солей магнію відбувається при підвищених температурах. Гідроліз солей берилію і сильних кислот відбувається за рівняннями:

;

.

Вважають, що з урахуванням здатності нукліду (атома) берилію до - гібридизації орбіталей з утворенням чотирьох ковалентних - зв’язків, будову поліядерного комплексного катіона можна записати такою структурною формулою:

.

Гідроліз солей магнію і сильних кислот ледь помітно:

;

спрощено:

.

При високих температурах середні солі магнію можуть гідролізувати до утворення основних гідроксо- та оксосолей. Наприклад:

.

У водних розчинах солей магнію і слабких кислот гідроліз відбувається за рівняннями (спрощеними):

;

тощо.

У зв’язку зі здатністю катіонів і до гідролізу при додаванні до їх водних розчинів карбонатів лужних металів утворюються не карбонати, а – важкорозчинні гідроксокарбонати (поліядерні комплекси), що спрощено можна записати так:

;

.

Магній гідроксокарбонат можна перетворити в середню сіль при нагріванні з концентрованим розчином :

.

Цікавими сполуками берилію є його основні ацетати і нітрати солі складу і . Це леткі речовини. Основний берилій ацетат розчиняється навіть у неполярних органічних розчинниках. Вони інертні щодо води, в розчинах не гідролізують. Згідно з рентгеноструктурними дослідженнями можна зробити висновок: у комплексній сполуці нуклід (атом) оксисену перебуває у стані - гібридизації орбіталей, міститься у центрі комплексної молекули, утворює чотири - зв’язки з нуклідами (атомами) берилію, що перебувають у вершинах тетраедра, та утворюють ще по три - зв’язки з нуклідами (атомами) оксисену кислотних залишків.

Більшість солей берилію і магнію при прожарюванні розкладаються:

;

;

;

.

Галогеніди берилію і магнію плавляться без розкладання.

Біологічна роль та застосування в медицині сполук берилію та магнію

Сполуки берилію токсичні. Металічний берилій добре пропускає рентгенівські промені, тому його використовують для виготовлення віконець рентгенівських трубок.

Магній – біоелемент. За кількісним вмістом в організмі рослин, тварин і людини він – макроелемент. В організмі людини магній перебуває у вигляді аква- або інших комплексів з білками, амінокислотами тощо. Сполуки магнію містяться всередині клітин організму. Комплексні іони магнію в залежності від концентрації блокують або забезпечують нервово - м’язову передачу, завдяки чому пригнічують центри дихання. Беруть участь в активізації багатьох ферментативних процесів. Комплексні іони магнію гальмують виділення ацетилхоліну. Вони є антагоністами іонам кальцію. Нукліди магнію є комплекоутворювачами в пігменті зелених рослин – хлорофілі, який відіграє важливу роль у процесі фотосинтезу.

Солі магнію – сульфати, аспарагінати, карбонати, глюконати тощо – входять до складу багатьох медичних препаратів.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...