ТОК на аноде на катоде 9 страница

Са(НСO₃) = СаСO₃¯ + СO₂↑ + Н₂O

При этом образуется осадок (накипь) - труднорастворимая соль карбонат кальция (или магния), и содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде снижается, т.е. жесткость воды уменьшается. Временную жесткость называют также карбонатной жесткостью.

Наличие в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния обуславливает постоянную жесткость воды. Эти соли не выделяются в осадок при кипячении, и для их устранения необходимо проводить специальную химическую очистку воды.

Для устранения жесткости применяют два метода: осаждение и ионный обмен.

Для осаждения ионов Са²⁺ и Mg²⁺ наиболее широко применяют соду Nа₂СО₃, известь Са(ОН)₃, фосфат натрия Na₃PO₄ и др.

Для устранения временной жесткости методов осаждения используют известковый, натронный и содовый методы:

Са(НСO₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСO₃¯ +H₂O

Са²⁺ + 2НСO₃^- + Са²⁺ + 2OН^- = 2СаСO₃¯ + 2Н₂O

Mg(HCO₃)₂ + 2Са(ОН)₂= 2СаСО_э↓ + Mg(OH)₂¯ + 2Н₂O известковый метод

Mg²⁺ + 2НСO₃^- + 2Са²⁺ + 4OН^- = 2СаСO₃¯ + Mg(OH)₂¯ + 2Н₂O

Са(НСO₃)₂ + 2NaOH = СаСO₃¯ + Na₂CO₃ + 2Н₂O
Са²⁺ + 2НСO₃^- + 2OН^- = СаСO₃¯ + СO₃^2- + 2Н₂O натронный метод

Mg(HCO₃)₂ + 2NaOH = MgCO₃¯ + Na₂CO₃ + 2Н₂O

Mg²⁺ + 2HCO₃^- + 2OH^- = MgCO₃¯ + СО₃^2- + 2Н₂O

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃¯+ 2NaHCO₃

Са²⁺ + СO₃^2- = СаСО₃¯ содовый метод

Mg(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃¯ + 2NaHCO₃

Mg²⁺ + CO₃^2- = MgCO₃¯

Для устранения постоянной жесткости используют содовый и фосфатный методы

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃¯ + Na₂SO₄

Са²⁺ + СO₃^2- = СаСO₃¯ содовый метод

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃¯ + Na₂SO₄

Mg²⁺ + CO₃^2- = MgCO₃¯

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂¯ + 3Na₂SO₄

3Ca²⁺ + 2PO₄^3- = Ca₃(PO₄)₂¯ фосфатный метод

3MgSO₄ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂¯ + 3Na₂SO₄

3Mg²⁺ + 2PO₄^3- = Mg₃(PO₄)₂ ¯

В последнее время для очистки воды стаи широко применять иониты. Ионитами называются неплавкие и нерастворимые вещества, которые содержат в своей структуре функциональные группы кислотного и основного характера, способные обмениваться на ионы веществ, растворенных в воде. В зависимости от характера функциональных групп иониты могут обмениваться катионами или анионами. Первые называются катионитами (Hkt), вторые - анионитами (АnОН). При прохождении воды через катион в Н-форме ионы кальция и магния обмениваются на ионы водороды, а вода становится кислой:

CaSO₄ + 2Hkt Ca(kt)₂ + H₂SO₄

Такую воду нельзя применять для технических целей, т.к. она будет растворять трубы, поэтому далее эту воду пропускают через анион в ОН-форме:

H₂SO₄ + 2AnOH (An)₂SO₄ + 2H₂O

После такой последовательной очистки получается обессоленная практически нейтральная вода, которую широко применяют в технике и быту. При ионитной очистке удаляются также все остальные соли, что делает воду более пригодной для различных целей.

В случае применения ионитной очистки воды пользуются также катионитами в натриевой форме (NaKt). При пропускании воды через такие катиониты ионы кальция и магния обмениваются на ионы натрия, и вода от них очищается.

5. Биологическая роль s-элементов II А-группы. Их применение в медицине.

Бериллий находится в растениях и в организме животных ≈ 10^-7%, т.е. является примесным ультрамикроэлементом. Биологическая роль бериллия изучена недостаточно. Соединения бериллия вызывают заболевания - бериллиевый рахит, бериллиоз.

Магний - общее содержание в организме 0,027%. Концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани; накапливается также в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце. Магний является внутриклеточным катионом. Входит в состав ферментативных систем.

Кальций относится к макроэлементам. Общее содержание в организме 1,4%. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях. Кальций выступает в качестве строительного материала в организме.

Стронций - примесный микроэлемент. Концентрируется в костях, частично замещая кальций. Важная роль в процессах костеобразования (остеогенеза). Определение содержания стронция в плазме и эритроцитах используют для диагностики и прогнозирования заболеваний лейкозом.

Барий также является примесным микроэлементом. Концентрируется преимущественно в сетчатке глаза. Биологическая роль не выяснена. Ионы бария являются токсичными для организма.

Многие соли кальция и магния находят применение в медицине. Антацидным и легким слабительным действием обладает магний карбонат основной Mg(OH)₂ • 4MgCO₃ · H₂O - белая магнезия; магний сульфат (горькая соль) MgSO₄ • 7Н₂O оказывает успокаивающее действие на ЦНС. В качестве адсорбирующего и обволакивающего средства применяют тальк - 2MgSiO₂ • Mg(HSiO₃)₂.

Антацидными и адсорбирующим действием обладает кальций карбонат СаСО₃. Его назначают внутрь при повышенной кислотности желудка; кальций сульфат (жженый гипс) CaSO₄ • 1/2Н₂O применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах, а также в качестве слепочного материала при протезировании зубов. Находит применение в медицине и радиоактивный изотоп ⁴⁵Са. С помощью этого изотопа были изучены процессы всасывания и распределения кальция в организме, отложения его в костях и выведение при нормальной жизнедеятельности организма и различных патологиях.

В медицине применяют барий сульфат, который не подвергается гидролизу и не растворяется в соляной кислоте желудочного сока. Применяют эту соль для рентгеновской диагностики заболеваний пищеварительного тракта в качестве контрастного вещества, т.к. BaSО₄ сильно поглощает рентгеновские лучи.

Вопросы для самоконтроля:

1. У каких металлов главной подгруппы II группы металлические свойства выражены в наибольшей степени?

2. С какими из следующих веществ будет взаимодействовать магний: Н₂, Н₂O, F₂, H₃PO₄, КОН, NaNO₃?

3. При помощи, каких реакций можно осуществить следующий цикл превращений: Ва → ВаС1₂→ Ва → Ва(ОН)₂→ BaSO₄ → Ba(HSO₃)₂.

4. Определите массовую долю (%) раствора, полученного при взаимодействии 4 г кальция с 20 мл воды.

5. Определите массовую долю (%) кальция в доломите по формуле СаСO₃ • MgCO₃.

6. Как получить Са(ОН)₂ имея в наличии Н₂O, ВаС1₂, Са, СаО?

7. При помощи, каких реакций можно осуществить следующий цикл превращений: СаСO₃ → СаС1₂ → Ca(NO₃)₂→ Са₃(РO₄)₂ → Са(Н₂РO₄)₂.

8. Как меняется восстановительная активность в ряду Be - Ra?

9. Объясните, почему рентгеноконтрастное вещество BaSO₄ принимают внутрь при рентгеновской диагностике без опасений?

10. Какие существуют способы устранения жесткости воды?

Лекция № 26.

Тема: Общая характеристика элементов I группы главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Щелочные металлы.

План

1. Общая характеристика s-элементов I А подгруппы.

2. Нахождение в природе, получение и физические свойства щелочных металлов (на примере натрия и калия).

3. Химические свойства щелочных металлов.

4. Соединение натрия и калия.

5. Биологическая роль s-элементов I А группы, их применение в медицине.

1. Общая характеристика s-элементов I А подгруппы.

В I А-группу входят s-элементы - щелочные металлы, исключительно важные для нормальной жизнедеятельности животных и человека. Наибольшее значение для живых организмов имеют макроэлементы натрии и калии.

Электронная формула валентной оболочки атомов щелочных металлов ns¹, т.е. атомы этих элементов имеют по одному валентному электрону на s-подуровне внешнего энергетического уровня. Соответственно, устойчивая степень окисления щелочных металлов равна +1.

Все элементы I A - группы очень сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только валентной электронной оболочки, но и предвнешней (за исключением лития).

С ростом радиуса атома в группе Li - Na - К - Rb – Сs - Fr ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, в этом ряду энергия ионизации атомов щелочных металлов уменьшается. Имея на валентных оболочках один электрон, расположенный на большом расстоянии от ядра, атомы щелочных металлов легко отдают электрон. Это обусловливает низкую энергию ионизации. В результате ионизации образуются катионы Э⁺, имеющие устойчивую электронную конфигурацию атомов благородных газов.

520 496 419 403 375

155 189 236 248 268 280

Все щелочные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Это характеризует их как очень сильные восстановители. По химической активности литий уступает многим металлам, что обусловлено большею энергией гидратации ионов Li по сравнению с ионами других щелочных металлов.

Вследствие незначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура, большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочных металлов, особенно - для ионов К⁺, Rb⁺, Cs⁺, Fr⁺ малохарактерно.

Несмотря на общность свойств, натрий и в особенности литий отличаются от других щелочных металлов, что обусловлено существенным различием радиусов их атомов и строения электронных оболочек.

Сходство электронного строения ионов, физико-химических свойств соединений определяет близость действия щелочных металлов на биологические процессы. Но в то же время различия в электронной структуре обусловливают их разную биологическую роль. Натрий и литий накапливаются во внеклеточной жидкости, а калий, рубидий и цезий - во внутриклеточной. В следствие близких значений радиусов ионов, энергий ионизации, одинаковых координационных чисел в живых организмах натрий и литий ведут себя сходным образом - очень похожи по ферментоактивирующим свойствам. Близость свойства натрия и лития обусловливает их взаимозамещаемость в организме.

Рубидий и цезий близки по физико-химическим свойствам к иону калия, поэтому в живых организмах они ведут себя сходным образом. В изученных системах калий, рубидий и цезий являются синергистами, а с литием -

антагонистами. На сходстве рубидия и калия основано введение в организм солей калия при отравлении солями рубидия.

Натрий и калий, как правило, являются антагонистами, но в ряде случаев близость многих физико-химических свойств обусловливает их взаимозамещение в живых организмах. Например, при увеличении количества натрия в организме усиливается выведение калия почками, т.е. наступает гипокалиемия.

2. Нахождение в природе, получение и физические свойства щелочных металлов (на примере натрия и калия).

В природе Na и К в свободном виде не встречаются. Они входят в состав различных минералов: силикатов, хлоридов, нитратов, сульфатов.

К самым важным соединениям натрия относятся NaCl (поваренная или каменная соль), NaNCО₃ (натриевая или чилийская селитра), Nа₂СО₃ (сода), Na₂B₄O₇· 10Н₂О (бура).

Соединения калия менее распространены, чем соединения натрия. Наиболее важные минералы калия: сильвин КCl, карналлит KCl·MgCl₂ • 10Н₂О, калийная селитра KNO₃, алюмокалиевые квасцы KA1(SO₄)₂, сильвинит КС1 • NaCl. Присутствует калий в золе некоторых растений в виде карбоната К₂СО₃ (поташ).

Получение: для выделения щелочных металлов из их соединений (хлоридов или щелочей) используют электролиз расплавов. При электролизе хлорида

натрия на катоде выделяются металлический натрий, а на аноде - хлор:

700 С

NaCl Na⁺ + C1^-

расплав

катод (-): Na⁺ + ē Na°

анод (+): 2Сl^- - 2ē С1₂° 2 NaCl = 2Na + Cl₂↑

При электролизе расплава NaOH на катоде осаждается металлический натрий, а на аноде выделяется кислород. Чтобы щелочной металл не взаимодействовал с кислородом, катодное пространство отделено от анодного сеткой из стали.

Калий в промышленности получают из расплава по обменным реакциям

между металлическим натрием и КОН или КСl:

t⁰

KOH + Na NaOH + K

t⁰

KCl + Na NaCl + K

Калий и натрий - серебристо-белые металлы (на свежем срезе), мягкие (легко режутся ножом), легкоплавкие; хорошо проводят электрический ток; пары натрия окрашивают пламя горелки в желтый цвет; калия - в фиолетовый.

3. Химические свойства щелочных металлов.

Атомы натрия и калия легко отдают электроны, являются сильными восстановителями. Химические реакции с их участием идут очень легко, сопровождаются иногда горением и взрывом. Металлический натрий и калий взаимодействуют со многими неметаллами: очень активны по отношению к кислороду, галогенам, сере фосфору. Калий инертен по отношению к азоту, кремнию, бору.

При взаимодействии этих металлов с кислородом воздуха образуется:

горение: 2Na + O₂= Na₂O₂ пероксид натрия

медленное окисление: 4Na + O₂ = 2Na₂O оксид натрия;

с галогенами:

горение: 2Na + Cl₂ = 2NaCl хлорид натрия

взрыв: 2Na + F₂ = 2NaF фторид натрия;

с серою: 2Na + S = Na₂S сульфид натрия;

_t⁰

с азотом: 6Na + N₂ = 2Na₃N нитрид натрия;

с фосфором: 3Na + Р = Na₃P фосфсид натрия;

₄₀₀⁰

с водородом: 2 Na + Н₂ = 2NaH гидрид натрия, в гидридах водород электроотрицателен.

Натрий и калий бурно взаимодействует с холодной водой, вытесняя водород. Реакция идет с большим выделением теплоты. Выделившийся водород воспламеняется. С калием эта реакция протекает энергичнее:

2Na + 2Н₂O = 2NaOH + H₂↑

2К + 2Н₂O = 2КOН + Н₂↑

Натрий и калий вытесняют водород из кислот - неокислителей (НСl, Н₃РO₄, H₂SO₄ - разбавленная)

2Na + 2HC1 = 2NaCl + Н₂↑, реакция протекает в две стадии:

2Na + H₂O = H₂↑ + 2NaOH

2NaOH + 2НС1 = 2NaCl + 2Н₂O

При взаимодействии с кислотами-окислителями водород не выделяется:

5H₂SO₄(koh.) + 8Na = 4Na₂SO₄ + H₂S + 4H₂O

10НNO₃(конц.) + 8К = 8KNO₃ + N₂O + 5Н₂O

9НNO₃(разб.) + 8Na = 8NaNO₃ + NH₃ + 3H₂O

Натрий и калий используются как теплоносители в ядерных энергетических установках; натрий в сплаве со свинцом применяется для изготовления подшипников; в металлургии натрий служит восстановителем для получения редких металлов (Та, Zn) методом металлотермии; как катализатор в органическом синтезе; основное применение металлического калия - приготовление пероксидов, служащих для регенерации кислорода (в подводных лодках).

4. Соединение натрия и калия.

Оксид щелочных металлов Мe₂O получают только при нагревании соответствующего пероксида, щелочи, нитрата или нитрита с металлом:

Na₂O₂ + 2Na 2Na₂O

Оксиды щелочных металлов - твердые вещества, хорошо растворимые в воде. По химическим свойствам - типичные основные оксиды:

К₂O + Н₂O = 2КОН

Na₂O + СO₂ =Na₂CO₃

Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + Н₂O

Оксиды калия и натрия практического значения не имеют. Пероксиды имеют практическое значение, которое используется в системах жизнеобеспечения подводных лодок:

2Na₂O₂+ 2СO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

2К₂O₄ + 2СO₂ = 2К₂СO₃ + 3O₂

Пероксиды используются также при отбеливании тканей.

Гидроксиды натрия и калия – белые, непрозрачные, твердые кристаллические вещества очень прочные, не разлагаются при плавлении.

В лаборатории щелочи натрия и калия получают действием воды на эти металлы или на их оксиды:

2Na + 2Н₂O = 2NaOH + Н₂↑

К₂O + Н₂O = 2КОН

В промышленности получают химическим методом: на разбавленный раствор карбоната натрия действуют гидроксидом кальция:

Na₂CO₃ + Са(ОН)₂ = 2NaOH + СаСO₃,

эта реакция называется реакцией каустификации, поэтому NaOH называют каустической содой; затем нерастворимы карбонат кальция отфильтровывают, а водный раствор NaOH упаривают без доступа воздуха.

Электрохимический метод основан на электролизе насыщенных водных растворов хлоридов щелочных металлов:

2КС1 + 2Н₂O = 2КОН + Н₂↑+ С1₂↑

КОН и NaOH - сильные основания, нацело диссоциирующие в расплаве и растворе, имеют все свойства оснований:

2NaOH + SO₃ = Na₂SO₄ + H₂O

NaOH + SO₃ = NaHSO₄

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O

2NaOH + CuCl₂ - Cu(OH)₂¯ + 2NaCl

Щелочь взаимодействует с галогенами (хлором, бромом, йодом):

на холоду

2КОН + С1₂ КСlO + КС1 + Н₂O

_t⁰

6КОН + 3С1₂ КСlO₃ + 5КС1 + 3Н₂O

В щелочах растворяются некоторые металлы (Zn, Al, Sn, Cr):

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂↑

2Cr + 2NaOH + 2H₂O = 2NaCrO₂ + 3H₂↑

С раствором NaOH оксид углерода (II) образует соль муравьиной кислоты - формиат натрия:

NaOH + СО HCOONa

Хранят NaOH и КОН в закрытых сосудах, т.к. они легко вступают во взаимодействие с оксидом углерода (IV), который находится в воздухе:

2NaOH + 2СO₂ = Na₂CO₃ + Н₂O

Каустическая сода (NaOH) необходима для производства искусственных волокон, в кожевенной, текстильной промышленности; используется для омыления жиров, очистки нефтепродуктов; в щелочных аккумуляторах. КОН необходим для производства жидкого мыла.

Применение солей натрия и калия:

NaCl - (хлорид натрия) используют для производства соды, хлора, соляной кислоты, водорода; в текстильной промышленности; в металлургических процессах; в пищевой промышленности;

NaNO₃ - (нитрат натрия) - азотное удобрение;

Na₂CO₃ - (кальцинированная сода) - в керамической, стекольной, цементной, бумажной, текстильной, мыловаренной промышленности, в медицине Na₂S0₄ - (сульфат натрия) - применяется для обработки хлопчатобумажных тканей, в производстве соды, стекла, в медицине;

КСl - (хлорид калия) - применяется для получения соединений калия (КОН, K₂CO₃, K₂SO₄ и др.)

К₂СO₃ - (карбонат калия) применяется в стекольной промышленности;

KNO₃ - (нитрат калия) применяется как удобрение, в производстве стекла, для приготовления черного пороха.

5. Биологическая роль s-элементов I А группы, их применение в медицине.

По содержанию в организме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, а остальные щелочные металлы (Li, Rb, Cs) - к микроэлементам.

Литий. Содержание лития в организме человека около 70 мг. Концентрируется в печени, почках, селезенке, легких, крови, молоке. Максимальное количество - в мышцах, Биологическая роль литии как микроэлемента до конца невыяснена. Доказано, что на уровне клеточных мембран ионы лития конкурируют с ионами натрия при проникновении в клетки, что связано с большей ковалентностью соединений лития, вследствие чего они лучше растворяются в фосфолипидах.

Натрий. 44% натрия находится во внеклеточной жидкости и 9% - во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани, является местом депонирования иона Na⁺ в организме. Около 40% натрия, содержащегося в костной ткани участвует в обменных процессах, что способствует поддержанию постоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости.

Ионы натрия обеспечивают постоянство внутренней среды организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости (осмотического гомеостаза). В виде противоионов в соединениях с фосфорной кислотой (фосфатная буферная система Na₂HPO₄ + NaH₂PO₄) и органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма. Ионы натрия участвуют регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов. В месте с ионами калия, магния, кальция, хлора ион натрия участвует в передачи нервных импульсов и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток. При изменении содержании натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц. Натрий хлорид служит основным источником соляной кислоты для желудочного сока.

Изотонический раствор NaCl (0,9%) для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикациях; применяют для промывания для глаз; ран, слизистой оболочки носа, а также для растворения лекарственных препаратов.

Гипертонические растворы NaCl (3 - 5 - 10%) применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран (антимикробное действие); 2 - 5% раствор - для промывания желудка при отравлении AgNO₃, который превращается в нетоксичный хлорид серебра: Ag⁺ (р) + Сl^-(р) = AgCl(тв.)

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ используют при заболеваниях сопровождающихся ацидозом. Механизм снижения кислотности -взаимодействия гидрокарбоната с кислыми подгруппами и выведение образующихся солей с мочой и выведения диоксида углерода с выдыхаемым воздухом. Используют также NaHCO₃ при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, где протекает реакция нейтрализации:

NaHCO₃ + HC1 = NaCl + Н₂O + СO₂

Растворы NаНСО₃ применяют в виде полосканий; промываний глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей - антисептическое действие (водят раствор NаНСО₃ проявляет слабо щелочные свойства, происходит осаждение белков и вследствие этого гибель микроорганизмов).

Натрий сульфат (глауберова соль) Na₂SO₄ • 10Н₂О - применяют в качестве слабительного средства (соль медленно всасывается из кишечника; в результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращение кишечника усиливается, происходит освобождение кишечника).

Натрий тетраборат Na₂B₄O₇ · 10Н₂О - антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний.

Радиоактивный изотоп ²⁴Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, а также используется для лечения некоторых форм лейкемии.

Калий. Основной внутриклеточный катион. 98% находится внутри клеток, 2% - во внеклеточной жидкости. Топография калия - печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д. Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах - сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях; важнейший активатор ферментов, находящихся внутри клетки.

Калий в большинстве случаев антогонист натрия. Ионы натрия и калия принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа