ЕСТЕСТВЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Еще до открытия Периодического закона ученые обратили внимание на существование групп элементов, обладающих поразительным сходством в физических и химических свойствах. Такие группы получили название естественных семейств химических элементов.
1. Щелочные металлы (элементы главной подгруппы I группы / IA):
В семейство входят литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и радиоактивный франций Fr.
- Физические свойства: мягкие металлы серебристо-белого цвета (легко режутся ножом), обладают малой плотностью (литий, натрий и калий легче воды), хорошей тепло- и электропроводностью.
- Химическая активность: чрезвычайно высока. На воздухе мгновенно окисляются кислородом, бурно реагируют с водой с образованием растворимых едких щелочей и выделением водорода (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑). Из-за высокой активности их хранят под слоем обезвоженного керосина, а наилегчайший литий — в вазелине.
- Закономерности в группе (от Li к Cs): с увеличением относительной атомной массы возрастает плотность и радиус атомов, температура плавления закономерно снижается (цезий плавится уже при 28,5 °C в ладони), химическая активность возрастает, а сила и растворимость гидроксидов (от LiOH до CsOH) увеличивается.
2. Щелочноземельные металлы (элементы главной подгруппы II группы / IIA):
К истинным щелочноземельным металлам относят кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra (в эту же подгруппу входят более легкие сходные металлы бериллий Be и магний Mg).
- Свое историческое название семейство получило оттого, что оксиды этих металлов («земли» в терминологии алхимиков) при растворении в воде образуют едкие щелочные растворы.
- Простые вещества представляют собой серебристо-белые или светло-желтые металлы. Они заметно тверже щелочных, имеют более высокие температуры плавления, активно реагируют с кислородом воздуха и водой (хранятся под керосином или в герметично запаянных ампулах). Их гидроксиды Ca(OH)₂ и Ba(OH)₂ являются сильными щелочами.
3. Галогены (элементы главной подгруппы VII группы / VIIA):
Семейство включает фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At. Название происходит от греческих слов halos — соль и genos — рождение («рождающие соли»), так как при взаимодействии с металлами они образуют типичные соли (например, NaCl — поваренная соль).
- Простые вещества состоят из двухатомных молекул: F₂, Cl₂, Br₂, I₂.
- Физическое состояние и цвета:
- фтор F₂ — светло-желтый удушливый газ;
- хлор Cl₂ — желто-зеленый тяжелый ядовитый газ с резким запахом;
- бром Br₂ — тяжелая летучая жидкость темно-красного (бурого) цвета с едкими парами;
- иод I₂ — темно-серые кристаллические пластинки с металлическим блеском, способные при нагревании сублимировать (возгоняться — переходить из твердого состояния прямо в фиолетовый газ, минуя жидкую фазу).
- Закономерности в группе (от F к I): с ростом относительной атомной массы закономерно возрастают плотность, температуры плавления и кипения, окраска становится все более темной и насыщенной. При этом окислительная способность и химическая активность неметаллов закономерно ослабевают (фтор — самый электроотрицательный и реакционноспособный неметалл во всей химии).
4. Благородные (инертные) газы (элементы главной подгруппы VIII группы / VIIIA):
Включают гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn.
- Их молекулы одноатомны. Все они являются бесцветными газами без запаха, присутствуют в микроколичествах в атмосфере Земли.
- Обладают предельно стабильной завершенной внешней электронной оболочкой (дублет у гелия, октет из 8 электронов у остальных), поэтому проявляют исключительную химическую инертность. Долгое время считались абсолютно неспособными к реакциям; сегодня получены лишь немногие соединения криптона и ксенона с наиболее электроотрицательными элементами (фтором и кислородом).
ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ КЛАССИФИКАЦИИ И ИХ ОГРАНИЧЕННОСТЬ
В начале XIX века шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус предложил разделить все известные элементы на два противоположных класса: металлы и неметаллы. Основой этой классификации служили контрастные свойства образуемых ими простых веществ, оксидов и гидроксидов:
- Металлам соответствуют основные оксиды и основания (Na → Na₂O → NaOH).
- Неметаллам соответствуют кислотные оксиды и кислоты (S → SO₃ → H₂SO₄).
Однако по мере накопления научных фактов выяснилось, что резкой границы между металлами и неметаллами не существует. Были открыты элементы, оксиды и гидроксиды которых вели себя двойственно: в одних условиях они проявляли свойства оснований, а в других — кислот. Это явление разрушило жесткую дуалистическую схему Берцелиуса и потребовало введения более глубокой периодической систематизации.
ЯВЛЕНИЕ АМФОТЕРНОСТИ
Термин «амфотерность» образован от греческого amphoteros, что означает «и тот и другой», «двойственный». Амфотерностью называют способность химических соединений проявлять как основные, так и кислотные свойства в зависимости от природы вещества, с которым они вступают во взаимодействие.
Соединения, обладающие амфотерными свойствами, образуют такие металлы, как цинк Zn, алюминий Al, бериллий Be, хром(III) Cr, железо(III) Fe.
Доказательство амфотерности гидроксида алюминия (лабораторный опыт 28):
При добавлении к раствору соли алюминия небольшого количества щелочи выпадает характерный белый студенистый осадок гидроксида алюминия:
Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄
Если полученный осадок разделить на две пробирки и провести сравнительные испытания, наблюдается следующее:
- Реакция с кислотой (проявление основных свойств):
При добавлении соляной кислоты осадок мгновенно растворяется с образованием хлорида алюминия и воды:
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O
- Реакция с избытком щелочи (проявление кислотных свойств):
При добавлении концентрированного раствора щелочи нерастворимый осадок также полностью растворяется! В этой реакции гидроксид алюминия ведет себя как кислота, формулу которой можно условно записать как H₃AlO₃:
H₃AlO₃ + 3NaOH = Na₃AlO₃ + 3H₂O (ортоалюминат натрия)
В водном растворе образуются устойчивые комплексные соли, в которых атом металла связан с гидроксогруппами в сложный комплексный анион, заключаемый в квадратные скобки:
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия.
Амфотерность оксида алюминия Al₂O₃:
Оксид алюминия также реагирует как с кислотами, так и со щелочами:
- с кислотой выступает как основный оксид:
Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O
- с концентрированным раствором щелочи выступает как кислотный оксид с образованием комплексной соли:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]
- при твердофазном сплавлении оксида или гидроксида алюминия с сухой щелочью образуется безводная средняя соль — метаалюминат натрия:
Al₂O₃ + 2NaOH —(t)→ 2NaAlO₂ + H₂O
Al(OH)₃ + NaOH —(t)→ NaAlO₂ + 2H₂O
Амфотерность соединений цинка:
Аналогично ведет себя гидроксид цинка Zn(OH)₂:
- с кислотой: Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O
- в растворе щелочи (образуется комплексный тетрагидроксоцинкат натрия):
Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]
- при сплавлении: Zn(OH)₂ + 2NaOH —(t)→ Na₂ZnO₂ + 2H₂O (цинкат натрия).
ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЙ ОТ ВАЛЕНТНОСТИ МЕТАЛЛА
Если химический элемент с переменной валентностью образует несколько оксидов и гидроксидов, их кислотно-основные свойства закономерно изменяются с ростом валентности (степени окисления). Наглядной иллюстрацией служит семейство соединений хрома Cr:
- Низшая валентность (Cr II):
Оксид хрома(II) CrO — типичный основный оксид. Ему соответствует гидроксид хрома(II) Cr(OH)₂ — нерастворимое основание.
- Промежуточная валентность (Cr III):
Оксид хрома(III) Cr₂O₃ — амфотерный оксид. Ему соответствует гидроксид хрома(III) Cr(OH)₃ — амфотерный гидроксид, реагирующий как с кислотами, так и со щелочами.
- Высшая валентность (Cr VI):
Оксид хрома(VI) CrO₃ — ярко выраженный кислотный оксид (хромовый ангидрид). Ему соответствуют сильные кислоты: хромовая H₂CrO₄ и двухромовая (дихромовая) H₂Cr₂O₇.
Общее фундаментальное правило: с повышением валентности металла основные свойства его оксидов и гидроксидов ослабевают, сменяются амфотерными, а при высших валентностях переходят в типичные кислотные.
Все амфотерные гидроксиды нерастворимы в воде и при нагревании легко разлагаются на соответствующий оксид металла и воду:
Zn(OH)₂ —(t)→ ZnO + H₂O
2Al(OH)₃ —(t)→ Al₂O₃ + 3H₂O
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Естественные семейства химических элементов:
- Щелочные металлы (IA): Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Мягкие, легкие, бурно реагируют с водой с образованием щелочей (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑). Хранят под керосином (литий — в вазелине). В ряду Li → Cs активность и радиус атома растут, температура плавления падает.
- Щелочноземельные металлы (IIA): Ca, Sr, Ba, Ra (а также Be, Mg). Серебристо-белые, активные, оксиды и гидроксиды образуют щелочи (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂).
- Галогены (VIIA): F₂, Cl₂, Br₂, I₂ («рождающие соли»). Двухатомные молекулы. F₂ — светло-желтый газ, Cl₂ — желто-зеленый газ, Br₂ — бурая жидкость, I₂ — фиолетово-серые кристаллы (возгоняются). В ряду F → I растут плотность и температуры кипения, но окислительная активность падает.
- Благородные газы (VIIIA): He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Одноатомные молекулы со стабильной оболочкой, химически инертны.
- Классификация Берцелиуса: деление элементов на металлы и неметаллы оказалось неполным из-за открытия амфотерных элементов.
- Амфотерность: способность соединений проявлять как основные, так и кислотные свойства в зависимости от второго реагента (Al, Zn, Be, Cr(III), Fe(III)).
- Доказательство амфотерности Al(OH)₃ и Al₂O₃:
- Реакция с кислотой (основные свойства):
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O
Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O
- Реакция с раствором щелочи (кислотные свойства, комплексные соли):
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия)
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]
- Реакция при сплавлении (безводные алюминаты):
Al(OH)₃ + NaOH —(t)→ NaAlO₂ + 2H₂O (метаалюминат натрия)
- Зависимость свойств от валентности (на примере Cr):
- Cr(II) → CrO, Cr(OH)₂ — основные свойства;
- Cr(III) → Cr₂O₃, Cr(OH)₃ — амфотерные свойства;
- Cr(VI) → CrO₃, H₂CrO₄ — кислотные свойства.
- Правило: с ростом валентности металла основные свойства переходят через амфотерные в кислотные.