Какие пары химических элементов сходны по химическим свойствам

Задача 777. 
Чем объяснить сходство химических свойств лантаноидов?
Решение:
Семейство лантаноидов (или лантанидов) состоит из четырнадцати f – элементов с порядковыми номерами от 58 до 71, сходны по своим химическим и физическим свойствам друг к другу.

Задача 777. 
Чем объяснить сходство химических свойств лантаноидов?
Решение:
Семейство лантаноидов (или лантанидов) состоит из четырнадцати f – элементов с порядковыми номерами от 58 до 71, сходны по своим химическим и физическим свойствам друг к другу. Сходство их химических свойств можно объяснить отсутствием у атомов существенных различий в структуре внешнего и предвнешнего электронных слоёв. Характерной особенностью построения электронных оболочек атомов лантаноидов является то, что при переходе к последующему f – элементу (от Ce до Lu) новый электрон занимает место не во внешнем (n = 5), а в ещё более глубоко расположенном третьем снаружи электронном  слое (n = 4). Заполнение 5d – подуровня, начатое у лантана, возобновляется у гафния (Z = 72)  и заканчивается у ртути (Z = 80).
Электронная структура атома церия может быть представлена формулой:

+58Сe1s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p65s2

Далее у каждого последующего лантаноида до иттербия (Z = 70) происходит заполнение f–подуровня очередным электроном, а у атома лютеция (Z = 71) появляется электрон на 5d-подуровне.

Задача 778. 
С каким элементом более сходен молибден по свойствам с селеном или с хромом? Чем это объясняется?
Решение:
Наружный электронный слой атома молибдена содержит один s – электрон, атом хрома тоже содержит один s – электрон на наружном электронном слое, а у атома селена содержится шесть электронов (два s – и четыре р – электрона). Содержание по одному электро-ну на внешнем электронном уровне у атомов молибдена и хрома, естественно, сходство их свойств (металлические свойства) и отличие этих элементов от элементов главной подгруппы VI-й группы, в том числе от селена. Электронная конфигурация атомов молибдена и хрома имеет вид: …nd5ns1, а атома селена: …ns2np4.

Максимальная степень окисления молибдена равна +6, так как, помимо наружных электронов, в образовании связей может участвовать ещё пять неспаренных электронов с 4d – подуровня, точно также проявляет себя и атом хрома. Молибден и хром образует связи, только отдавая электроны, в то время как атом селена образует связи за счёт s- и р – электронов. К тому же атом селена может проявлять степень окисления -2, т.е. проявляет себя как типичный неметалл.

Задача 779.
 Исходя из положения элементов в периодической системе, определить: а) у какого из гидроксидов — Sn(OH)2 или РЬ(ОН)2 более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени: станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO2 или РЬО2?
Решение:
а) Исходя из положения элементов в периодической системе, более выражены основные свойства у Pb(OH)2, чем у Sn(OH)2, так как в группах с ростом зарядов ядра атомов кислотные свойства гидроксидов уменьшается, а основные – усиливаются. Pb(OH)2, и Sn(OH)2 – амфотерные гидроксиды, но основные свойства более выражены у Pb(OH)2, чем у Sn(OH)2. 

б) Так как в группах с ростом заряда атомных ядер кислотные свойства гидроксидов уменьшаются, то кислота H2PbO3 будет слабее кислоты H2SnO3, поэтому плюмбат натрия гидролизуется в большей степени, чем станат натрия. Гидролиз Na2PbO3, как соли сильного основания и слабой кислоты протекает по аниону:

PbO32- + H2O ↔ HPbO3- + HO-

или в молекулярной форме:

Na2PbO3 + H2O ↔ NaHPO3 + NaOH

в) В группах с ростом зарядов атомов элементов окислительные свойства оксидов и гидроксидов уменьшаются, поэтому SnO2 более сильный окислитель, чем PbO2. 

Задача 780. Какими химическими свойствами обладает искусственно полученный элемент с порядковым номером 87? С каким из элементов периодической системы он наиболее сходен?
Решение:
Искусственно полученный элемент с порядковым номером 87 (франций) на внешнем электронном слое имеет один электрон (7s1). Имея на внешнем электронном слое только один электрон, находящийся на сравнительно большом удалении от ядра. Атом этого элемента довольно легко отдаёт свой единственный валентный электрон, т.е. характеризуется низкой энергией ионизации (I = 0,280 эВ). Образующийся  при этом однозарядный ион имеет устойчивую электронную структуру благородного газа (атома радона). Лёгкость отдачи внешнего электрона характеризует этот элемент как наиболее типичный представитель металлов. Подобное строение имеют щелочные металлы, из которых наиболее сходен с францием цезий.

s-Элементы

Элементы IА и IIА подгрупп , у которых заполняется внешний ns-уровень, относятся к s-элементам: ns 1 – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr называют щелочными , а ns 2 – Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra – щелочноземельными . Из приведенных в таб. 8.1 данных следует:

• Степени окисления элементов ns 1 и ns 2 всегда равны номеру группы (+1 и +2).
• В основном состоянии атомы ns 2-элементов не имеют неспаренных электронов, поэтому образованию ковалентной связи в соединениях этих элементов предшествует возбуждение ns 2 → ns 1np 1 с последующей гибридизацией sp-типа, определяющей линейное строение трехатомных молекул ЭX 2.
• Для ns 1-элементов характерно образование двухатомных молекул Э 2(σ св) 2(σ *) 0; для ns 2-элементов образование Э 2 невозможно из-за равной заселенности связывающих и разрыхляющих σ-орбиталей.
• Величины E °s-элементов предопределяют их восстановительные свойства, увеличиваясь при движении в подгруппе сверху вниз. Все s-элементы вытесняют водород из воды и кислот, восстанавливают оксиды металлов и неметаллов до простых веществ.
• Ионность связи Э–Х возрастает в подгруппе сверху вниз, а в случае оснований удлинение связи Э–OH ведет к увеличению основности.
• В соединениях LiX и BeX 2 связь Э–Х преимущественно ковалентная (малополярная).

s -Металлы хранят в инертной атмосфере или под слоем жидких углеводородов, а получают обычно электролизом расплавов. Соли s-элементов окрашивают пламя в цвета: лития – в алый, натрия – в желтый, калия – в сине-фиолетовый, рубидия – в темно-красный, цезия – в бледно-голубой, кальция – в оранжево-красный, стронция – в темно-красный, бария – в светло-зеленый.

Большинство солей растворимо в воде. К нерастворимым относят LiCO 3, KClO 4, ЭCO 3, ЭSO 4, Э 3(PO 4) 2 (Э = Ca, Sr, Ba), некоторые ЭF 2.

IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами.

Все элементы IIA группы относятся к s-элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s-подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.

Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:

Ме0 – 2e— → Ме+2

Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.

Взаимодействие с простыми веществами

с кислородом

Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.

Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO2):

2Mg + O2 = 2MgO

2Ca + O2 = 2CaO

2Ba + O2 = 2BaO

Ba + O2 = BaO2

Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me3N2.

с галогенами

Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:

Мg + I2 = MgI2 – иодид магния

Са + Br2 = СаBr2 –  бромид кальция

Ва + Cl2 = ВаCl2 – хлорид бария

с неметаллами IV–VI групп

Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.

Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C22-, фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:

Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:

С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me2Si, с азотом – нитриды (Me3N2), фосфором – фосфиды (Me3P2):

с водородом

Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

Ве + Н2SO4(разб.) = BeSO4 + H2↑

Mg + 2HBr = MgBr2 + H2↑

Ca + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + H2↑

c кислотами-окислителями

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N2O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH4NO3):

4Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O

4Mg + 10HNO3(сильно разб.) = 4Mg(NO3)2 + NН4NO3 + 3H2O

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Be + 2H2SO4 → BeSO4 + SO2↑+ 2H2O

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:

4Mg + 5H2SO4(конц.) = 4MgSO4 + H2S↑ + 4H2O

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

Be + 2KOH + 2H2O = H2↑ + K2[Be(OH)4] — тетрагидроксобериллат калия

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

Be + 2KOH = H2↑+ K2BeO2 — бериллат калия

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.