Элементы IV группы (подгруппа углерода) – углерод, кремний

 

Кремний - наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах – транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.

Стекло. Большое применение имеет стекло. М. В. Ломоносов не ошибся, написав оду об исключительном значении этого материала. Стекло получают при сплавлении силикатов и других соединений.  Его получают при 1500°С сплавлением соды, известняка и кварцевого песка.

Особо чистый кремний применяют для изготовления полупроводниковых устройств (интегральные схемы ЭВМ, солнечные батареи и др.).

Во второй половине прошлого века появились уникальные по свойствам  материалы - ситаллы. Это частично закристаллизованные силикатные стекловидные фазы (кристаллы имеют микроско-пические размеры; термин «ситалл» представляет собой объединение слов «стекло» и «крис-талл»). Ситаллы обладают исключительно высокой механической прочностью и химической стой-костью.

 

 

 

Элементы главной подгруппы  II группы – магний (Mg), кальций (Ca), барий (Ba).

 

1. Нахождение элемента в природе.

 Магний и кальций широко распространены в природе, барий мало распространен. В свободном состоянии элементы подгруппы II A не встречаются (в очень небольших количествах найден  самородный магний). Магний и кальций входят в состав природных силикатов, алюмосиликатов и карбонатов: 2МgОSiО2 (оливин); МgОAI2О3 (шпинель); МgС126Н2O   (бишофит);   MgCO3 (магнезит);  СаСОз (известняк,  мрамор,  мел). СаСО3МgСОз (доломит), CaF2 (флюорит).

 

2. Краткие методы получения.

   Так же, как щелочные металлы,  кальций и магний получают из расплавов их солей путем электролиза:

МеCl₂ = Me²⁺ + 2Cl^-

^{катод (-)          Me2+ + 2e → Me0}                   _{}  MeCl2 = Me + Cl2↑}

^{анод (+)           2Cl- - 2e → Cl2}

 ^{Таким же образом получают и другие металлы главной подгруппы II группы.}

 

3. Краткие физические свойства.

   Все эти элементы, кроме бериллия, обладают  ярко выраженными металлическими свойствами. в свободном состоянии они представляют собой серебристо-белые вещества. Более твердые, чем щелочные металлы, с довольно высокой температурой плавления. По плотности все они, кроме радия, относятся к легким металлам.

 

4.Электронная структура.

    Данную подгруппу образуют бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, являющиеся семейством s2-элементов. Атомы этих элементов (кроме бериллия) обладают ярко выраженными металлическими свойствами, поскольку содержат на внешнем слое два электрона, которые сравнительно легко отрываются, превращая атомы в положительные двухзарядные ионы:

Ме0 – 2е → Ме2+.

   Это обуславливает постоянную валентность элементов, равную II. Степень окисления во всех соединениях также постоянна и равна +2.

Кальций 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Магний   1s2 2s2 2p6 3s2

Барий     1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2

 

5.Химические свойства

 

      Взаимодействие с простыми веществами

   Они легко взаимодействует  с кислородом, углекислым газом  и влагой воздуха. Однако магний  образует  защитный слой оксидной  пленки и поэтому коррозирует  сравнительно медленно

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом, водородом, фосфором)

 На воздухе быстро окисляется  барий

 Ва+О2= 2ВаО

2Са + О2 → 2СаО

Са + Br2 → CaBr2.

2Mg + О2 = 2MgO -  реагирует при нагревании

3Mg + N2 = Mg3N2

3Ca + N2 → Ca3N2, Са + 2С → СаС2,

3Са + 2Р → Са3Р

Ва +Н2= ВаН2

Mg+H2=MgH2

Са + 2С → СаС2,

 

 Восстанавливают воду до гидроксидов

Ca + 2Н2О → Ca(ОН)2 + Н2↑ + Q.

Mg (раск.) + Н2О = MgO + H2↑;

 

   С кислотами

 Вытесняют водород из раствора  кислот

Mg в плавиковой кислоте не  растворяется вследствие образования  защитной пленки из нерастворимого фторида MgF2

Вытесняю большинство металлов из растворов их солей

ZnSO4+Mg= MgSO4+Zn

Соединения Ме

Гидриды:

1. Взаимодействие с водой:

 

 

2. Взаимодействие с кислотой:

 

 

3. Взаимодействие с кислородом:

 

 

   Гидрид магния легко окисляется кислородом воздуха и водой. Эти реакции сопровождаются большим выделением энергии.

 

Оксиды  MgO, CaO, BaO

Оксиды и гидроксиды щелочноземельных металлов имеют тенденцию к усилению основных свойств с ростом порядкового  номера: Be(OH)2 — амфотерный, нерастворимый в воде гидроксид, но растворим в кислотах (а также проявляет кислотные свойства в присутствии сильных щелочей), Mg(OH)2 — слабое основание, нерастворимое в воде, Ca(OH)2 — сильное, но малорастворимое в воде основание, Sr(OH)2 — лучше растворимо в воде, чем гидроксид кальция, сильное основание (щёлочь) при высоких температурах, близких к точке кипения воды (100 °C), Ba(OH)2 — сильное основание (щёлочь), по силе не уступающее KOH или NaOH, и Ra(OH)2 — одна из сильнейших щелочей, очень коррозионное вещество.

   1.Относятся к основным  оксидам. Растворяется в воде  с получением гидроксидов

CaO + H2O ↔ Ca(OH)2 + 63.7кДж/моль

 

MgO + H2O → Mg(OH)2.

   2. Взаимодействие с кислотными  оксидами с образованием соли:

CaO + SO2 = CaSO3

 

3.Взаимодействие с кислотами с образованием соли и воды

MgO + 2HCl(разб.) → MgCl2 + H2O;

CaO + 2HCl = CaCl2 +H2O

Барий Взаимодействие с кислородом при температуре около 600 °C с образованием пероксида:

 

 

Гидроксиды

Обладают свойствами щелочей

 

Разложение при нагревании

 

 

Взаимодействие с кислотами  с образованием соли и воды (реакция  нейтрализации):

 

Взаимодействие с кислотными оксидами с образованием соли и воды:

 

 

Взаимодействие с горячими концентрированными растворами щелочей с образованием гидроксомагнезатов:

 

6.Биологическая роль элемента.

   Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит. Все растворимые соли бария сильно ядовиты.

  

Биологическая роль кальция:

 • Является «строительным материалом» для образования костей и зубов.

 • Важен для регуляции процессов роста и деятельности клеток всех видов тканей.

 • Влияет на обмен веществ.

 • Важен для нормальной  деятельности мышечной и нервной  систем.

 • Обеспечивает нормальную свертываемость крови.

 • Оказывает противовоспалительное действие.

 • Обеспечивает устойчивость организма к внешним неблагоприятным факторам: резкой смене погоды и инфекциям.

   Дефицит кальция вызывает  более 150 заболеваний. Ведь кальций  содержится в каждой клетке  нашего организма, он играет основную роль в таких важных процессах как свертывание крови, пе-редача нервных импульсов, обеспечение стабильной работы сердца, сосудов, нормального уров-ня артериального давления. Часто испытывают дефицит кальция дети и подростки. Особенно ос-тро эта проблема встаёт в период интенсивного роста. Оттого, какое количество кальция получает организм в это время, зависит здоровье и прочность костей в течение всей жизни, а также нор-мальное развитие и работа многих органов и систем.

 

   Биологическая роль магния:

* Зеленые листья растений содержат хлорофиллы, которые представляют собой магнийсодержащие порфириновые комплексы, участвующие в фотосинтезе.

* Магний также тесно вовлечен в биохимические процессы в организмах животных. Ионы магния необходимы для инициирования ферментов, отвечающих за превращения фосфатов, для переноса нервного импульса и для метаболизма углеводов. Они также участвуют в сокращении мышц, которое инициируется ионами кальция.

* В организме взрослого человека массой 65 кг содержится около 20 г магния (в основном, в виде ионов). Большая его часть сосредоточена в костях. Во внутриклеточной жидкости присутствуют комплексы магния с АТФ и AДФ.

* Суточная потребность в этом элементе составляет 0,35 г. При однообразном питании, нехватке зеленых овощей и фруктов, а также при алкоголизме нередко возникает дефицит магния. Особенно богаты магнием абрикосы, персики и цветная капуста. Есть он и в обычной капусте, картофеле, помидорах.

 

7. Краткие сведения о применении.

• Барий легко реагирует со всеми газообразными веществами, кроме благородных газов, его используют в качестве геттера - поглотителя газов в вакуумных приборах.
• Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы).
• Карбонат бария BaCO3 добавляют в стекольную массу, чтобы повысить коэффициент преломления стекла
• При бурении глубинных нефтяных и газовых скважин используется в качестве буровой жидкости взвесь сернокислого бария в воде.
• Барий нашёл применение и в медицине. Его сернокислую соль применяют при диагностике желудочных заболеваний. BaSO4 смешивают с водой и дают проглотить пациенту. Сульфат бария непрозрачен для рентгеновских лучей, и поэтому те участки пищеварительного тракта, по которым идет «бариевая каша», остаются на экране темными. Так врач получает представление о форме желудка и кишок, определяет место, где может возникнуть язва.

 

• Большое применение находят природные силикаты магния: тальк 3MgO•4SiO2•H2O и асбест СaO•3MgO•4SiO2. Тальк применяют в керамической промышленности (изол-яторы, глазури, эмали). В производстве светостойких и огнестойких красок. Асбест хороший теплоизоляционный материал.
• Основная часть добываемого магния используется для получения различных легких магниевых сплавов. В состав этих сплавов, кроме магния, входят, как правило, алюми-ний, цинк, цирконий. Такие сплавы достаточно прочны и находят применение в самоле-тостроении, приборостроении и для других целей.
• Высокая химическая активность металлического магния позволяет использовать его при магниетермическом получении таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, уран и др. При этом магний реагирует с оксидом или фторидом получаемого металла

  

• Главное применение металлического кальция — это использование его как восстанови-теля при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид испольуются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран.
• Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.
• Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства (хло-рид кальция, глюконат кальция, глицерофосфат кальция). Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные комплексы для беременных и пожилых людей.

 

 

Металлы главной подгруппы I группы – литий (Li), натрий (Na), калий (K).

 

 

1. Нахождение элемента в природе.

   Соединения натрия и калия очень распространены, a литий является  редким элементом.

   В свободном состоянии щелочные металлы не встречаются, а встречаются в виде соединений: Na2OAi2O36SiO2 - натриевый полевой шпат, K2OAi2O36SiO2-калиевый полевой шпат, NaCI - галит или каменная соль, КС1-сильвин, КС1MgCl26H2O -карналлит. Толщина пластов каменной соли бы-вает более километра. В золе наземных растений содержится K2CO3,  в золе водорослей Na2СО3. Литий находится в виде алюмосиликатов и алюмофосфатов, из которых получают другие его соединения.

 

2. Краткие методы получения.

 

Металлический литий получают электролизом расплавов LiCI и КС1.

Литий также получают восстановлением  его оксидов:

             Si + 2Li2O   4Li + SiO2.

     Натрий получают электролизом  расплавов, содержащих хлорид  натрия, а также электролизом  расплава NаОН:

               Ni     |    NaOH     |    Fe

    Анод:            Катод:

   4OH-- 4e O2+2H2O           Na++le Na

     Из-за  высокой реакционной способности калия разработано несколько методов его получения:

     1)  восстановление  калия из расплавленного КОН или КСl натрием;

     2) электролиз расплава  смеси КСl и К2СО3 (катод - жидкий свинец) с последующей отгонкой из сплава со свинцом. Удобным методом получения рубидия и цезия является термическое восстановление из хлоридов с помощью кальция в вакууме:                                

2CsCℓ+ Ca  →CaCℓ2 + 2Cs ,

2RbCℓ + Ca → CaCℓ2 + 2Rb .

   Металлические Li, Na, К хранят в герметичной железной таре. Небольшие количества Li, Na, К в лабораториях хранят в керосине, из-за их высокой химической активности.

 

3. Краткие физические свойства.

   В твердом состоянии в  отсутствии влаги и воздуха  Li, Na, К, - имеют металлический блеск  и серебристо - белую окраску.  На воздухе металлический блеск  быстро исчезает, поверхность металла  покрывается оксидной пленкой. Щелочные металлы обладают высокой сжимаемостью, высокой электро- и тепло - проводимостью. Это легкие металлы, литий самый легкий из твердых веществ. Работа со щелочными металлами требует большой осторожности, т.к. они легко загора-ются, бурно реагируют с водой и другими веществами. После работы остатки щелочных металлов уничтожают, бросая их маленькими порциями в этанол, при этом образуетса алкоголят натрия

           2Na + 2C2H5OН → 2C2H5ONa + H2↑ .

 

 

4. Электронная структура.

 

S - элементы первой группы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) - щелочные металлы  - самые активные металлы с низкой энергией ионизации, обладающие высокой восстановитель-ной способностью. Атомы этих металлов, имея на внешнем слое единственный электрон, легко те-ряют его и превращаются в положительно заряженные ионы Ме+. Во всех соединениях эти эле-менты проявляют валентность I и степень окисления +1.