Elementi 1. i 2. skupine Sljedeći faktori utječu na svojstva alkalijskih i zemnoalkalijskih elemenata : Alkalijski i zemnoalkalijski metali elektronska konfiguracija veličina atoma i iona energija ionizacije elektronegativnost. Svi alkalijski metali imaju jedan vanjski (valentni) elektron i elektronsku konfiguraciju [X] ns 1. Svi zemnoalkalijski metali imaju dva vanjska (valentna) elektrona i elektronsku konfiguraciju [X] ns 2. Pri sobnoj temperaturi svi su članovi ovih dviju skupina u čvrstom agregacijskom stanju. 1
Alkalijski metali (1. skupina) Zemnoalkalijski metali (2. skupina) 1 18 2 13 14 15 16 17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lantanoidi Aktinoidi Alkalijski metali Li (karmin crveno) Rb (crveno) Na (žuto) Cs (plavo) K (ljubičasto) Radioaktivan-Fr Soli alkalijskih metala emitiraju u vidljivom dijelu spektra spektralna analiza 2
Relativne atomske mase Talište / o C Vrelište / o C Polumjer Gustoća / g cm 3 atoma / pm Ionski polumjer / pm Li 6,94 180,5 1342 0,53 152 76 Na 22,99 97,8 882,9 0,97 186 102 K 39,1 63,3 759,9 0,856 227 138 Rb 85,47 38,9 686 1,53 248 152 Cs 132,91 28,4 669 1,873 265 167 Fizička svojstva alkalijskih metala (s izuzetkom Fr za kojeg nema gotovo nikakvih podataka) : - srebrno bijele su boje - izrazito su mekani - imaju nisku temperaturu tališta i vrelišta - imaju malu gustoću - imaju najveći polumjer atoma u odgovarajućoj periodi. Činjenica da alkalijski metali imaju nisku t t i t v te malu gustoću itvrdoću posljedica je činjenice da je metalna veza slaba jer u vezi sudjeluje samo jedan elektron. 3
Prva energija ionizacije E i,1 / kj mol 1 Relativni koeficijent elektronegativnosti χ Standardni elektrodni potencijal E Θ / V M + (aq) + e M(s) Li 520 1-3,05 Na 496 0,9-2,71 K 419 0,8-2,93 Rb 403 0,8-2,93 Cs 376 0,7-2,92 Zbog male E i i male vrijednosti koeficijenta elektronegativnosti alkalijski su metali ekstremno reaktivni i grade s nemetalima ionske spojeve (soli). U prirodi ne dolazeuelementarnom l stanju, nego samo u spojevima uvijek kao kationi naboja +1. Čuvaju se u petroleju ili ulju (da bi se onemogućio pristup vlazi). Litij ima najmanji standardni elektrodni potencijal i stoga je najjače redukcijsko sredstvo. Također, litij je najmanji od svih alkalijskih metala, ima najveću prvue i od svih alkalijskih metala te stoga teško otpušta elektron. 4
Rasprostranjenost alkalijskih metala Litij w = 0,006 % alumosilikati i fosfati, lepidolit (K 2 Li 3 Al 5 Si 6 O 20 F 4 ) Natrij w = 2,63 % morska voda [w(nacl)=2,7 %], kamena sol (NaCl), alumosilikati, čilska salitra (NaNO 3 ), kriolit (Na 3 AlF 6 )itd. Kalij w = 2,40 % biljke, silikati, morska voda, silvin (KCl), karnalit (KCl MgCl 2 6H 2 O), kainitu (KCl MgSO 4 3H 2 O) Rubidij (w = 0,03 %) i spojevi uz ostale soli cezij (w = 0,0007 %) alkalijskih metala, posebice kalija, silikati. Dobivanje alkalijskih metala Alkalijski metali dobivaju se na katodi elektrolizom talina njihovih soli (npr. klorida). H. Davy dobio je natrij elektrolizom taline natrijeva hidroksida (1807. god.). Dobivanje natrija elektrolizom taline NaCl: K( ): 2Na + +2e 2Na(l) A(+): 2Cl Cl 2 (g) + 2e. Downsova ćelija za elektrolizu 5
Reakcije alkalijskih metala Ovisno o metalu nastaju: M 2 O(s) M 2 O 2 (s) MO 2 (s) O 2 MX(s) M(s) X 2 S nemetalima tvore soli ionskog karaktera topljive u vodi. Reakcije s halogenim elementima. H 2 H 2 O N 2 MH(s) 2 M(s)+ 2H 2 O(l) 2 MOH(aq)+ H 2 (g) Ionski hidridi - redukcijska sredstva (npr. NaH). M 3 N(s) Ionski nitridi Svihidroksiditopljivisuuvodii nazivaju se lužine. 11 Reakcija natrija sa vodom 2Na(s) + 2H 2 O(l) 2NaOH(aq)+ H 2 (g) Na Indikator: fenolftalein 6
Oksidi alkalijskih metala 4Li(s) + O 2 (g) 2Li 2 O(s) oksid 2Na(s) + O 2 (g) Na 2 O 2 (s) peroksid 4Na(s) + O 2 (g) 2Na 2 O(s) K(s) + O 2 (g) KO 2 (s) Rb(s) + O 2 (g) RbO 2 (s) oksid (uz suvišak natrija) superoksid superoksid Neki važniji spojevi natrija i kalija NaOH, natrijev hidroksid Dobiva se elektrolizom vodene otopine natrijeva klorida (NaCl) pri čemu su katodni i anodni prostor odijeljeni: 2NaCl(aq) 2Na + (aq) + 2Cl (aq) K( ): 2H 2 O(l) + 2e H 2 (g) + 2OH (aq) A(+): 2Cl (aq) Cl 2 (g) + 2e. Uporaba: za proizvodnju sapuna, viskoze, celuloze, papira, kao baza u industriji, za mercerizaciju u tekstilnoj industriji. 7
NaCl, natrijev klorid Dobiva se: - iskapanjem u rudnicima soli. Ta sol se otapa u vodi do zasićenja nakon čega se crpi na površinu i uparava (Salzburg, Tuzla itd.) - isparavanjem morske vode u solanama (Pag - najveća solana u Republici Hrvatskoj). Uporaba: za proizvodnju spojeva natrija i klora, posipanje cesta tijekom zimskih mjeseci, u industriji kože, tekstila, papira, koristi se kao začin, za konzerviranje hrane, itd. NaHCO 3, natrijev hidrogenkarbonat i Na 2 CO 3, natrijev karbonat Dobivanje NaHCO 3 Solvayevim postupkom: NH 3 3(g) + NaCl(aq) + CO 2 (g) + H 2 2O( O(l) NaHCO 3 (aq) + NH 4 4C( Cl(aq) Hlađenjem iz otopine taloži se NaHCO 3. Dobivanje Na 2 CO 3 Δ 2NaHCO 3 (s) Na 2 CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(g). Uporaba: Na 2 CO 3 se koristi u industrija gnojiva, proizvodnji stakla, boja, za štavljenje kože itd.; NaHCO 3 se koristi u prehrambenoj industriji kao prašak za pecivo, u proizvodnji gaziranih pića itd. 8
NaN 3, natrijev azid Uporaba: u auto-industriji - proizvodnja zračnih jastuka. 2NaN 3 (s) 2Na(l) + 3N 2 (g). KOH, kalijev hidroksid Dobiva se elektrolizom vodene otopine kalijeva klorida (KCl) pri čemu su katodni i anodni prostor odijeljeni: 2KCl(aq) 2K + (aq) + 2Cl (aq) K ( ): 2H 2 O(l) +2e H 2 (g) + 2OH (aq) A(+):2Cl (aq) Cl 2 (g) + 2e. K 2 CO 3, kalijev karbonat Dobivanje: Δ 2KOH(aq) + 2CO 2 (g) 2KHCO 3 (s) K 2 CO 3 (s) + CO 2 (g)+ H 2 O(g) Uporaba: u kemijskoj industriji, za proizvodnju umjetnih gnojiva itd. 9
Zemnoalkalijski metali Be Sr Mg Ba Ca Radioaktivan- Ra Soli zemnoalkalijskih metala Ca, Sr, Ba emitiraju u vidljivom dijelu spektra spektralna analiza Relativne atomske mase Talište / o C Vrelište / o C Polumjer Gustoća / g cm 3 atoma / pm Ionski polumjer / pm Be 9,01 1278 2970 1,85 112 31 Mg 24,30 648,8 1090 1,74 160 72 Ca 40,08 839 1484 1,54 197 110 Sr 87,62 769 1384 2,60 215 118 Ba 137,3 725 1640 3,51 222 135 10
Stari su kemičari sve tvari stabilne pri zagrijavanju nazivali zemlje, a kako MgO i CaO daju s vodom alkalnu reakciju svi elementi ove skupine nazvani su zemnoalkalijski. lij ki U metalnoj vezi zemnoalkalijskih metala sudjeluju po dva elektrona pa zbog toga imaju viša tališta i vrelišta i veću gustoću itvrdoću od alkalijskih. Elementi 2. skupine imaju manji polumjer od elemenata 1. grupe kao rezultat povećanja naboja jezgre tih metala u odnosu na alkalijske. E i,1 / kj mol 1 E i,2 / kj mol 1 χ E Θ / V M 2+ +2e M Be 899 1757 1,5-1,7 Mg 738 1450 1,2-2,36 Ca 590 1145 1,0-2,87 Sr 549 1064 1,0-2,89 Ba 503 965 0,9-2,90 Svi metali ove skupine (osim Be) tvore ionske spojeve kao kationi s nabojem +2, jaka su redukcijska sredstva i imaju veću ionizacijsku energiju od alkalijskih metala. 11
Rasprostanjenost zemnoalkalijskih metala Berilij w = 0,0006 % najviše ga sadrži mineral beril (Be 3 Al 2 Si 6 O 18 ) Magnezij w = 1,93 % dolomit (MgCO 3 CaCO 3 ), magnezit (MgCO 3 ), karnalit (KCl MgCl 2 6H 2 O), brucit (Mg(OH) 2 ), morska voda [w(mgo)=1,5 %] te silikati i alumosilikati. Kalcij w = 3,3939 % sedimentne stijene CaCO 3, vapnenac (kao kalcit u biserima, koraljima, školjkama, mramoru); gips ili sadra (CaSO 4 2H 2 O); fluorit (CaF 2 ), apatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 X; X=F -,Cl -,OH - ), itd. Stroncij w = 0,02 % stroncijanit (SrCO 3 ), celestin (SrSO 4 ). Barij w = 0,04 % u mineralima - viterit (BaCO 3 ) i barit (BaSO 4 ). Zemnoalkalijski metali dobivaju se elektrolizom talina soli (halogenida). 12
Reakcije zemnoalkalijskih metala Ovisno o metalu nastaju: MO(s) MO 2 (s) O 2 (g) MX 2 M(s) X 2 (g) Osim berilijevih halogenida soli su ionskog karaktera i topljivi su u vodi. Reakcije s halogenim elementima. H 2 (g) N 2 (g) H 2 O(l) MH 2 (s) hidrid M 3 N 2 (s) nitrid M(s) + 2H 2 O M(OH) 2 + H 2 (g) Hidroksidi su slabo topljivi u vodi. Topljivost se povećava s povećanjem ionskog polumjera. 25 Neki važniji spojevi magnezija i kalcija MgO, magnezijev oksid MgO ima visoko talište (t t =2800 o C) pa se koristi za oblaganje unutrašnjosti peći (npr. u metalurgiji). Dobiva se zagrijavanjem magnezijeva hidroksida ili magnezijeva karbonata: MgCO 3 (s) MgO(s) + CO 2 (g). Uporaba magnezija i njegovih spojeva: Mg se koristi kao redukcijsko sredstvo, u fotografiji, za legure (Al, Mn, Mg, Zn), spojevi se koriste u građevinarstvu, kemijskoj industriji, medicini. 13
CaCO 3, kalcijev karbonat (vapnenac) Od vapnenca su načinjene planine u cijelom svijetu i glavna je komponenta od kojeg su načinjene ljuske školjaka i drugih morskih organizama, puževa, bisera itd., a nastaje taloženjem iz voda bogatih kalcijevim hidrogenkarbonatom (anorganskog porijekla). Vapnenac, CaCO 3 (s) se otapa u vodi u kojoj je otopljen CO 2 : CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Ca 2+ (aq)+ 2HCO 3 (aq). Reverzibilni proces je taloženje vapnenca u spiljama (gdje je slabo strujanja zraka i relativno niska temperatura polagano hlapi voda). Na taj način nastaju stalagmiti i stalaktiti. Voda koja sadrži dži Ca 2+ i HCO 3 ione u obliku kapljica polako prodire kroz pukotine na stropu. Istovremeno polako isparava voda zajedno s CO 2 i zaostaje CaCO 3. Stalagmiti Stalaktiti 14
CaO, kalcijev oksid i Ca(OH) 2, kalcijev hidroksid Zagrijavanjem na oko 1000 o C se CaCO 3 prevodi do CaO: Δ CaCO 3 3( (s) CaO(s) +CO 2 2(g) živo vapno CaO(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s) gašeno vapno Čvrsti Ca(OH) 2 injegova vodena suspenzija apsorbiraju aju CO 2 iz zraka pri čemu nastaje CaCO 3 : Ca(OH) 2 (s) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) + H 2 O(l). Gašenovapnosekoristiugrađevinarstvu za dobivanje žbuke (smjesa pijeska i gašenog vapna). CaSO 4 2 H 2 O, gips ili sadra Gips se koristi u građevinarstvu, kiparstvu, medicini. Kalcijev sulfat je topljiviji u vodi od karbonata. 15