S-prvky – maturitní otázka

 

Otázka: S-prvky

Předmět: Chemie

Přidal(a): Petr498

 

Charakteristika 

• Nízká ionizační energie, velké atomové poloměry
• Snadno uvolňují elektrony za vzniku kationtů
  • s¹-prvky: M⁰ → M⁺ + e⁻
  • s²-prvky: M⁰ → M²⁺ + 2 e⁻
• Velmi reaktivní, silná redukční činidla
• V přírodě se vyskytují jen jako kationty ve sloučeninách

 

Prvky s¹

• Lithium Li, sodík Na, draslík K, rubidium Rb, cesium Cs, francium Fr (radioaktivní) – Prvky první skupiny
• Obecná elektronová konfigurace: ns1 (1 valenční elektron)
• =Alkalické kovy, s vodou tvoří silné hydroxidy neboli alkálie
• Ve svých sloučeninách mají vždy oxidační číslo I

 

Výskyt 

• Jen ve sloučeninách
• Sodík: kamenná sůl NaCl, Glauberova sůl Na2SO4 . 10 H2O, chilský ledek NaNO3 – Draslík: draselný ledek KNO3, sylvín KCl
• Sloučeniny cesia a rubidia doprovází v malém množství sloučeniny draslíku a sodíku – Sodík a draslík: biogenní prvky
  • Sodík: extracelulární prostor
  • Draslík: uvnitř buněk
  • Udržení osmotického tlaku tekutin, acidobazické rovnováhy
  • Umožňují svalovou a nervovou aktivitu

 

Vlastnosti a reakce 

• Měkké, stříbrolesklé, neušlechtilé kovy s malou hustotou (plavou na vodě) – Na vzduchu snadno oxidují a pokrývají se vrstvou oxidačních produktů
• Uskladňují se pod inertním rozpouštědlem (petrolej)
• Velmi dobře vedou elektrický proud
• Ve sloučeninách mají převážně iontové vazby kvůli nízké elektronegativitě (sloučeniny lithia  mohou mít kovalentní charakter, jsou rozpustné v nepolárních organických rozpouštědlech) – Velmi reaktivní, silné redukční schopnosti
• S vodou reagují bouřlivě a redukují z ní vodík: 2 M + 2 H2O → 2 MOH + H2 – Redukují polokovy a kovy z jejich sloučenin: SiF4 + 4 K → Si + 4 KF
• Snadno redukují i nekovy (někdy mají explozivní charakter)
• S vodíkem tvoří hydridy, v nichž jsou vázány iontově: 2 M + H2 → 2 M+H− – Při hoření vzniká z lithia oxid, ze sodíku peroxid, z ostatních alkalických kovů hyperoxidy –
• Charakteristiky barví plamen
  • Plamenová zkouška
  • Lithium: červená
  • Sodík: žlutá
  • Draslík: fialová
  • Rubidium a cesium: podobně jako draslík

 

Výroba 

• Sodík a lithium se vyrábí elektrolýzou tavenin svých chloridů
• Draslík se vyrábí redukcí KCl sodíkem a následnou destilací draslíku ze směsi

 

Použití 

• Lithium 
  • Lithiové baterie, akumulátory (zejména elektromobily a automobily s hybridními motory) – Součást lehkých slitin
• Volný draslík
  • Kvůli nestálosti nemá přímé využití
• Sodík
  • Materiál odvádějící teplo v jaderné energetice (nízká teplota tání, nepodléhá radioaktivní  přeměně na nebezpečné beta nebo gama zářiče s dlouhým poločase rozpadu) – Sodíkové výbojky
• Rubidium, cesium
  • Nízký ionizační potenciál
  • Výroba fotočlánků (přeměna světelné energie na elektrickou)
• Cesium
  • Stabilní
  • Součást velmi přesných atomových hodin
  • Výroba citlivé vrstvy fotoelektrických článků do přístrojů pro noční vidění

 

Sloučeniny 

• Hydridy 
  • Iontové hydridy
  • Bílé, krystalické látky (za normálních podmínek)
  • Jejich stálost se snižuje od LiH k CsH
  • V roztaveném stavu vedou elektrický proud
  • Ve vodě se zcela hydrolyzují: NaH + H2O → NaOH + H2
  • Připravují se syntézou prvků: 2 M + H2 → 2 MH
• Peroxidy, hyperoxidy 
  • Hořením sodíku vzniká peroxid, hořením ostatních prvků hyperoxidy
• Peroxid sodný Na2O2
  • Bělící účinky
  • Silné oxidační účinky
  • Některé organické látky s ním reagují za výbuchu
    • Reakce s vodou se využívá k výrobě peroxidu vodíku: Na2O2 + 2 H2O → 2 NaOH + H2O2
• Hyperoxidy
  • Barevné (např. draselný je žlutý, rubidný je tmavohnědý)
• Halogenidy
  • Bezbarvé, krystalické látky, iontový charakter
  • Dobře rozpustné ve vodě
• Chlorid sodný NaCl
  • Využití v průmyslu potravinářském, konzervárenském a chemickém
• Chlorid draselný KCl
  • Součást draselných hnojiv
• Bromid draselný KBr, jodid draselný KI
  • Laboratorní činidla
• Sulfidy
  • Připravují se přímou syntézou
  • Dobře rozpustné ve vodě, hydrolyzují, v roztocích reagují alkalicky
  • Vzdušným kyslíkem se snadno oxidují na thiosírany
• Hydroxidy
  • Bílé, krystalické látky, snadno rozpustné ve vodě na roztoky silných zásad – Hygroskopické, leptavé (leptají i sklo a porcelán), snadno tavitelné
  • Velmi agresivní, silně korozivní
  • Výroba mýdel, celulózy, oxidu hlinitého z bauxitu, k čištění ropných produktů, laboratorní  využití
• Hydroxid sodný NaOH
  • Vyrábí se elektrolýzou NaCl
    • Metodou amalgámovou
      • Na+ se slučuje na rtuťové katodě se rtutí na amalgám, který se v odděleném  prostoru rozkládá teplou vodou na hydroxid, vodík a rtuť (ta se čerpá zpět do  elektrolyzéru)
      • Na grafitové anodě se vylučuje chlor
    • Metodou diagramovou
      • Na grafitové anodě se vylučuje chlor
      • Na katodě se vylučuje vodík
        • Mezi elektrodami je diagramovou (polopropustnou) přepážkou, která zamezuje vzájemné reakci iontů
      • Oba plyny se odděleně jímají
      • V roztoku zůstávají pouze sodné a hydroxidové ionty
• Uhličitany, hydrogenuhličitany
  • Bílé, krystalické látky, většinou dobře rozpustné ve vodě (kromě hydrogenuhličitanu  sodného, uhličitanu lithného a hydrogenuhličitanu lithného)
  • Hydrogenuhličitany se při žíhání mění na uhličitany
  • Známe jako bezvodé i v podobě hydrátů
• Uhličitan sodná Na2CO3
  • Soda se vyrábí solvayovou metodou
    • Roztok NaCl se sytí amoniakem a oxidem uhličitým, čímž vzniká nerozpustný  hydrogenuhličitan sodný: NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl
    • Hydrogenuhličitan se po odfiltrování termicky rozkládá na uhličitan
      • 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
  • Spolu s uhličitanem draselným (potaš) se používá k výrobě skla a pracích prostředků
• Dusičnany
  • Bezbarvé, krystalické látky, dobře rozpustné ve vodě, dobře tavitelné
  • Při vyšších teplotách se rozkládají na dusitany
  • Chilský ledek (dusičnan sodný) a draselný ledek (sanytr, dusičnan draselný) se používají jako  průmyslová hnojiva
• Sírany, hydrogensírany
  • Bezbarvé, krystalické látky, dobře rozpustné ve vodě
  • Síran draselný se používá jako hnojivo

 

Prvky s2 

• Beryllium, hořčík, vápník, stroncium, baryum, radium
• Prvky druhé skupiny
• Ca, Sr, Ba, Ra se označují jako kovy alkalických zemin
• Obecná elektronová konfigurace ns2 (2 valenční elektrony)
• Ve svých sloučeninách mají vždy oxidační číslo II
• Všechny izotopy radia jsou radioaktivní

 

Výskyt 

• Pouze ve sloučeninách
• Beryllium: beryl (hlinitokřemičitan), jeho odrůdou je například smaragd
• Hořčík: magnezit MgCO3, dolomit CaCO3 . MgCO3, součást chlorofylu
• Vápník: vápenec CaCO3, sádrovec CaSO4 . 2 H2O, anhydrit CaSO4, kazivec (fluorit) CaF2,  součást kostí a zubů jako fosforečnan vápenatý
• Stroncium: celestin SrSO4
• Baryum: baryt BaSO4
• Radium: nepatrná součást smolince (oxid uraničitý)
• Vápník a hořčík jsou biogenní prvky

 

Vlastnosti a reakce 

• Stříbrolesklé, neušlechtilé kovy
• Tvrdší, méně reaktivní, větší hustota v porovnání s alkalickými kovy
• Kovy alkalických zemin reagují s vodou stejně jako alkalické kovy (jen trochu pomaleji), tvoří  převážně iontové vazby
  • Rozpustné soli stroncia a barya jsou jedovaté
  • Beryllium a hořčík se svými vlastnostmi od ostatních kovů alkalických zemin liší – Beryllium: svými vlastnostmi se podobá hliníku (diagonální podobnost), tvoří  převážně kovalentní vazby, je amfoterní (rozpustné v kyselinách i v zásadách), na  vzduchu se pokrývá vrstvou oxidu a v důsledku vysoké ionizační energie netvoří ionty – Hořčík: podobá se lithiu (diagonální podobnost), kationty hořečnaté jsou schopny  samostatné existence, ve sloučeninách je převážně vázán kovalentními vazbami – Charakteristicky barví plamen
  • Vápník (cihlově červeně), stroncium (karmínově červeně), barum (zeleně)

 

Porovnání s2 prvků s alkalickými kovy 

• Menší atomový poloměr
• Dvojnásobný počet valenčních elektronů
• Vyšší ionizační energie

 

Výroba 

• Elektrolýza tavenin chloridů (nejčastější)
• Redukce příslušných halogenidů sodíkem: CaCl2 + 2 Na → 2 NaCl + Ca

 

Použití 

• Beryllium 
  • Slitiny (charakteristická tepelná a elektrická vodivost, vysokou tvrdost a odolnost proti korozi) – Kovové beryllium se využívá k výrobě okének do RTG lamp (má schopnost propouštět  rentgenové záření)
• Hořčík 
  • Slitiny (např. dural Mg+Al+Cu+Mn), výroba Grignardových činidel
  • Chemicky odolný, dá se snadno povrchově upravovat a barvit (eloxovat), nevýhodou je malá  schopnost tlumit otřesy
• Vápník 
  • Speciální slitiny, metalurgie
  • Redukční výroba (silné redukční vlastnosti) jiných kovů (např. Pu, U, Zr, W)
• Baryum 
  • Absorbuje rentgenové záření (má poměrně velké atomy)
  • Výroba omítek používaných na rentgenových pracovištích (ochrana zaměstnanců  před rentgenovým zářením
  • Baryová kaše (suspenze síranu barnatého ve vodě, BaSO4 není rozpustný ve vodě) – Rentgenové vyšetření trávicí trubice, může způsobovat zánět slepého střeva
• Radium 
  • Dříve se používalo k ozařování zhoubných nádorů a k výrobě světélkující barvy (nátěr na  některé součástky v hodinkách), vzhledem k toxicitě pro lidský organismus se už téměř  nepoužívá

 

Sloučeniny 

• Hydridy
  • Bílé krystalické látky s iontovými vazbami, s vodou bouřlivě reagují za vzniku vodíku
• Hydrid vápenatý CaH2
  • Silné redukční činidlo, sušící prostředek organických rozpouštědel
• Oxidy
  • Bílé krystalické látky s iontovými vazbami
• Oxid vápenatý CaO (pálené vápno)
  • Vyrábí se pálením vápence: CaCO3 → CaO + CO2
  • Používá se ve stavebnictví, hutnictví, při úpravě vody (změkčuje vodu a snižuje její kyselost),  snižuje kyselost půd, jako přídavná látka E 539 se používá k úpravě kyselosti potravin (např.  výroba ovocných šťáv)
• Hydroxidy
  • Silné zásady, ve vodě omezeně rozpustné, pohlcují oxid uhličitý
  • Jejich zásaditost roste s rostoucím protonovým číslem
• Hydroxid Vápenatý Ca(OH)2 (hašené vápno)
  • Vzniká hašením páleného vápna (jeho reakcí s vodou)
  • Používá se ve stavebnictví k výrobě malty (směs vody písku a hašeného vápna), v zubním  lékařství jako provizorní vložka do kořenových kanálků
  • Vápenné mléko: vodní suspenze hašeného vápna
  • Tvrdnutí malty: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
  • Reakce hašeného vápna s oxidem uhličitým
• Halogenidy
  • Fluoridy jsou ve vodě nerozpustné, ostatní jsou rozpustné
• Kazivec CaF2
  • Používá se v metalurgii a v optice k výrobě skel do objektivů
  • Surovina pro výrobu fluorovodíku
• Karbidy
  • Vznikají přímou syntézou prvků při vyšších teplotách
  • Iontové sloučeniny
• Karbid vápenatý CaC2 (acetylid vápenatý)
  • Vyrábí se v elektrických pecích
  • Používá se k výrobě acetylenu
  • Na přelomu 19. a 20. století se využívali karbidové (acetylenové) svítilny
• Uhličitany, hydrogenuhličitany
  • Uhličitany jsou pevné ve vodě nerozpustné
  • Hydrogenuhličitany Ca(HCO3)2 a Mg(HCO3)2 způsobují přechodnou tvrdost vody
• Uhličitan vápenatý CaCO3 (vápenec)
  • Používá se jako stavební kámen, k výrobě vápna a cementu
  • Islandský vápenec: čistý vápenec, které stáčí polarizované světlo
  • Mramor
    • Metamorfovaný (krystalický) vápenec
    • Obklady, dlažby, sochařský a dekorační materiál
  • Krasové jevy (vznik krápníků)
    • CO2 + H2O → H2CO3; CaCO3 + H2CO3 ⇌ Ca(HCO3)2
• Sírany
  • Sírany alkalických kovů jsou ve vodě nerozpustné (na rozdíl od MgSO4)
  • CaSO4 způsobuje trvalou tvrdost vody
• Sádrovec CaSO4 . 2 H2O
  • Slouží jako přísada do cementu
  • Jeho zahřátím na 100 stupňů vzniká pálená sádra (CaSO4 . ½ H2O)
    • Sádra se používá pro výrobu sádrokartonových desek, vnitřních omítek,   samonivelačních podlahových potěrů, v lékařství k výrobě sádrových obvazů, modelů  zubů
  • Alabastr
    • Jemně zrnitá až celistvá odrůda sádrovce
    • Používá se v sochařství
  • CaSO4 způsobuje trvalou tvrdost vody