PREDMET:DABRANA PGLAVLJA IZ HEMIJE za studente IV semestra rudarskog odseka Profesor dr Aleksandra Kostić-Pulek Predavanje br.ii:elementi GLAVNIH PDGRUPA PERIDNG SISTEMA ELEMENATA (A GRUPA (.0.007 Sadržaj časa: 1.Neorganska hemija i predmet njenog proučavanja.pšte karakteristike elemenata glavnih podgrupa (A grupa.najznačajnije osobine i najznačajnija jedinjenja vodonika.najznačajnije osobine i najznačajnija jedinjenja nekih elemenata IA grupe (Na i K.Najznačajnije osobine i najznačajnija jedinjenja nekih elemenata IIA grupe(mg,ca i Ba 1.Neorganska hemija Neorganska hemija je nauka o hemijskim elementima i prostim i složenim supstancama koje oni grade.na početku svog razvoja neorganska hemija se isključivo bavila izučavanjem supstanci mineralnog porekla prisutnih u prirodi a danas se bavi i sintetizovanjem i proučavanjem jedinjenja kojih nema u prirodi..pšte karakteristike elemenata glavnih podgrupa (A grupa Kod elemenata koji pripadaju glavnim podgrupama PSE kratkih perioda ili A grupama PSE dugih perioda broj elektrona u spoljašnjem energetskom nivou jednak broju grupe.svi spoljašnji elektroni kod ovih elemenata mogu da grade hemijske veze pa se zato nazivaju valentni elektroni.posto svi spoljašnji elektroni mogu da učestvuju u obrazovanju hemijske veze to je maksimalan oksidacioni broj ovih elemenata jednak broju grupe (sa nekim izuzecima u kojoj se nalaze(npr.za elemente IA grupe on je +1,IIA + itd.valentni elektroni ovih elemenata su :s-elektroni i ovi elementi se nazivaju s-elementi (IA i IIA grupa,vodonik i helijum iz VIIIA grupe ili s i p elektroni i ovi elementi se nazivaju p- elementi(iiia,iva,va,via,viia i VIIIA grupa.svi unutrašnji energetski nivoi kod s i p elemenata su popunjeni.sa porastom rednog broja grupe raste broj valentnih elektrona a opadaju metalna i rastu nemetalna svojstva elemenata ovih grupa.tako ove grupe sadrže elemente različitih osobina: s-elementi su metali (izuzetak su vodonik i helijum a p-elementi su, nemetali, metaloidi, metali.i plemeniti gasovi. Elementi koji pripadaju glavnim podgrupama odnosno A grupama PSE se nazivaju i neprelazni elementi..najznačajnije osobine i jedinjenja vodonika Nalaženje vodonika u prirodi: Vodonik spada u hidrofilne, litofilne i atmofilne elemente mada ga ima samo u višim delovima atmosfere-statosferi.najrasprostranjeniji je elemenat svemira i sunce i zvezde su sačinjenje uglavnom od njega.( 90%at..dsustvo vodonika u atmosferi posledica je činjenice da
je zemljina gravitacija premala da zadrži njegove lake molekule.u litosferi ga ima 0,16 %mas. i to u elementarnom obliku (u sastavu vulkanskihi drugih gasova i u vezanom obliku (u nafti,mineralima,živoj materiji.ulazi u sastav hidrosfere.javlja se u obliku izotopa: 1 H (protijum, H(deterijum i H(tricijum od koga u prirodi ima najviše protijuma(99,9%mas..prva dva su stabilna a treći je radioaktivan. Fizičke osobine vodonika: Na sobnoj temperaturi vodonik je gas bez boje,ukusa i mirisa,najlakši od svih gasova (1, puta lakši od vazduha.na pritisku od 1,9 kpa se može prevesti u tečno stanje.tečni vodonik,na p at, ključa i očvršćava na veoma niskim temperaturama (-, i 9, 0 C zbog delovanja veoma slabih medjumolekulskih sila. I čvrsti i tečni vodonik vodonik je najlakša supstanca. Atom vodonika je najmanjih dimenzija (r c =0pm,u odnosu na atome drugih elemenata,pa je zato i njegov molekul veoma mali sto mu omogućava veliku brzinu kretanja (difuzije kroz različite materijale.malo je rastvoran u vodi i u drugim rastvaračima ali je dobro rastvoran u metalima,posebno platinskim. Hemijske osobine: Karakteristike njegovog atoma su:elektronska konfiguracija 1s 1 ;jonizacioni potencijal 1,6eV;koeficijent elektronegativnosti,1;afinitet prema elektronu 0,7 ev.na sobnoj temperaturi postoji u obliku stabilnog molekula (H u kome su atomi povezani jakom,nepolarnom kovalentnom (σ vezom(e v =6,0 kj/mol, i zato je nereaktivan.na visokim temperaturama njegova reaktivnost raste i on predstavlja jako redukciono sredstvo: t 0 C Cu Cu Za razliku od molekulskog vodonika vodonik u atomskom stanju (in status nascendi je mnogo reaktivniji.daje jedinjenja sa vecinom elemenata PSE i u njima ima oksidacione brojeve 1 i +1. Jedinjenja vodonika sa oksidacionim brojem 1 va jedinjenja se zovu hidridi i vodonik ih daje sa elementima koji su elektropozitivniji od njega, metalima i nekim nemetalima.hidridi se dele na:ahidride sonog karaktera u kojima je prisutna jonska veza (sadrže H - jone i u koje spadaju hidridi elemenata IA I IIA grupe (izuzev hidrida Be i Mg ;b kovalentne (polimerizovanehidride (BH,MgH, AlH,BeH,ZnH itd. ;chidride metalnog karaktera (hidridi prelaznih matala koji imaju osobine metala (PdH 0,,PdH 0,6,TiH itd. Jedinjenja vodonika sa oksidacionim brojem +1 Najbrojnija su jedinjenja ca ugljenikom (ugljovodonoci koji se proučavaju u organskoj hemiji.d neorganskih jedinjenja najznačajnije jedinjenje je voda koja može nastati reakcijom sjedinjavanja vodonika i kiseonika na povišenoj temperaturi ili,na običnoj t.,u prisustvu katalizatora.:
---- t 0 C H ΔH 0 = -,0 kj/mol Vodonik sa vazduhom gradi eksplozivne smeše ukoliko ga ima u opsegu od -7,0 % zapr.maksimalni efekti eksplozije su u smeši sa vazduhom koja sadrzi,6 % zapr.temperatura paljenja smeše vodonik-vazduh je u opsegu od 00-0 C, i niža je od temperature paljenja smeše metan-vazduh, što znači da je prisustvo metana u vazduhu još opasnije ako u njemu ima vodonika koji može da inicira eksploziju metana. Smeša sastavljena od apremine vodonika i jedne zapremine kiseonika se naziva praskavi gas,reaguje eksplozivno brzo,i uz oslobadjanje velike količine toplote. Na običnoj ( i na nižim temperaturama i u mraku vodonik reaguje sa fluorom dajući gas fluorovodonik (HF i sa hlorom (samo na svetlosti dajući gas hlorovodonik (HCl.Većina reakcija vodonika ipak dovoljnom brzinom teče samo na povišenim temperaturama: Br HBr ; J HJ ;S H S ; N NH Navedena jedinjenja (HF,HCl,HBr,HJ,H S I NH su na običnoj temperaturi otrovni gasovi,dobro rastvorni u vodi (prisustvo polarna kovalentne veze.njihovim rastvaranjem u vodi nastaju kiseline-hf (fluorovodonična-slaba zbog prisustva vodonicnih veza,hcl(hlorovodonična, HBr (bromovodonična, HJ (jodovodonična koje su jake kiseline i čije jacine rastu sa porastom atomskog broja halogena.rastvaranjem H S(sumporovodonika u vodi nastaje slaba sumporovodonična kiselina..vodeni rastvor amonijaka reaguje bazno.izmedju molekula jedinjenja u kojima je vodonik sjedinjen sa ovim elektronegativnim elementima ( F,Cl,S,N prisutne su vodonične veze..najznačajnije osobine i najznačajnija jedinjenja natrijuma i kalijuma U IA grupu spadaju elementi:litijum (Li,natrijum (Na,kalijum (K,rubidijum (Rb,cezijum(Cs i francijum(fr.vi elementi se nazivaju alkalni metali jer grade jake baze (alkalije. Nalaženje u prirodi natrijuma i kalijuma Spadaju u litofilne elemente i zbog velike hemijske aktivnosti javljaju se isključivo u vezanom obliku.najznačajniji primarni minerali iz grupe feldspata su ortoklas K(Al i albit Na(Al,iz grupe feldspatoida nefelin Na(Al a iz grupe minerala koji su nastali taloženjem,kainit KCl.MgS.H,halit ili kamena so NaCl,silvin KCl,karnalit KCl.MgCl.6H,natron soda Na C.10 H,čilska salitra NaN i drugi. vi elementi su prisutni i u vodama u prirodi (posebno morima u obliku K + i Na + jonova u koje dospevaju rastvaranjm njihovih soli (NaCl,KCl, NaN i drugih ili raspadanja ortoklasa i albita u atmosferskim vodama koje u sebi sadrže rastvoreni C : Na(Al +C Na C + +Al (H Na(Al +C Na + +C - + +Al (H K(Al +C K C + +Al (H K(Al +C K + +C - + +Al (H
Fizičke osobine natrijuma i kalijuma Srebrnasto su bele boje, metalnog sjaja,meki i niskih temperatura topljenja ( 9 i 6 0 C usled prisustva slabe hemijske veze u njihovim metalnim kristalnim rešetkama. (angažovan samo po 1 s elektron.imaju prostorno centriranu kubnu kristalnu rešetku.gustine su im male(0,97 i 0,6 g/cm i dobri su provodnici elektriciteta. Hemijske osobine natrijuma i kalijuma Elektronska konfiguracija im je: Na 1s s p 6 s 1 : K 1s s p 6 s p 6 s 1 sa jednim s elektronom (valentnim elektronom u poslednjem energetskom nivou čijim otpuštanjem nastaju pozitivni joni-katjoni ( Na + i K + konfiguracije identične sa najbližim plemenitim gasom. Imaju male prve jonizacione potencijale i koeficijente elektronegativnosti (Na,1 ev i 0,9;K-, ev i 0, što znači da vrlo lako otpuštaju po jedan electron (stičući oksidacioni broj +1 usled čega su oni hemijski veoma aktivni metali i jaka redukciona sredstva.u njihovim jedinjenjima je prisutna jonska veza. Reaguju skoro sa svim prostim i sa mnogim složenim supstancama. Sa vodonikom daju hidride (MH,sa halogenim elementima halogenide (MX sa sumporom sulfide (M S,sa azotom nitride (M N,sa fosforom fosfide različitog sastava itd..na vazduhu sagorevaju dajući:na ( natrijum peroksid i K ( kalijum-superoksid.na indirektan način daju i okside:na i K koji su bazni i čijom reakcijom sa vodom nastaju jake baze:nah i (jača od prethodne KH koje su dobro rastvorne u vodi.elemenat kalijum pored oksida i superoksida daje i perokside (K i ozonide (K. vi elementi mogu da istisnu (redukuju vodonik iz hladne vode a: takodje i iz rastvora kiselina koje nemaju oksidaciono dejstvo(razblažena HCl i H S : M H +MH ; MCl MCl ;M S M S Soli ovih metala su uglavnom dobro rastvorne u vodi (osim nekoliko izuzetaka.često su po svom sastavu kristalohidrati (Na S.10H, K S.H itd..nastajanje kompleksnih soli nije karakteristično za ove elemente.unošenjem u plamen ovih metala ili njihovih soli dolazi do bojenja plamena:natrijum boji plamen žuto a kalijum plavo..najznačajnije osobine i najznačajnija jedinjenja magnezijuma,kalcijuma i barijuma Elementi IIA grupe su metali:berilijum(be,magnezijum(mg,kalcijum(ca,stroncijum(sr,barijum(ba i radijum(ra.kalcijum,stroncijum i barijum se nazivaju zemno-alkalnim metalima a u delu litrature se svi nazivaju tako.elemenat radijum spada u prirodne radioaktivne elemente i jedan je od najznačajnijih izvora prirodne radioaktivnosti. Nalaženje u prirodi magnezijuma,kalcijuma i barijuma vi elementi su litofilni elementi i magnezijum i kalcijum spadaju u devet najrasprostranjenijih
elemenata litosfere.barijum je znatno manje sadržan u litosferi (.10 - %mas..u litosferi se nalaze iskljčivo u vezanom obliku i to u sastavu silikatnih:anortita -Ca( Al, olivina- (Mg,Fe,talka Mg ( 10 (H kao i nesilikatnih minerala:kalcita-cac,magnezita- MgC,dolomita-CaC.MgC,viterita-BaC,gipsa-CaS.H,barita-BaS, fosforita- Ca (P i drugih. Prisutni su u vodama u prirodi i u njih dospevaju raspadanjem karbonata pod dejstvom atmosferske vode koja sadrži rastvoreni C pri njenom prodiranju u pukotine stena..pri tome se odigravaju reakcije pri kojima nastaju rastvorne soli-hidrogenkarbonati koje disocijacijom daju jone kalcijuma i magnezijuma: CaC +C Ca(HC Ca + C - MgC +C Mg(HC Mg + C - CaC. MgC + C Ca(HC + Mg(HC Ca + + Mg + C - Nastajanje rastvornih soli,hidrogenkarbonata,odnosno rastvaranje karbonata je ustvari nastajanje kraskih oblika reljefa:jama,pećina,uvala,vrtača itd. Kada podzemne vode,sa rastvorenim hidrogenkarbonatima u njima,dospeju do pukotina na tavanicama pećina dešava se razlaganje hidrogenkarbonata i ponovno nastajanje nerastvornih karbonata od kojih su sastavljeni pećinski ukrasi stalaktiti i stalagmiti-prema jednačini: Ca(HC CaC +C Joni Ca u vode u prirodi dospevaju i rastvaranjem malo rastvornog minerala gipsa. Joni Ca + i Mg + su pored Na + i K + glavni joni sadržani u vodama u prirodi.prisustvo prva dva jona vode u prirodi čini tvrdim i zbir njihovih koncentracija čini tzv.ukupnu tvrdoću vode (u.t.: + + u.t=c +cmg i izražava se u mmol/dm i mg/dm Ca Ukupna tvrdoća vode se sastoji od karbonatne(privremene koju čini prisustvo Ca(HC i Mg(HC I nekarbonatne (stalne tvrdoće koju čine soli:cas,ca(n, CaCl, MgCl, MgS,Mg(N,MgCl i druge soli ovih metala. Tvrda voda je nepodesna za upotrebu i u industriji (stvara se kamenac na zidovima uredjaja što uslovljava veći utrošak energije i u domaćinstvu (troši se više sapuna jer joni kalcijuma sa njim grade nerastvorna jedinjenja i zato se ona pre upotrebe omekšava (uklanjaju Ca + i Mg + joni. Privremena tvrdoća se može ukloniti običnim prokuvavanjem pri čemu se iz nje u sastavu nerastvornih karbonata ukljanjaju jonovi Ca + i Mg + : Ca(HC t CaC +C Mg(HC t MgC +C ili hemijskim putem sa Ca(H Ca(HC + Ca(H CaC + H Mg(HC + Ca(H Mg(H + CaC + C Stalna tvrdoća se ukljanja hemijskim putem pomoću Na C (sode:
CaS + Na C CaC +Na S MgS + Na C + H Mg(H + Na S + C Najsavremenija metoda za omekšavanje vode je metoda jonske izmene pomoću sintetičkih katjonita(rh i RNa iz kojih se katjoni (H + i Na + zamenjuju jonima iz vode: RH + Ca(HC RCa+ H + C RNa + MgS RMg+ Na S Vode sa manje od mmol/dm ovih jona su meke,sa od -10 mmol/dm su srednje tvrde a sa više od 10 mmol/dm su tvrde vode. Fizičke osobine magnezijuma, kalcijuma i barijuma Srebrnastobele su boje,meki,laki (gustine su im1,7;1, i,6 g/cm,lako topljivi ( T t Mg =61 ;T tca = ;T tba =710 0 C.Magnezijum i barijum su mono (heksagonalna i prostorno centrirana kubna rešetka a kalcijum je polimorfan (površinski centrirana kubna rešetka i heksagonalna rešetka metal. Hemijske osobine magnezijuma, kalcijuma i barijuma Elektronska konfiguracija atoma ovih elemenata je: Mg 1s s p 6 s Ca 1s s p 6 s p 6 s Ba 1s s p 6 s p 6 d 10 s p 6 d 10 s p 6 6s pokazuje da oni imaju dva elektrona u poslednjem energetskom nivou tj dva valentna s- elektrona čijim otpuštanjem stiču konfiguraciju najbližeg plemenitog gasa i daju pozitivan jon M +.Imaju male vrednosti prvog i drugog potencijala jonizacije i koeficijenta elektronegativnosti (za Mg ove vrednosti iznose:7,6 i 1,0 ev i 1,1;za Ca 6,11 i 11,7 ev i 1,o;za Ba,1 I 10,0 ev I 0,9 sto znači da lako otpuštaju valentne elektrone i daju jone (stičući oksidacioni broj + odnosno da su u hemijskim rakcijama redukciona sredstva a po svojim hemijskim osobinama izraziti metali (zaostaju samo za elementima IA grupe.zato su ovi elementi hemijski veoma aktivni i reaguju sa mnogim prostim i složenim supstancama gradeći jedinjenja sa jonskom vezom. Sa vodonikom daju hidride :CaH i BaH (nastaju reakcijom metala i vodonika i MgH koji se dobija indirektnim reakcijama i polimerno je jedinjenje.sa halogenim elementima daju halogenide -MX.Pri sagorevanju daju okside,m,koji su baznih karakteristika i reguju sa vodom dajuci baze: M =M(H koje su slabije i manje rastvorljive u vodi od baza elemenata IA grupe Magnezijum hidroksid je baza srednje jačine, nerastvorna u vodi a kalcijum i barijum-hidroksid su jake i u vodi dobro rastvorne baze..na povišenoj t sa sumporom daju sulfide,ms,sa azotom nitride,m N,sa ugljenikom karbide,mc a sa fosforom fosfide,m P.U naponskom nizu metala nalaze na početku što znači da reaguju sa vodom (Ca iba sa hladnom a
Mg uz zagrevanje-porast redukcionih sposobnosti sa porastom atomskog broja : M+ H M(H Reaguju sa kiselinama čiji anijoni nemaju oksidaciona svojstva (HCl i razbl.h S :MCl MCl ;M+ H S MS Sulfat kalcijuma je malo rastvoran a barijuma nerastvoran u vodi za razliku od sulfata magnezijuma koji je dobro rastvoran i prisutan u vodama u prirodi.karbonati ovih elemenata su nerastvorni u vodi a nitrati,hloridi i acetati su u vodi dobro rastvorni.skloni su gradjenu kristalohidrata:mgs.7h,cas.h.soli magnezijuma su rastvorljivije u vodi od soli kalcijuma.magnezijum ima veću a kalcijum i barijum manju sposobnost da grade kompleksne jone sa koordinacionim brojem 6,npr./M(NH 6 / +. Soli kalcijuma (isparljive u plamenu boje plamen ciglasto-crvrnom bojom a soli stroncijuma karmin-crvenom bojom. Pitanja 1.Čemu je jednak maksimalan oksidacioni broj elemenata iz A grupa PSE?Koji elektroni su valentni elektroni kod s a koji kod p elemenata?kakva je popunjenost unutrašnjih energetskih nivoa atoma ovih elemenata?.zašto vodonika nema u atmosferi i zašto on ima veliku brzinu difuzije kroz različite materijale?.po čemu se razlikuju atomi protijuma,deuterijuma i tricijuma?.kakva su oksido redukciona svojstva vodonika.dgovor ilustrovati odgovarajućom jednačinom reakcije..zašto natrijum i kalijum imaju niže temperature topljenja od magnezijuma,kalcijuma i barijuma? 6.dgovarajućim jednačinama reakcija prikazati raspadanje silikata,ortoklasa i albita, u vodama u prirodi koje sadrže rastvoreni ugljen-dioksid. 7.Kakva je rastvorljivost soli natrijuma i kalijuma (silikata,hlorida,nitrata,sulfata,acetatau vodivelika ili mala?.koja jedinjenja sa kiseonikom grade natrijum i kalijum?dati njihove formule i nazive i navesti vrstu hemijske veze u njima. 9.Kakve su (jake,slabe baze natrujuma i kalijuma i kakva je njihova rastvorljivost u vodi? 10.Da li natrijum i kalijum reaguju sa vodom i sa kiselinama koje nemaju oksidaciono dejstvo?dati odgovarajuće jednačine reakcija. 11.Kakve su baze (slabe,jake,srednje jake magnezijuma,kalcijuma barijuma i kakva je njihova rastvorljivost (velika,mala u vodi.? 1.Na koji način Ca + i Mg + joni dospevaju u vode u prirodi?dati odgovarajuće jednačine reakcija u molekulskom i jonskom obliku. 1.Sta čini tvrdoću vode i koje vrste tvrdoće postoje?u kojim se jedinicama tvrdoća iskazuje? 1.Kakva je rastvorljivost u vodi (velika,mala karbonata,sulfata,hlorida i nitrata kalcijuma,barijuma i magnezijuma? 1.dgovarajućim jednačinama reakcija prikazati nastajanje kraških oblika reljefa (pećina,uvala. 16.dgovarajućim jednačinama reakcija prikazati nastajanje pećinskih ukrasa-stalaktita i stalagmita. 1.dgovarajućim jednačinama reakcija,u molekulskom i jonskom obliku, prikazati metode za omekšavanje vode.