Виды общения

 

Пример 2.

Чем обусловлена высокая химическая активность щелочных металлов? Составьте электронные схемы строения атомов натрия и цезия. У какого из этих элементов ярче выражены металлические свойства и почему?

Решение.

Имея во внешнем энергетическом слое только по одному электрону, находящемуся на сравнительно большом удалении от ядра (за исключением лития), атомы щелочных металлов довольно легко отдают этот электрон, т. е. характеризуются низкой энергией ионизации, что и является причиной их высокой активности. Энергия ионизации уменьшается при переходе от лития к цезию за счет увеличения числа электронных слоев в структуре атома и уменьшения притяжения внешнего валентного электрона к ядру. Химическая активность при этом возрастает.

Составим электронные формулы  атомов натрия и цезия:

 

Na (Z = 11) – 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹,

Cs (Z = 55) – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰5p⁶ 6s¹.

 

Способность атома элемента отдавать электроны характеризует его  металлические свойства, восстановительную активность, и чем легче атомы теряют электроны, тем ярче выражены эти свойства. Следовательно, цезий – элемент с самыми сильными металлическими свойствами не только среди щелочных металлов, но и среди элементов периодической системы.

 

Пример 3.

Рассмотрите восстановительную способность  щелочных металлов на примере взаимодействия лития с кислородом, водородом, хлором, серой, азотом, углеродом и водой.

Решение.

Литий и его аналоги являются сильными восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях и проявляют постоянную степень окисления, равную (+ 1).

При сгорании лития в избытке  кислорода образуется оксид лития, остальные щелочные металлы образуют пероксиды Me₂O₂:

 

4Li + O₂ = 2Li₂O.

 

При нагревании в атмосфере водорода литий и его аналоги образуют гидриды, имеющие характер типичных солей, в которых отрицательным ионом является ион водорода:

 

2Li + H₂ = 2LiH.

 

При взаимодействии с хлором образуются хлориды металлов:

 

2Li + Cl₂ = 2LiCl.

 

Щелочные металлы при повышенной температуре энергично реагируют  с серой, образуя сульфид и  дисульфид (Li₂S₂):

 

2Li + S = Li₂S.

 

С азотом непосредственно взаимодействует  только литий, образуя нитрид Li₃N, реакция идет при повышенной температуре:

 

6Li + N₂ = 2Li₃N.

 

Литий также единственный щелочной металл, который непосредственно  взаимодействует с углеродом, образуя  карбид лития. Эта реакция идет при нагревании:

 

2Li + 2C = Li₂C₂.

 

Литий разлагает воду без плавления  по реакции

 

2Li + 2H₂O = LiOH + H₂.

 

Пример 4.

Почему пероксид водорода может  проявлять как окислительные, так  и восстановительные свойства? На основании электронных уравнений напишите реакции взаимодействия пероксида водорода с диоксидом свинца в азотнокислой среде, с сульфидом свинца в нейтральной среде.

Решение.

Окислительно-восстановительная двойственность характерна для веществ, содержащих атомы элементов в промежуточной степени окисления. Так, степень окисления кислорода в пероксиде водорода равна (– 1), т. е. имеет промежуточное значение между (– 2) в молекуле воды и (0) в молекулярном кислороде. Поэтому пероксид водорода обладает окислительно-восстановительной двойственностью. Более характерными для него являются окислительные свойства, так как стандартный потенциал электрохимической системы

 

H₂O₂ + 2H⁺ + 2

= 2H₂O,

 

в которой H₂O₂ выступает как окислитель, равный 1,776 В, больше, чем стандартный потенциал (0,682 В) электрохимической системы

 

O₂ + 2H⁺ + 2

= H₂O₂,

 

где пероксид водорода является восстановителем.

Учитывая окислительно-восстановительную  двойственность пероксида водорода составим уравнения реакции, необходимые по условию задачи:

 

H₂O₂^–1 + Pb⁺⁴O₂ + 2HNO₃ = Pb⁺²(NO₃)₂ + O₂⁰ + 2H₂O,

O₂^2– - 2 = O₂⁰   – окисление,

Pb⁺⁴ + 2 = Pb⁺² – восстановление,

 

PbS^–2 + 4H₂O₂^–1 = PbS⁺⁶O₄ + 4H₂O^–2,

S^–2 - 8 = S⁺⁶      – окисление,

O₂^2– + 2 = 2O^–2 – восстановление.

 

Пример 5.

Допишите уравнения реакций:

 

1. Na₂O₂ + KI + H₂SO₄ ®

2. Na₂O₂ + Fe(OH)₂ + H₂O ®

3. Na₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ ®

4. Na₂O₂ + H₂O ®

5. Na₂O₂ + H₂SO₄ ®

 

Окислителем или восстановителем является пероксид натрия в этих реакциях?

Решение.

Пероксид натрия очень сильный  окислитель. При взаимодействии с  восстановителями KI и Fe(OH)₂ (реакции 1 и 2) он проявляет окислительные свойства:

 

Na₂O₂ + 2KJ^– + 2H₂SO₄ = J₂⁰ + Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 2H₂O^–,

1| 2J^– – 2   = J₂⁰,

1| O₂^–2 + 2 = 2O^–2,

 

Na₂O₂ + 2Fe(OH)₂ + 2H₂O =  2Fe(OH)₃ + 2NaOH,

1 | O₂^–2 + 2   = 2O^–2,

2 | Fe⁺² – 1 = Fe⁺³,

 

Восстановительные свойства менее  характерны для Na₂O₂, но при взаимодействии с сильными окислителями KMnO₄ (реакция 3) он проявляет восстановительные свойства:

 

5Na₂O₂ + 2KMn⁺⁷O₄ + 8H₂SO₄ =

= 5O₂⁰ + 2Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + 5Na₂SO₄ + 8H₂O.

 

2 | Mn⁺⁷ + 5 = Mn⁺²,

5 | O₂^–2 – 2 = 2O^–2.

 

При осторожном растворении пероксида  натрия в холодной воде (реакция 4) получается раствор, содержащий гидроксид натрия и пероксид водорода. Взаимодействие пероксида натрия с водой – это реакция гидролиза соли, образованной слабой кислотой H₂O₂ и сильным основанием NaOH:

 

O₂^–2 + 2H₂O « H₂O₂ + 2OH^–,

Na₂O₂ + 2H₂O « H₂O₂ + 2NaOH.

 

При взаимодействии с разбавленными  кислотами (реакция 5) также получается пероксид водорода:

 

Na₂O₂ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O₂.

 

Пример 6.

Вычислите объем кислорода (при нормальных условиях), выделивше-гося при получении 4,6 кг металлического натрия электролизом расплава едкого натрия.

Решение.

Схема электролиза расплава едкого натрия:

 

NaOH D Na⁺ + OH^–,

катод (–) – Na⁺ + = Na⁰;

анод (+) – 4OH^– – 4 = O₂ + 2H₂O.

 

Согласно второму закону Фарадея, одинаковые количества электричества  выделяют на электродах эквивалентные  массы веществ. Определим, сколько  эквивалентов содержится в 4,6 кг металлического натрия. Молярная масса эквивалента натрия равна 23 г/моль, следовательно, в 4,6 кг (4600 г) натрия содержится: 4600 / 23 = 200 экв.

На аноде также выделится 200 экв. кислорода. Рассчитаем, сколько это  составит литров. Объем 1 экв. кислорода равен 5,6 л, а 200 экв. кислорода: 200 ´ 5,6 = 1120 л.

Итак, при электролизе расплава гидроксида натрия на аноде выделится при нормальных условиях 1120 л кислорода.

 

Пример 7.

Какие из газов (H₂S, H₂, Cl₂, CO₂, SO₂) будут поглощаться при пропускании их через раствор гидроксида натрия? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Решение.

При пропускании хлора через  раствор гидроксида натрия идет реакция  диспропорционирования с образованием хлорида и гипохлорита натрия:

 

2NaOH + Cl₂ = NaCl + NaClO + H₂O.

 

Гидроксид натрия поглощает углекислый газ и оксид серы с образованием кислых солей NaHCO₃ и NaHSO₃ соответственно:

 

NaOH + CO₂ = NaHCO₃,

 

NaOH + SO₂ = NaHSO₃.

 

 

Пример 8.

Основываясь на строении электронной  оболочки атома бериллия, объясните амфотерные свойства гидроксида бериллия. Напишите ионно-молекулярные уравнения взаимодействия гидроксида бериллия со щелочью и кислотой.

Решение.

Электронная формула атома бериллия 1s² 2s¹.

Второй снаружи электронный  слой содержит два электрона, а не восемь, как у остальных s-элементов (за исключением лития). Это приводит к значительному снижению атомного радиуса, увеличению энергии ионизации, снижению его химической активности. Бериллий среди s-элементов обладает наиболее слабыми металлическими свойствами. Связь в соединениях бериллия имеет очень сильный ковалентный характер. Отличие строения атома бериллия от строения атомов щелочноземельных элементов сказывается и на свойствах соединений. Так, гидроксид бериллия Be(OH)₂  – единственный в подгруппе гидроксид, обладающий амфотерными свойствами.

Напишем реакции взаимодействия гидроксида бериллия с кислотой и со щелочью:

 

Be(OH)₂ + 2HCl = BeCl₂ + H₂O,

Be(OH)₂ + 2H⁺ + 2Cl^– = Be²⁺ + 2Cl^– + H₂O,

Be(OH)₂ + 2H⁺ = Be²⁺ + H₂O,

 

Be(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Be(OH)₄],

Be(OH)₂ + 2Na⁺ + 2OH^– = 2Na⁺ + [Be(OH)₄]^2–,

Be(OH)₂ + 2OH^– = [Be(OH)₄]^2–.

 

Пример 9.

Напишите реакции получения  нитрида и гидроксида бария и  разложения их водой. К окислительно-восстановительным  реакциям составьте электронные  уравнения.

Решение.

Уже при комнатной температуре  щелочноземельные металлы медленно взаимодействуют с азотом, образуя нитриды. Для получения нитридов металлы нагревают до 900 °С в атмосфере азота. Процесс протекает по уравнению

 

3Ba⁰ + N₂⁰ = Ba₃⁺²N₂^-3.

 

3 | Ba⁰ – 2 = Ba⁺²,

1 | N₂⁰ + 6 = 2N^–3.

 

Разложение нитрида бария водой протекает по реакции

 

Ba₃N₂ + 6H₂O = 3Ba(OH)₂ + 2NH₃.

 

Щелочноземельные металлы соединяются  с водородом, образуя гидриды, аналогичные  гидридам щелочных металлов:

 

Ba⁰ + H₂⁰ = Ba⁺²H₂^-1.

H₂⁰ + 2 = 2H^–1,

Ba⁰ – 2 = Ba⁺².

 

Гидрид бария бурно реагирует  с водой, выделяя водород:

 

BaH₂^-1 + 2H₂O = Ba(OH)₂ + 2H₂⁰.

2H^–1 – 2 = H₂⁰,

2H⁺¹ + 2 = H₂⁰.

 

Пример 10.

Как взаимодействуют с водой  элементы главной подгруппы второй группы? Почему бериллий нерастворим в воде, магний плохо растворим, а кальций, стронций и барий хорошо растворимы?

Решение.

Необходимым условием реакции металла  с водой является удаление с его  поверхности оксидной пленки с образованием растворимого гидроксида.

Теоретически бериллий должен раствориться в воде (значение электродного потенциала данной реакции – 1,85 В), но защитная пленка оксида бериллия препятствует взаимодействию бериллия с водой, так как BeO не взаимодействует с водой ни при каких условиях.

Защитные свойства оксидной пленки магния и других щелочноземельных металлов значительно слабее. С холодной водой магний взаимодействует очень медленно. Так как образующийся гидроксид магния плохо растворим в воде, при нагревании реакция ускоряется за счет увеличения растворимости гидроксида. Реакция идет в две стадии с образованием вначале оксида, который затем при гидратации дает гидроксид магния:

 

Mg + H₂O = MgO + H₂,

MgO + H₂O = Mg(OH)₂.

 

Щелочноземельные металлы взаимодействуют  с водой, вытесняя из нее водород и образуя растворимые гидроксиды:

 

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂.

Пример 11.

Как получают негашеную и гашеную  известь, известковую воду и известковый раствор? Что происходит на воздухе с известковой водой?

Решение.

В технике оксид кальция называют негашеной известью и получают ее при обжиге карбоната кальция в шахтной печи по реакции

 

CaCO₃

CaO + CO₂.

 

Гашеная известь Ca(OH)₂ образуется при взаимодействии оксида кальция с водой (процесс гашения):

 

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

 

Насыщенный раствор гидроксида кальция называется известковой водой и имеет щелочную реакцию. На воздухе известковая вода быстро становится мутной вследствие поглощения ею углекислого газа и образования нерастворимого карбоната кальция:

 

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃¯ + H₂O.

 

Гашеную известь широко используют в строительном деле. Смесь ее      с песком и водой называется известковым раствором и служит для скрепления кирпичей при кладке стен.

Задания

 

321. Какую степень окисления может  проявлять водород в своих  соединениях? Приведите примеры реакций, в которых газообразный водород играет роль окислителя и в которых – роль восстановителя.

322. Напишите уравнения реакций  натрия с водородом, кислородом, азотом и серой. Какую степень  окисления приобретают атомы  окислителя в каждой из этих реакций?