3) магнийтермия TiO2 + 2Mg → Ti + 2MgO
4) водородотермия CuO + H2 → Cu + H2O
2. Электрохимический:
1) электролиз расплавов: NiCl2 → Ni + Cl2
2) электролиз растворов: MgSO4 + 2H2O → Mg + O2 + H2 + H2SO4
3. Гидрометаллургический:
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4.
К элементам группы 1А относятся литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Все металлы серебристого цвета, кроме цезия (желтый). Относятся к легким металлам. Очень мягкие – режутся ножом. Все щелочные металлы сильные восстановители. Реакционная способность возрастает в ряду литий – цезий. Самым активным является цезий, т. к. у него самый низкий потенциал ионизации. Щелочные металлы энергично реагируют с большинством неметаллов, разлагают воду, бурно реагируют с растворами кислот. Комплексообразование для щелочных металлов не характерно. В природе в свободном виде не встречаются ввиду их чрезвычайной активности. Литий существенно отличается от остальных элементов группы: он не имеет р-орбиталей. По ряду свойств он ближе к магнию, чем к щелочным металлам. Наиболее промышленно важные металлы – это калий и натрий. Основные природные соединения этих металлов – поваренная соль (NaCl), мирабилит (Na2SO4·10H2O), сильвинит (NaCl·KCl), сильвин (KCl), ортоклаз (K[AlSiO3]), карналлит (KCl·MgCl2·6H2O). Основные способы получения – электролиз расплавов их солей в смеси с KCl, CaCl2 (натрий) и NaCl (калий). Применяется также восстановление их оксидов, хлоридов, карбонатов алюминием, кремнием, кальцием, магнием при нагревании в вакууме:
6KCl + 4CaO + 2Al(Si) → 6K + 3CaCl2 + CaO·Al2O3(CaO·SiO2)
Химические свойства:
1. С простыми веществами:
1) 2Э + H2→2ЭH
2) 2Э + Hal2 → 2ЭHal
3) 2Э + O2→ Э2O2 (Li2O)
4) 2Э + S → Э2S
5) 6Э + N2 → 2Э3N t
6) 3Э + P → Э3P.
2. Со сложными веществами:
1) 2Э + 2HCl(p) → 2ЭCl + H2
2) 2Э + 2H2O → 2ЭOH + H2
3) 2Э + H2SO2→ Э2SO2 + H2
4) 8Э + 10HNO3 → 8ЭNO3 + NH4NO3 + 3H2O.
Щелочные металлы и их соединения – важнейшие компоненты различных химических производств. Они используются в металлотермическом производстве различных металлов, таких как Ti, Zr, Nb, Ta. Соединения натрия и калия находят применение в мыловарении (Na2CO3), производстве стекла (Na2CO3, K2CO3, Na2SO4, Li2O), используются для отбелки и дезинфекции (Na2O2), в качестве удобрений (KCl, KNO3). Из поваренной соли получают многие важные химические соединения: Na2CO3, NaOH, Cl2.
Калий улучшает водный режим растений, способствует обмену веществ и образованию углеводов, повышает морозо- и засухоустойчивость. Содержание калия выражается в пересчете на К2О. Стандартным считается удобрение, содержащее 41,6% К2О. Важнейшими калийными удобрениями являются хлорид и сульфат калия. Хлорид калия содержит 50-60% К2О и его получают из минералов, используя его особую растворимость. Сульфат калия содержит 45-52% К2О и получается следующим образом:
2KCl + 2MgSO4 → K2SO4·MgSO4 + MgCl2
K2SO4·MgSO4 + 2KCl → 2K2SO4 + MgCl2
К 2А группе относится элементы: бериллий, кальций, стронций, барий, радий. Строение ВЭУ этих элементов выражается общей формулой ns²np°, где n номер периода.
Бериллий, магний, кальций получают в основном электролизом расплавов их хлоридов в смеси с NaCl (Be), KCl (Mg, Ca) и CaF2 (Ca). Применяется также восстановление оксидов и фторидов металлов алюминием, магнием, углеродом, кремнием:
4ЭО + 2Al → ЭО·Al2O3 + 3Э (Э – Ca, Sr, Ba),
BeF2+ Mg → MgF2 + Be,
MgO + C → CO + Mg,
2MgO + 2CaO + Si → 2CaO·SiO2 + 2Mg
Металлы группы 2А – сильные восстановители. Они довольно легко реагируют с большинством неметаллов; уже при обычных условиях интенсивно разлагают воду (кроме Be и Mg); легко растворяются в кислотах; Be реагирует и с кислотами, и со щелочами, образуя аква- и гидроксокомплексы. Химическая активность повышается от Be к Ra. По химическим свойствам Be существенно отличается от остальных элементов группы. Mg также во многих отношениях отличается от щелочноземельных металлов.
Э + H2 → ЭH2 (t; (кроме Be); Mg (p)),
Э + Hal2 → ЭНal2 (t),
2Э + O2 → 2ЭO (t),
Э + S → ЭS (t),
3Э + N2 → Э3N2 (t),
3Э + 2P → Э3P2 (t),
Э + C → ЭC2 (t).
Э + 2HCl → ЭCl2 + H2 ([Вe(OH2)4]Cl2),
Э + H2SO4р → ЭSO4 + H2 ([Ве(OH2)4]SO4]),
Э + 2H2SO4 → ЭSO4 + H2S + H2O (кроме Be),
Be + NaOH → Na2[Be(OH)4],
Э + HNO3p → Э(NO3)2 + N2O + H2O,
Э + HNO3 → Э(NO3)2 + NH4NO3 + H2O.
Важнейшими металлами из данной группы являются магний и кальций. Они широко используются для металлотермического получения ряда металлов; магниевые сплавы, как самые легкие, используются в авиационной промышленности. Различные соединения этих металлов находят различное применение в строительстве, для изготовления огнеупорных изделий, для осушки и очистки ряда веществ и в др. областях.
Магний и кальций важны для всех форм жизни. Главная природная функция магния связана с процессом фотосинтеза в растениях и микроорганизмах. Ионы магния принимают также участие в регулировании действия некоторых ферментов и клеточных систем. Биологические функции кальция разнообразны: он входит в состав опорных и защитных частей организма, его соединения образуют основу твердой части зубной ткани, скорлупы яйца. Ионы кальция содержаться в ряде белков, оказывают существенное влияние на работу ферментных систем, на процессы свертываемости крови, осмотическое равновесие в клетках. Соединение кальция и магния нетоксичны.
Всем известно, что в дождевой воде мыло хорошо пенится, а в криничной – обычно плохо. Поэтому такую воду принято называть жесткой. Анализ жесткой воды показывает, что в ней содержится большое количество растворимых солей кальция и магния. Эти соли образуют с мылом нерастворимые соединения. Такая вода неприменима для охлаждения двигателей внутреннего сгорания и обеспечения паровых котлов, потому что при нагревании жесткой воды на стенках охладительных систем образуется накипь. Накипь плохо проводит тепло, поэтому возможен перегрев моторов, паровых котлов, кроме того, быстрее происходит их снашивание.
Существует два вида жесткости.
Карбонатная, или временная, жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния.Ее можно устранить следующими способами:
1. Кипячением:
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O;
Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O.
2. Действием известкового молока или соды:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3 + 2H2O;
Ca(HCO3)2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaHCO3;
Некарбонатная, или постоянная, жесткость обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов магния и кальция. Ее устраняют действием соды:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4;
MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4.
Карбонатная и некарбонатная жесткости в сумме образуют общую жесткость воды.
В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s22s22p63s23p1. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ - 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al+ 5,99 эВ.
Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl4-, AlH4-, алюмосиликаты), но и 6 (Al2O3,[Al(OH2)6]3+).
Алюминий - типичный амфотерный элемент. Для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс [Al(OH2)6]3+, а в щелочной - анионный гидрокомплекс и [Al(OH)6]3-.
В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см3 (т. пл. 660оС, т. кип. ~2500оС). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3, K2Cr2O7) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.