Leelismuldmetallid Boori alarühm Leelismuldmetallid Leelismuldmetallid
Leelismuldmetallid. Boori alarühm Leelismuldmetallid ...
Leelismuldmetallid. Boori alarühm Leelismuldmetallid ...
- No tags were found...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
• <strong>Leelismuldmetallid</strong><br />
– Saamine ja kasutamine<br />
– Lihtainete omadused<br />
– Ühendid<br />
• Boor ja alumiinium<br />
– Saamine ja kasutamine<br />
– Lihtainete omadused<br />
– Ühendid<br />
<strong>Leelismuldmetallid</strong>.<br />
<strong>Boori</strong> <strong>alarühm</strong><br />
<strong>Leelismuldmetallid</strong><br />
• Kaltsium, strontsium ja baarium on<br />
leelismuldmetallid, kuna nende oksiidid<br />
(vanema nimega mullad) on aluselised.<br />
Sageli kasutatakse seda nime kogu 2. rühma<br />
kohta.<br />
• Tähtsamad elemendid 2. rühmas on<br />
magneesium ja kaltsium.<br />
<strong>Leelismuldmetallid</strong><br />
• 2. rühma valentskihi elektronkonfiguratsioon<br />
on ns 2 .<br />
• I 2 on piisavalt väike, et ioonilise ühendi<br />
moodustumisel see kompenseerida.<br />
• Seetõttu esinevad nad alati kahelaenguliste<br />
katioonidena.<br />
• Berülliumil on mõningaid mittemetalli<br />
omadusi, teised kõik on metallid.<br />
1
<strong>Leelismuldmetallid</strong><br />
• 2. rühma elemendid on liiga reaktiivsed, et looduses<br />
puhtal kujul esineda.<br />
• Berüllium esineb enamasti berüllina<br />
3BeO·Al 2 O 3·6SiO 2 , mille erimiks on Cr 3+ lisanditest<br />
roheline kalliskivi smaragd.<br />
• Magneesiumi leidub merevees ja dolomiidis<br />
CaCO 3·MgCO 3 .<br />
• Kaltsium esineb samuti põhiliselt CaCO 3 -na kui<br />
lubjakivi, kaltsiit ja kriit.<br />
Berüllium: saamine ja<br />
kasutamine<br />
• Saadakse BeCl 2 elektrolüütilisel redutseerimisel.<br />
• Madala tiheduse tõttu kasutatakse satelliitide ja<br />
rakettide valmistamiseks.<br />
• Be õhuke leht on röntgenikiirtele läbipaistev ja<br />
kasutatakse röntgenikiiretorude akendena.<br />
• Be väikesed lisandid muudavad vase oluliselt<br />
jäigemaks. Sulam leiab kasutamist tööriistade<br />
valmistamiseks (plahvatusohtlikeks rakendusteks).<br />
Magneesium: saamine<br />
• Metallilist magneesiumit toodetakse tema<br />
ühendite keemilise või elektrolüütilise<br />
redutseerimise teel.<br />
– Keemilise redutseerimise korral saadakse<br />
dolomiidi lagundamisel MgO, mis pannakse<br />
1200 ºC juures reageerima raua ja räni sulamiga.<br />
– Elektrolüütilise meetodi korral sadestatakse<br />
mereveest Mg(OH) 2 , mis lahustatakse seejärel<br />
soolhappe toimel ja elektrolüüsitakse.<br />
2
Magneesium: füüsikalised<br />
omadused<br />
• Magneesium on hõbevalge metall, mille pind<br />
kattub õhus õhukese, kuid tiheda kaitsva<br />
oksiidikihiga.<br />
• Magneesium on väikese tihedusega ja väga<br />
pehme.<br />
– Tema sulamid seevastu on sageli kõvad ja<br />
tugevad ning leiavad laialdast rakendust<br />
lennukitööstuses ja ka autode juures.<br />
<strong>Leelismuldmetallid</strong>: saamine<br />
• Kaltsiumit, strontsiumit ja baariumit<br />
saadakse elektrolüütiliselt või alumiiniumiga<br />
redutseerides:<br />
3BaO (s) + 2Al (s) → Al 2 O 3(s) + 3Ba (s)<br />
Magneesium: keemilised<br />
omadused<br />
• Magneesium põleb õhu käes energiliselt,<br />
kõrvuti hapnikuga toimuvad reaktsioonid ka<br />
lämmastiku ja CO 2 -ga.<br />
– Põlevat magneesiumi ei tohi kustutada veega<br />
või süsihappegaasi kustutiga.<br />
3
<strong>Leelismuldmetallid</strong>: keemilised<br />
omadused<br />
• <strong>Leelismuldmetallid</strong> reageerivad hapniku ja veega<br />
intensiivsemalt rühmas allapoole liikudes.<br />
– Be, Mg, Ca ja Sr pinnale tekib õhu käes kaitsev oksiidikiht,<br />
Ba korral seda ei teki ja Ba võib niiskes õhus süttida.<br />
• Kõik 2. rühma elemendid (v.a Be) reageerivad veega.<br />
Be ei reageeri veega ka kuumalt, Mg reageerib vaid<br />
kuuma veega.<br />
• Kõik 2. rühma elemendid redutseerivad H + H 2 -ks.<br />
<strong>Leelismuldmetallid</strong>: määramine<br />
• Leelismuldmetalle ja nende ühendeid saab<br />
määrata leekreaktsiooni abil:<br />
– kaltsium põleb punakasoranži leegiga;<br />
– strontsium põleb karmiinpunase leegiga;<br />
– baarium põleb kollakasrohelise leegiga.<br />
• Sageli kasutatakse neid pürotehnikas<br />
(nitraatide või kloraatidena).<br />
Berüllium: keemilised omadused<br />
• Be on 2. rühma kõige mittemetallilisem<br />
element, annab sageli kovalentseid sidemeid.<br />
• Be on amfoteerne, s.t reageerib nii hapete kui<br />
alustega. Leelistega reageerides annab<br />
berüllaatiooni:<br />
Be (s) + 2NaOH (aq) + 2H 2 O (l) → Na 2 [Be(OH) 4 ] (aq) + H 2(g)<br />
• Be-ühendid on väga mürgised.<br />
4
Berüllium: ühendid<br />
• Be-ühendite omadused on määratud Be 2+<br />
iooni väikese raadiuse ja sellest tuleneva<br />
suure polariseeriva jõuga.<br />
– Ühendid on reeglina kovalentsed.<br />
– Temaga saavad seostuda kuni 4 rühma.<br />
• Iseloomulik on BeX 4 tetraeeder, mis on<br />
iseloomulik kloriidile ja hüdriidile, kus Be<br />
aatom käitub Lewis'i happena.<br />
Magneesium: ühendid<br />
• Mg-ühendid on reeglina ioonilised.<br />
• Magneesiumoksiid tekib Mg põlemisel, kuid<br />
sellisel viisil saadud MgO on saastunud<br />
nitriidiga. Puhta MgO saamiseks kuumutatakse<br />
magneesiumhüdroksiidi või -karbonaati.<br />
• MgO lahustub vees vähesel määral ja<br />
aeglaselt, ta on termiliselt väga stabiilne, hea<br />
soojusjuhtivusega ning halb elektrijuht.<br />
Magneesium: ühendid<br />
• Magneesiumhüdroksiid on leelis, mis<br />
lahustub vees vähesel määral ja annab valge<br />
kolloidse suspensiooni.<br />
– Seda kasutatakse muuseas mao happesuse<br />
alandamiseks.<br />
– MgCl 2 , mis tekib magneesiumhüdroksiidi<br />
neutraliseerimisel maos, on kõhulahtisti.<br />
• Looduses on tähtsaim Mg-ühend ilmselt<br />
klorofüll.<br />
5
Kaltsium: ühendid<br />
• Ca on mõnevõrra metallilisem element kui Mg, samas<br />
on nende ühendid üsna sarnased.<br />
• Lisaks kriidile ja lubjakivile esineb CaCO 3 ka<br />
marmorina (CaCO 3 tihedam vorm).<br />
• Kuumutamisel CaCO 3 laguneb, andes kaltsiumoksiidi<br />
CaO ehk kustutamata lubja:<br />
CaCO 3(s) → CaO (s) + CO 2(g)<br />
mis omakorda reageerib energiliselt veega, andes<br />
kustutatud lubja ehk kaltsiumhüdroksiidi:<br />
CaO (s) + H 2 O (l) → Ca(OH) 2(aq)<br />
Kaltsium: ühendid<br />
• Kaltsiumhüdroksiid on vees suhteliselt vähelahustuv,<br />
tema lahust kasutatakse CO 2 määramiseks, kuna ta<br />
annab mittelahustuva karbonaadi:<br />
Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g) → CaCO 3(s) + H 2 O (l)<br />
• Kaltsiumoksiidist lähtudest saab valmistada<br />
kaltsiumkarbiidi CaC 2 , mis on sageli sillaks<br />
anorgaanilise ja orgaanilise keemia vahel:<br />
CaO (s) + 3C (s) → CaC 2(s) + CO (g)<br />
CaC 2(s) + 2H 2 O (l) → C 2 H 2(g) + Ca(OH) 2(aq)<br />
Kaltsium: ühendid<br />
• Kustutamata lubi leiab laialdast kasutamist:<br />
– rauasulatuses: CaO (s) + SiO 2(s) → CaSiO 3(l)<br />
• Kustutatud lubi leiab laialdast kasutamist:<br />
– põllumajanduses pinnase pH reguleerimiseks;<br />
– Ca 2+ ioonide sadestamiseks karedast veest.<br />
HCO 3<br />
-<br />
(aq) + OH - (aq) → CO 3 2- (aq) + H 2 O (l)<br />
Ca 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) → CaCO 3(s)<br />
6
Kaltsium: ühendid<br />
• Ca 2+ ioonid interakteeruvad oma naabritega<br />
reeglina väga tugevasti, mistõttu on kaltsiumiühenditele<br />
iseloomulik suur jäikus.<br />
– Tsement: lihtsustatult segu kaltsiumoksiidist,<br />
-silikaadist ja -alumiiniumsilikaadist ning kipsist.<br />
– Karploomade karbid: kaltsiumkarbonaadist.<br />
– Luud: kaltsiumfosfaadist (inimkehas on ~1 kg Ca).<br />
– Hambad: hüdroksüapatiidist Ca 5 (PO 4 ) 3 OH.<br />
Ca 5<br />
(PO 4<br />
) 3<br />
OH (s)<br />
+ 4H 3<br />
O + (aq) → 5Ca2+ (aq) + 3HPO 4 2- (aq) + 5H 2 O (l)<br />
<strong>Boori</strong> <strong>alarühm</strong><br />
• <strong>Boori</strong> <strong>alarühm</strong>a aatomite elektronkonfiguratsioon<br />
on ns 2 np 1 .<br />
• Maksimaalne oksüdatsiooniaste on +3,<br />
rühma viimased elemendid (Tl) on sageli<br />
oksüdatsiooniastmega +1.<br />
• Elementide elektronegatiivsused on siin<br />
vahepealsed, millest tulenevad erilised<br />
omadused.<br />
Boor<br />
• Boor on suhteliselt kõrge I-ga poolmetall,<br />
mis reeglina annab kovalentseid sidemeid.<br />
• <strong>Boori</strong>l on kolm valentselektroni ja seetõttu<br />
esineb tema ühendites mitmesuguseid<br />
anomaaliaid.<br />
– Mittetäielik oktett: BF 3<br />
– Elektrondefitsiitsed ühendid: B 2 H 6<br />
7
Boor<br />
• <strong>Boori</strong> kaevandatakse booraksi Na 2 B 4 O 7·10H 2 O<br />
ja kerniidina Na 2 B 4 O 7·4H 2 O, mis edasi happe<br />
toimel viiakse booroksiidiks B 2 O 3 ning<br />
redutseeritakse metallilise magneesiumiga.<br />
• Puhtama saaduse saamiseks redutseeritakse<br />
gaasilisi booriühendeid (nt BCl 3 ) vesinikuga.<br />
• <strong>Boori</strong> tootmine on üsna väike, kuigi tal on rida<br />
kasulikke omadusi (kõvadus, väike tihedus).<br />
Boor<br />
• Boor eksisteerib lihtainena rea<br />
allotroopsete vormidena:<br />
– hallikasmust, mittemetalliline,<br />
kõrge sulamistemperatuuriga<br />
vorm;<br />
– tumepruun pulbriline vorm, mis<br />
baseerub ikosaeedrilisel<br />
(kakskümmendtahukalisel) 12<br />
booriaatomi klastril.<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
Alumiinium<br />
• Alumiinium on maakoores levinuim metall ja<br />
elementidest kolmas (hapniku ja räni järel).<br />
– Enamike mineraalide alumiiniumisisaldus on<br />
madal.<br />
– Enimkasutatav alumiiniumi allikas on boksiit<br />
Al 2 O 3·nH 2 O (n = 1...3), mis reeglina sisaldab<br />
lisanditena rauda ja titaani (oksiididena).<br />
8
Alumiinium<br />
• Alumiinium oli 19. sajandil haruldane ja<br />
äärmiselt kallis metall.<br />
• Alumiiniumi tootmine muutus oluliselt<br />
odavamaks Halli protsessi kasutuselevõtuga.<br />
– Al 2 O 3 -le krüoliidi Na 3 AlF 6 lisamine alandab<br />
tema sulamistemperatuuri (2050 °C → 950 °C).<br />
– Metallilist alumiiniumi toodetakse saadud<br />
sulalahuse elektrolüüsil.<br />
Alumiinium<br />
• Alumiinium on madala tihedusega ja väga<br />
hea elektrijuhtivusega metall.<br />
• Alumiinium on tugev redutseerija, kuid<br />
vastupidav korrosioonile, kuna tema pinnale<br />
tekib õhu käes tihe ja vastupidav oksiidikiht.<br />
• Alumiinium leiab kasutamist:<br />
– lennuki- ja autotööstuses (kõvaduse lisamiseks<br />
kasutatakse tema sulameid vase ja räniga);<br />
– elektrijuhtmetes;<br />
– kütuseelementides.<br />
<strong>Boori</strong> <strong>alarühm</strong><br />
• Oma keemilistelt omadustelt on boor pigem<br />
mittemetall.<br />
– Happeline oksiid.<br />
– Binaarsed hüdriidid on molekulaarsed.<br />
• Alumiinium on juba metalli omadustega,<br />
kuigi tal on ka mittemetalli omadusi.<br />
– Ta on amfoteerne, s.t reageerib hapetega, andes<br />
alumiiniumkatiooni, ja kuumade leelistega, andes<br />
aluminaatanioone.<br />
9
Boor: oksoühendid<br />
• Boorhape H 3 BO 3 või B(OH) 3 on valge tahke<br />
aine.<br />
– Mürgine, kasutatakse antiseptiku ja pestitsiidina.<br />
– Võib käituda Lewis'i happena.<br />
– Lähteaineks booroksiidi B 2 O 3 saamisel.<br />
• Booroksiidi kasutatakse räbustina (lahustab<br />
metallioksiide) spetsiaalse klaasi valmistamisel.<br />
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3<br />
• Alumiiniumoksiid esineb reas erinevates<br />
modifikatsioonides:<br />
– α-alumiiniumoksiid esineb korundina:<br />
• puhas korund leiab kasutamist abrasiivmaterjalides;<br />
• Cr 3+ lisandiga korund on tuntud rubiinina;<br />
• Fe 3+ lisandiga korund on topaas;<br />
• Fe 3+ ja Ti 4+ lisandiga korund on safiir;<br />
– γ-alumiiniumoksiid on väiksema tihedusega,<br />
absorbeerib vett ja kasutatakse kromatograafias.<br />
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3<br />
• γ-alumiiniumoksiidi saadakse alumiiniumhüdroksiidi<br />
kuumutamisel.<br />
• Ta on amfoteerne, aluste toimel annab<br />
aluminaatiooni ja hapete toimel Al 3+ iooni, mis<br />
on tugevalt hüdrateeritud:<br />
Al 2 O 3(s) + 2OH - (aq) + 3H 2 O (l) → 2Al(OH) 4 - (aq)<br />
Al 2 O 3(s) + 6H 3 O + (aq) + 3H 2 O (l) → 2Al(H 2 O) 6 3+ (aq)<br />
10
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3<br />
• Tänu väikesele raadiusele ja suurele laengule on Al 3+<br />
ioon tugevalt polariseeriva toimega ja seetõttu on<br />
Al(H 2 O) 6<br />
3+<br />
happeliste omadustega.<br />
Al(H 2 O) 6<br />
3+ (aq) + H 2 O (l) = H 3 O + (aq) + Al(OH)(H 2 O) 5 2+ (aq)<br />
• Tähtsaimad alumiiniumoksiidist toodetavad soolad on<br />
alumiiniumsulfaat, mida kasutatakse paberitööstuses ja<br />
koos naatriumaluminaadiga veepuhastuses.<br />
Al 3+ (aq) + 3Al(OH) 4 - (aq) → 4Al(OH) 3(s)<br />
Boor: karbiid ja nitriid<br />
• Kõrgel temperatuuril reageerib boor süsinikuga, andes<br />
boorkarbiidi B 12 C 3 , mis on kõrge sulamistemperatuuriga väga<br />
kõva tahke aine, koosnedes C-aatomitega seotud B 12<br />
rühmadest.<br />
• <strong>Boori</strong> kuumutamisel ammoniaagis saadakse boornitriid BN,<br />
mis on valge, mahukas grafiidisarnase struktuuriga pulber,<br />
kuid erinevalt grafiidist ei juhi elektrit.<br />
• Võimalik on ka boornitriidi teemandisarnane struktuur.<br />
• Spetsiaalsete võtete abil saab sünteesida ka boornitriidi<br />
nanotorusid, mis on pooljuhid.<br />
Boor: halogeniidid<br />
• <strong>Boori</strong> halogeniide saadakse kas elementide otsesel<br />
reaktsioonil või lähtudes B 2 O 3 -st.<br />
• Tähtsaim boori halogeniid on BF 3 , mida saadakse B 2 O 3<br />
reaktsioonil kaltsiumfluoriidi ja väävelhappega:<br />
B 2 O 3(s) +3CaF 2(s) +3H 2 SO 4(l) → 2BF 3(g) +3CaSO 4(s) +3H 2 O (l)<br />
• Boortrikloriidi BCl 3 saadakse kloori reaktsioonil<br />
süsiniku ja B 2 O 3 -ga:<br />
B 2 O 3(s) + 3C (s) + 3Cl 2(g) → 2BCl 3(g) + 3CO (g)<br />
• BF 3 ja BCl 3 kasutatakse laialdaselt katalüsaatoritena.<br />
11
Alumiiniumkloriid<br />
• Alumiinumkloriid AlCl 3 on samuti tähtis katalüsaator,<br />
mida toodetakse kloori reaktsioonil kas alumiiniumi või<br />
alumiiniumoksiidiga süsiniku juuresolekul:<br />
2Al (s) + 3Cl 2(g) → 2AlCl 3(s)<br />
Al 2 O 3(s) + 3C (s) + 3Cl 2(g) → 2AlCl 3(s) + 3CO (g)<br />
• AlCl 3 on iooniline tahkis, kus iga Al 3+ ioon on<br />
ümbritsetud kuue Cl - iooniga.<br />
• AlCl 3 sublimeerub temperatuuril 192 °C dimeerina<br />
Al 2 Cl 6 .<br />
• AlCl 3 heksahüdraadi kuumutamisel tekib HCl:<br />
2AlCl 3·6H 2 O (s) → Al 2 O 3(s) + 6HCl (g) + 9H 2 O (g)<br />
Boraanid ja boorhüdriidid<br />
• Boor moodustab vesinikuga rea hüdriide, mida<br />
tuntakse boraanidena.<br />
• Anioonsetest boori hüdriididest on tuntuim<br />
BH 4- , mis esineb näiteks naatriumboorhüdriidis<br />
NaBH 4 .<br />
• NaBH 4 on valge kristalne aine, mida saadakse<br />
naatriumhüdriidi reaktsioonil BCl 3 -ga<br />
mittevesilahuses:<br />
4NaH + BCl 3 → NaBH 4 + 3NaCl<br />
Boraanid ja boorhüdriidid<br />
• Naatriumboorhüdriid NaBH 4 on laialt kasutatav<br />
redutseerija:<br />
– orgaanilises sünteesis;<br />
– keemilisel nikeldamisel.<br />
• Naatriumboorhüdriidi reaktsioon boortrifluoriidga<br />
on lähtepunktiks boraanide saamisel:<br />
4BF 3 + 3BH 4- → 3BF 4- + 2B 2 H 6<br />
12
Boraanid<br />
• Diboraan B 2 H 6 on värvusetu gaas, mis<br />
reageerib plahvatuslikult nii õhu kui veega:<br />
B 2 H 6(g) + 3O 2(g) → B 2 O 3(s) + 3H 2 O (g)<br />
B 2 H 6(g) + 6H 2 O (l) → 2B(OH) 3(aq) + 6H 2(g)<br />
• Kõrgel temperatuuril diboraan laguneb:<br />
B 2 H 6(g) → 2B (s) + 3H 2(g)<br />
• Pehmemal kuumutamisel tekivad kõrgemad<br />
boraanid, näiteks B 10 H 14 .<br />
13