Referat Metale 4

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Metale 4 si de asemenea puteti face Download Referat metale 4

Citeste fragmente din Referat Metale 4

METALE ALCALINO – TEROASE Generalităţi Din această grupă, a II-a principală din sistemul periodic, fac parte elementele beriliu, calciu, stronţiu, bariu şi radiu. ELEMENT SIMBOL Nr. ATOMIC Z ÎNVELIŞUL DE ELECTRONI P. t. OC P. f. OC STARE DE OIDARE Beriliui Be 4 [He] 2s2 1285 2970 +2 Magneziu Mg 12 [Ne] 3s2 650 1100 +2 Calciu Ca 20 [Ar] 4s2 845 1439 +2 Stroniu Sr 38 [Kr] 5s2 757 1366 +2 Bariu Ba 56 [Xe] 6s2 710 1696 +2 Radiu Ra 88 [Rn] 7s2 ns2 cca. 700 --- +2 posedă în orbeitalul „s” al stratului de velenţă doi electroni, pe care îi pierd uşor dând ioni M2+, cu înveliş electronic de gaze rare. În consecinţă elementele din grupa a II-a sunt electropozitive. Cu excepţia beriliului, toate celelalte au stratul penultim format din opt electroni (n – 1)s2p6, o configuraţie stabilă, care determină o valenţă identică, egală cu 2+, pentru toate aceste elemente. La beriliu stratul penultim are doi electroni ca la heliu, de asemenea o configuraţie stabilă. Aceste elemente au un caracter metalic puţin mai atenuat decât la metalele alcaline. Atomii acestor elemente cedează relativ uşor cei doi electroni de pe ultimul strat, ionizându-se, dar beriliu se ionizează mai greu, neexistând o enrgie de ionizare mai mare. Pentru ca să se îndepărteze cel de al treilea electron, energia necesară este şi mai mare. De exemplu, pentru procesul Mg2+→Mg3++ e- sunt necesari 79,87 eV, deci o energie de cinci ori mai mare decât pentru eliminarea celui de al doilea elctron. Structura electronică a metalelor alcalino – teroase K L M N O P Q 4Ba 1s2 2s2 [He]2s2 12Mg 1s2 2s2p6 3s2 [Ne]3s2 20Ca 1s2 2s2p6 3s2p6 4s2 [Ar]4s2 38Sr 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6 5s2 [Kr]5s2 56Ba 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10 5s2p6 6s2 [Xe]6s2 88Ra 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10 6s2p6 7s2 [Rn]7s2 ns2 Eliminarea unui număr mai mare de doi electroni nu se poate realiza decât prin metode fizice, care utilizează energii mult mai mari decât cele ce apar, în mod normal, în reacţiile chimice. Necesitatea unei energii de ionizaremare (proces endotermic) pare să fie în contradicţie cu reactivitatea chimică mare a acestor elemente. În realitate transferul de electoni este totdeauna însoţit de un alt proces puternic exoterm, care face ca balanţa energetică să încline în favoarea unei ionizări, deoarece desprinderea electronilor nu se produce de pe atomi izolaţi şi nici ionii, o dată formaţi nu rămân izolaţi. În aceste procese de transfer de electroni intervin atracţiile electrostatice pentru fornarea unei reţele cristaline, degajându – se energia de reţea (proces exoterm), apoi afinitatea pentru electron (proces exoterm), căldura de vaporizare (proces endoterm) etc. La aceste elemente electronii stratului de valenţă se află la distanţe mult mai mari de nucleul atomic decît electronii staturilor interioare, care sunt complecte, ceea ce se poate vedea din diferenţele dintre razele atomice şi cele ionice. Razele ionilor din grupa a II – a principală sunt mai mici decât a celor din grupa I – a, deşi ionii respectivi sunt izoelectronici: Li Raza atomică 1,55 Ǻ Be 1,12 Na 1,90 Mg 1,60 Li+ Raza ionică 0,60 Ǻ Be2+ 0,31 Na+ 0,95 Mg2+ 0,62 Acest fapt se datoreşte sarcinii pozitive mai mari decât a nucleului elmentelor din grupa a II-a, care determină o atracţie mai puternică a electronilor. Constantele fizice ale metalelor alcalino - teroase Be Mg Ca Sr Ba Ra Masa atomică Eleactronegativitate Energie de ionizare eV (1) (2) Potenţial pentru V E0M/M2+ Raza ionică, M2+Ǻ Raza ionică Ǻ Volumul atomic Greutatea specifică(g/cm3) P.t. oC P.f. oC Structura cristalină Răspândirea în % 9,012 1,5 9,32 18,21 -1,70 0,31 1,12 4,85 1,86 1280 2770 h. 5·10-4 24,312 1,2 7,64 15,03 -2,34 0,65 1,60 14,00 1,75 651 1107 h. 1,93 40,08 1,0 6,11 11,87 -2,87 0,99 1,97 26,1 1,55 851 1437 c.f.c. 3,39 78,62 1,0 5,69 10,98 -2,89 1,13 2,16 34,0 2,6 800 1366 c.f.c. 0,02 137,34 0,9 5,21 9,65 -2,90 1,35 2,22 385,3 3,6 850 1637 c.c. 0,04 226,09 0,9 5,27 10,1 -- 1,40 -- 45,2 5,0 960 1140 Coloraţia finală --- alb – strălucitor galben portocaliu roşie galben –verde --- Raza excepţional de mică a ionului Be2+ explică tendinţa beriliului de a forma legături covalente şi coordinative. Teoretic aceste elemente pot forma două legături covalente normale, legături sigma, apoi pot să accepte doi donori atingând numărul de coordinaţie 4. Atomii acestor elemente nu posedă electroni celibatari. Ca să poată atinge coordinaţia 4, trebuie să aibă loc o activitate a atomilor, prin trecerea 1e— din nivelul „ns” în nivelul „np” formându-se doi electroni celibatri (ns1, np1). Moleculele astfel formate sunt liniare. Primul element al grupei se deosebeşte de cele următoare prin proprietăţile lor chimice, fapt observat la toate grupele principale ale sistemului periodic, dar mai evident la grupele I şi a II-a. De asemenea, facând abstract fie de valenţă, primul element din grupă se aseamănă cu elementul al doilea din grupa următoare din sistem. De exemplu, bazicitatea redusă şi caracterul atmosfer al Be(OH)2 îl apropie de Al(OH)3, ceea ce nu se mai constată la celelalte elemnte din grupă. Se vede că raza atomică a Be(1,12 Ǻ) este mai apropiată de cea a Al(1,26 Ǻ) şi aceasta explică în mare măsură comportarea lor chimică. Starea naturală Aceste elemente apar în scoarţa pământului mai ales sub formă de silicaţi, din care, prin descompunere sub acţiunea agenţilor atmosferici, au rezultat secundar zăcămintele sedimentare actuale de carbonaţi, sulfaţi etc. Ionii metalelor alcalino – teroase nu se mai acumulează în apa mărilor, din cauză că se depun ca săruri insolubile (carbonaţi, sulfaţi, fosfaţi etc.). Beriliu, Be, numit şi Gliciniu, Gl (în Franţa), este un element rar şi se întâlneşte în U.S.A., U.R.S.S. (Urali), Brazilia, Madagascar, sub formă de beril Be3Al2(Si6O18) care cristalizază în hexagonale. Varietăţile colorate de beril sunt pietrele preţioase smaragd (verde) şi acvamarin (albastru). Chrysoberilul este un aluminat Be(AlO2)2, cristalizează în sistemul rombic şi deci nu este izomorf cu spinelii, cu toată asemănarea formelor brute. O varietate a sa, alexandritul este o piatră preţioasă. Celelalte elemente din grupa a II-a se găsesc în natură ca ioni M2+. Magneziu şi aclciul se numără printre elementele cele mai răspândite din stratul exterior al pământului. Este posibil ca totalitatea ionilor de Mg2+, Ca2+, (la fel şi cei de Sr2+ şi Ba2+) a existat la solidificarea scoarţei pământului sub formă de silicaţi şi că actualele zăcăminte sedimentare, carbonaţi, sulfaţi etc., au luat naştere secundar, prin descompunerea silicaţilor sub acţiunea agenţilor atmosferici. Magneziul se găseşte sub formă de carbonat, silicat, clorură şi sulfaţi mixti, însoţind sărurile de potasiu in straturile superioare ale anumitor saline. Dolomita este un carbonat dublu, CaCO3 · MgCO3, care se găseşte în cantităţi mari în România la Ghealar – Hunedoara, Buru – Cluj etc. Magneziul apare în natură ca magnezită, MgCo3, şi mai frecvent sub forma carbonatului dublu. Dintre silicaţi menţionăm: azbestul, care are structură fibroasă, nu arde şi se intrebuinţează ca izolator contra focului, fabricându – se din el diferite ţesături, costume, cartoane etc. Serpentina (4SiO2·6MgO· 4H2O) folosindu–se ca mijloc de apretare, ca umplutură minerală pentru săpun, în cosmetică şi medicină; spuma de mare, piatră uşoară pentru confecţionarea becurilor de ars acetilena etc. În depozitele saline se gasesc săruri duble solubile, cum sunt: carnalita (MgCl · KCl · 6H2O), kainita, MgSO4 · KCl · 3H2O, astacanita, MgSO4 · Na2SO4 · 4H2O etc. Se găsesc ioni de magneziu în unele izvoare amare şi în apa de mare. După depunerea clorurii de sodiu, la evaporarea apei de mare, cristalizează întâi kieserita, MgSO4 · H2O, apoi sărurile mixte cu ioni K+ şi Ca2+. Un conţinut ridicat în săruri de magneziu se găseşte în Marea Moartă, a cărei compoziţie diferă mult de a celorlalte mări şi de cea a oceanelor (23% săruri, din care 10,8% MgCl2). Calciul se găseşte în natură, în cantităţi uriaşe, sub formă de carbont, CaCO3. Principalele varietăţi sunt piatra de var şi marmora ambele agregate microcristaline de calcită, ultima mai pură. Creta se formează prin sedimentarea scoicilor de foraminifere şi alte organisme marine microscopice. Mai rar apare carbonatul de calciu în forme monocristaline: calcită (10 – 9) şi aragonită (10 – 14,1). Calciul se mai găseşte în natură, ca ghips CaSO4 · 2H2O şi mai rar ca anhidrită, CaSO4. Albastrul este o varietate de ghips compactă, translucidă. Alte minerale importante conţinând calciul sunt: fluorita CaF2, apatita Ca5(PO4)3F, care sub acţiunea agenţilor atmosferici (CO2, H2O) formează hidroxilapatită, Ca5(PO4)3OH, sau bonatoapatită, Ca10(PO4)6CO3 · H2O, şi fosforitele. Stronţiul şi bariul se întâlnesc în natură mai ales ca sulfaţi şi carbonaţi. Principalele minerale de stronţiu sunt: stronţianita, SrCO3, şi celestina, SrSO4; cele de bariu sunt: witerita, BaCO4 şi baritina, BaSO4. Radiul este un element foarte rar. El însoţeşte întotdeauna mineralele de uraniu, din care provine. Obţinerea metalelor alcalino – teroase Pentru obţinerea beriliului metalic se topeşte minereul beryl, se introduce în apă şi se dizolvă în H2SO4, rezultând BeSO4 şi Al2(SO4)3. Prin adăugare de (NH2)2SO4 se formează alaunul (NH4)Al(SO4)2·12H2O, puţin solubil, care se separă. Cu amoniac se precipită Be(OH)2, care amestecat cu cărbune şi încălzit la 800o în curent de clor, formează BeCl2. Clorura de beriliu se amestecă cu NaCl, se topeşte şi se electrolizează obţinându – se astfel Be metalic. Se poate obţine şi prin dislocuire cu Mg din BeF2: Magneziul se fabrică prin electroliza clorurii de magneziu topite sau prin reducera oxidului de magneziu cu cărbunele şi distilarea metalului. Clorura de magneziu necesară pentru acest procedeu, se obţine prin reducerea oxidului de magneziu cu cărbunele, în prezenţa clorului. MgO + C + Cl2 → MgCl2 + CO Oxidul de Magneziu se obţine din magnezită, prin calcinare sau, cum magnezita pură este relativ rară, din dolomită. Aceasta dă, prin calcinare, un amestec CaO · MgO. Prin tratare cu apă de mare, se obţine un amestec de hidroxizi (o parte din MgO nu se hidratează) şi se produce un schimb de ioni, prin care calciul trece în clorură de calciu solubilă: Mg(OH)2 · Ca(OH)2 + Mg2+ → 2Mg(OH)2 + Ca2+. Calciu, stronţiu şi bariu nu pot fi obţinute din oxizii lor prin reducere cu cărbune, deoarece oxizii lor sunt foarte exotermi şi necesită temperatură înaltă pentru reducere, dar la această temperatură se formează carburile respective. & b ë欀䭤 ë欀筤 $ $ ô @ Calciul şi stronţiul se pot obţine prin electroliza clorurilor lor topite. Bariul rezultă la electroliza soluţiilor de BaCl2, cu catod de mercur şi amalgamul obţinut se distilă în vid. Calciu, stronţiu şi bariu se pot prepara din oxizii lor prin procedeul aluminotermic. În cantităţi mici aceste elemente se pot deplasa din sărurile lor cu metale alcaline. Radiul a fost obţinut de soţii Marie şi Pierre Curie. Mineralul cel mai bogat în radiu este un minereu de uraniu numit, pechblendă. Aici radiul se găseşte ca produs de descompunere radioactivă a uraniului, în proporţie de 0,14 g la 1000 kg minereu. Din soluţiile mume, după extragerea uraniului, radiul precipită alături de BaSO4. De fapt se coprecipită cu BaSO4 când se adaugă BaCl2 la extractele cu acid sulfuric. După ce se îndepărtează plumbul prin fierbere cu NaOH, sulfaţii se convertesc în carbonaţi la topire cu carbonat de sodiu şi se dizolvă în HCl, sau mai bine în HBr. Bromurile rezultate, BaBr2 şi RaBr2 se pot separa prin cristalizări fracţionate, bromura de radiu fiind mai greu solubilă decât cea de bariu. Radiul metali se poate separa ca amalgam prin electroliză din soluţia unei sări a lui, cu catod de mercur. Amalgamul se distilă la 400 – 700oC în curent de hidrogen. Proprietăţile fizice ale metalor din grupa a II-a Elementele din grupa a II-a sunt metale cenuşii; magneziu este albastru. Beriliu şi magneziu păstrează luciul lor metalic la aer, datrită unui strat protector de oxid, subţire transparent, asemănându – se cu aluminiu. Celelalte metale din această grupă îşi pierd repede luciul, oxidându – se superficial. Punctele de topire şi de fierbere ale beriliului sunt mai ridicate decât ale celorlalte elemente din grupa a II-a. Beriliul cristalizează într – o reţea hexagonală compactă astfel deformată încât fiecare atom are 6 atomi vecini mai apropiaţi decât ceilalţi. Magneziul cristalizează cu o reţea hexagonală compactă regulată (12 vecini la distanţe egale). Calciul, stronţiul şi bariul cristalizează în reţele cubice. Datorită acestei structuri cristaline speciale, razele metalice sunt excepţional de mici, la bariu, ele crescând apoi la celelate elemente. Această particularitate a reţelei cristaline explică anomalia densităţilor, care întâi scad apoi cresc normal, la elementele din grupa a II-a. Din cauza rezei metalice mici (legături puternice între atomi), beriliul este un metal dur (duritatea 6 – 7, zgârie sticla), în schimb ce omologii săi sunt moi (magneziul are duritatea 2,5, iar calciul 2,3). La temperatură obişnuită, beriliul este casant, încălzit la roşu devine ductil. Magnziul, mai ales aliat, are proprietăţi mecanice bune, fiind ductil şi rezistent. Conductibilitatea electrică, de tip metalic a beriliului este mică (circa 1/13 din aceea a argintului); conductibilităţile electrice ale magneziului şi calciului sunt mari (circa 1/3 din aceea a argintului). Elementul Izotopi şi proporţia lor în % 9,102 4Be 24,312 12Mg 40,08 20Ca 87,6 38Sr 137,34 56Ba 9(100) 24(78,7); 25(10,1); 26(11,3); 40(96,92); 42(0,64); 43(0,13); 44(2,13); 46(0,0032); 48(0,18) 84(0,5); 86(9,9); 87(7,0); 88(82,6); 130(0,1); 132(0,1); 134(2,4); 135(6,6); 136(7,8); 137(11,3); 138(71,7) Proprietăţile chimice ale metalor din grupa a II-a Metalele alcalino – teroase propriu – zise, Ca, Sr, Ba, din punct de vedere al comportării lor chimice sunt mult mai mari asemănătoare metalelor alcaline decât Be şi Mg. În aer se oxidează însă mult mai încet decât cele alcaline. Toate descompun apa M + 2H.OH = M(OH)2 + H2 dar, din cauza solubilităţii mai mici a hidroxizilor respectivi, Ca, Sr şi Ba reacţionează mult mai repede. Beriliul şi magneziul din contră, reacţionează foarte încet cu apa, deoarece hidroxizii lor sunt greu solubili şi acoperă suprafaţa metalelor, încetinind atacul lor în profunzime. Beriliul reacţionează cu vaporii de apă, la încălzire la roşu. Magneziul reacţionează la cald cu vapori, dar amalgamul de magneziu reacţionează uşor cu apa, la rece. Caracterul bazic al oxizilor şi hidroxizilor se accentuează odată cu creşterea numărului de ordine de la beriulu la bariu. De exemplu, Be(OH)2 este amfoter, iar Ba(OH)2 este o bază tare. În acelaşi sens creşte şi solubilitatea hidroxizilor. Magneziul sub formă de pulbere sau sârmă adre, când este aprins în aer, dând naştere unui fum abundent de MgO şi emiţând o lumină albă orbitoare. Din cauza căldurii de formare mari a oxigenului său, magneziul deslocuieşte multe metale din oxizii lor, dând MgO şi metalul respectiv. Magneziul nu reacţionează cu apa rece; cu apa caldă, magneziul se combină mai uşor. Amalgamul de magneziu reacţionează cu apă chiar la temperatura camerei. Calciul, stronţiul şi bariul se aseamănă, în comportarea lor faţă de aer şi apă, cu metalele alcaline. Calciul arde în aer formînd un amestec de CaO şi azotură Ca3N2. Celelalte elemente din grupă se combină şi ele la cald cu azotul formând azoturile respective. De asemenea ele reacţionează energic cu toţi halogenii şi cu sulful: 2M + O2 = 2MO; M + X2 = MX2; (X = halogeni) 2M + S2 = 2MS; 3M + N2 = M3N2. Toate sărurile acestor elemente sunt incolore când anionul sării nu este clorurat. Unele dintre sărurile metalelor alcalino – teroase se dizolvă foarte puţin în apă, cum sunt: sulfaţii, carbonaţii, hidroxizii, fosfaţii. Solubilitatea lor variază însă în grupă odată cu creşterea numărului atomic. De exemplu, solubilitatea sulfaţilor scade, iar a carbonaţilor creşte de la beriliu la bariu. În afară de fluoruri, care sunt insolubile, cu excepţia fluorurii de beriliu care este solubilă, toate celelalte halogenuri ale acestor metale sunt uşor solubile în apă, iar parte din ele (MgCl2, CaCl2 ...) chiar delicvescente. Halogenurile de beriliu hidrolizează cu apa la temperatura ordinară, celelalte numai la temperaturi mai ridicate. Halogenurile de beriliu şi magneziu formează săruri duble cu halogenurile alcaline, ca şi sulfaţii lor cu sulfaţii alcalini. Elementele din grupa a II-a principală formează carbonaţi normali, cu excepţia beriuliului şi magneziului care formează mai ales carbonaţi bazici cu compziţie variabilă. În general primii termeni din grupă, beriliu şi magneziu, se deosebesc de ceilalţi, ocupând o poziţie oarecum aparte. Beriliul prezintă o serie de proprietăţi asemănătoare cu ale aluminiului. De exemplu, potenţialul normal al beriliului este apropriat de cel al aluminiului (Be2+/Be – 1,70V; Al3+/Al – 1,67V), amândouă metalele devin pasive prin acţiunea acidului azotic, în timp ce magneziu, calciu, stronţiu, şi bariu se dizolvă uşor în acizi minerali diluatţi; beriliu ca şi aluminiu se dizolvă în hidroxizi aclalini cu degajare de hidrogen: Be + 2Na OH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2; curba de beriliu, Be2C, ca şi carbura de aluminiu reacţionează cu apa degajând metan: Be2C + 4H.OH = CH4 + 2Be(OH)2 Sulfura de beriliu, BeS, are structură covalentă (structura blendei) şi este, ca şi blenda, ZnS, insolubilă în apă, spre deosebire de sulfurile celorlalte metale alcalino – teroase (care au structuri de NaCl) şi de Al2S3, care sunt hidrolizate rapid de apă. Sărurile de calciu, stronţiu, bariu, cu alţi acizi slabi, de exemplu cianurile, sunt hidrolizate imediat şi complet de apă, dând hidroxizii respectivi şi acidul liber (în cazul cianurilor, HCN). Cu azotul molecular, N2, metalele alcalono – teroase reacţionează remarcabil de uşor, dând nitruri ionice. Magneziul se combină cu hidrogenul numai la presiune de 200 atmosfere. Rediul este cel mai radioactiv element din această grupă, şi are proprietăţi asemănătoare cu cele ale bariului: descompune apa, formează sulfat şi carbonat greu solubili, are însă proprietăţi radioactive caracteristice. Marea majoritatea ale combinaţiilor acestor elemente sunt combinaţii ionice. Beriliu formează şi combinaţii covalente. Metalele alcalino – teroase (cu execpţia beriliului şi magneziului) se dizolvă în amoniac lichid uscat, dând soluţii de culoare albastră – neagră, de acelaşi tip ca ale metalelor alcaline. Întrebuinţarea metalelor alclino – teroase Beriliul se întrebuiţează pentru obţinerea aliajelor mai dure şi mai elastice, în special aliat cu cupru. Aliajelea de fier, nichel şi beriliu sau fier, crom, nichel şi beriliu sunt rezistente la coroziune şi stabile lacăldură (pentru tăiere rapidă). Se întrebuinţează şi ca dezoxidant în metalurgia melalelor neferoase. Beriliu este transprent pentru razele X şi permite confecţionarea de ferestre, care opresc razele X de 70 ori mai puţin decât aluminiu. De asemenea se utilizează şi în industria energiei nucleare fiind transparent şi pentru neutronii lenţi. Aliajele de beriu (6 – 7%) cu cupru au duritatea celor mai dure oţeluri, păstrâd proprietăţile macanice şi electrice ale cuprului. Magneziul se întrebuinţează ca un bun reducător. La încălzire reduce chiar cei mai stabili oxiziu, cum este SiO2, datorită marii afinităţi a magneziului pentru oxigen. Se întrebuinţează şi în reactoarele căptuşite cu grafit în care se produc lingouri de uraniu. Proprietatea magneziului de a arde cu lumină albă strălucitoare este folosită în fotografiile de noapte şi pirotehnie, când se amestecă pulbere de magneziu cu un oxidant (KclO3, KmnO4, MnO2). În metalurgie, magneziul se întrebuinţează pentru purificarea metalelor de oxizi şi de sulfuri dizolvate în ele; oxigenul sau sulful este fixat pe magneziu cu formare de combinaţii insolubile în topituri. Aliajele magneziului cu alte metale (Al, Zn, Mn, Sn, Zr, Ce) au greutate specifică mică, duritatea mare, sunt mai rezistente la coroziune şi din punct de vedere mecanic. Aşa numitul metal electron conţine peste 90% Mg, restul fiind Al, Zn Cu, Mn şi Si. Spre deosebire de aliajele aluminiului (dintre care unele conţin magneziu) metalul electron este rezistent faţă de soluţiile alcaline. Aliajele de magneziu se întrebuinţează pentru construirea avioanelor, automobilelor şi a altor maşini, a instrumentelor optice şi a unor aparate. Calciul metalic este folosit ca agent reducător puternic pentru prepararea unor metale care au oxizii deosebit de rezistenţi la reducere, cum ar fi Cr2O3. Stronţiu şi bariu se utilizează sub formă de săruri, mai ales ca azotaţi, în pirotehnie (rachete şi artificii roşii, respectiv galbene -verzi). Metale alcalino - teroase PAGE PAGE - 19 - 쥁`