4.2: Групи пов'язаних елементів

Макроскопічний, описовий підхід до хімічних знань призвів до великої кількості фактичної інформації. На даний момент понад 100 мільйонів хімічних сполук та їх властивості знаходяться у службі хімічних рефератів Американського хімічного товариства ^[1]. Той, хто хоче інформацію про ці речовини, може шукати його, хоча на практиці це допомагає мати комп'ютер робити дивлячись! Навіть з пам'яттю комп'ютера важко відстежувати стільки фактів - жодна людина не може запам'ятати більше, ніж частка від загальної кількості.

На щастя, ці мільйони фактів взаємопов'язані різними способами, і відносини корисні для запам'ятовування фактів. Щоб проілюструвати цей момент, ми представимо частину описової хімії близько 20 елементів. Хоча кожен елемент має унікальні фізико-хімічні властивості, буде очевидно, що певні групи елементів тісно пов'язані між собою. Члени кожної групи більше схожі один на одного, ніж будь-які члени іншої групи. Через таку близьку взаємозв'язок цим колекціям елементів було присвоєно особливу назву. Також можна написати загальні рівняння, які застосовуються до всіх членів сімейства елементів. Практичний лабораторний досвід роботи з одним членом дає досить точну вказівку на те, як будуть вести себе кожен з інших.

Через їх схожість літій, натрій, калій, рубідій і цезій групуються разом і називаються лужними металами. Що ми маємо на увазі, коли говоримо, що ці елементи схожі? Наступне відео про реакцію літію, натрію та калію у воді досить добре демонструє подібність.

У відео кожен метал додається в посуд, що містить воду. Всі три метали вступають в реакцію з водою, пролітаючи над поверхнею, оскільки утворюється Н ₂ (хоча і з різною швидкістю). LiOH, NaOH та KOH, кожен виробляється відповідно. Дані гідроксиди свідчать завдяки використанню індикатора фенолфталеїну, який стає рожевим в присутності ОН ^- іонів. У той час як реакційна здатність кожного металу відрізняється (калій явно більш реактивний з водою, ніж натрій, який є більш реактивним, ніж літій), всі три проходять однакову реакцію. Три реакції:

\[ 2 \text{Li} (s) + 2 \text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{LiOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

\[ 2 \text{Na} (s) + 2 \text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{NaOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

\[ 2 \text{K} (s) + 2\text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{KOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

Дійсно, всі лужні метали реагують з водою саме таким чином, згідно із загальним рівнянням:

\[ 2 \text{M} (s) + 2\text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{MOH} (aq) + \text{H}_{2} (g)~~~~~~~~~ \text{M = Li, Na, K, Rb, or Cs} \nonumber \]

Фізична схожість також очевидна у відео. Всі три металеві, сріблясто-сірого кольору, а всі три метали менш щільні, ніж вода. Всі плавають на поверхні, поки вони реагують. Інші властивості, не очевидні в відео, існують. Лужні метали м'які і легко ріжуться. Всі вони тверді при кімнатній температурі, але плавляться нижче 200° C, низькі для металу.

Крім аналогічних реакцій з водою, всі лужні метали проходять аналогічні реакції з киснем з атмосфери, утворюючи оксиди, M ₂ O. Лужні метали реагують з воднем з утворенням гідридів, MH та сірки з утворенням сульфідів, M ₂ S. У всіх цих сполуках лужні метали є позитивними Іконки, Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺ або Cs ⁺.

Кожен член хімічного сімейства лужних металів має фізико-хімічні властивості, дуже схожі на всі інші. У більшості випадків все лужні метали поводяться однаково щодо формул їх сполук. Пероксиди і супероксиди є винятком з цього правила, але формули для оксидів і кожного з інших типів сполук, які ми описували, ідентичні за винятком хімічного символу кожного лужного металу.

Для демонстрації лужних металів у більшому (і більш захоплюючому масштабі), перевірте, що Mythbusters зробили з лужними металами.

Ще одним набором елементів з подібними властивостями є фтор, хлор, бром та йод, відомі разом як галогени. Всі чотири елементи існують у вигляді двоатомних молекул, у вигляді: X ₂, де X = F, Cl, Br і I. Далі всі галогени вступають в реакцію з лужними металами з утворенням солей відповідно до реакції:

\[ 2 \text{M} + \text{X}_{2} \rightarrow 2 \text{MX}~~~~~~~~~~~ \text{M = Li, Na, K, Rb, or Cs and X = F, Cl, Br, I} \nonumber \]

Всі отримані сполуки також мають схожі властивості, такі як дегустація «солона».

Інший приклад схожості за хімічними властивостями - з ртуттю, реакція якої з бромом обговорювалася в розділі, що охоплює макроскопічні і мікроскопічні види хімічної реакції. Ртуть реагує з іншими галогенами таким же чином:

\[ \text{Hg} (l) + \text{X}_{2} (g, l, \text{or} s) \rightarrow \text{HgX}_{2} (s)~~~~~~~~~~~ \text{X = F, Cl, Br, or I} \nonumber \]

Галогени також реагують безпосередньо з воднем, отримуючи галогеніди водню:

\[ \text{H}_{2} + \text{X}_2 \rightarrow 2\text{HX} ~~~~~~~~~~~ \text{X = F, Cl, Br, I} \nonumber \]

Навіть незважаючи на те, що вони відрізняються фазою (F і Cl - гази, Br - рідина, а I - тверда речовина), всі водорозчинні, і, крім HF, є сильними кислотами у водному розчині.

У всіх цих прикладах галогенами є аніони, F ^-, Cl ^-, Br ^-, і I ^-. З цих прикладів повинно бути зрозуміло, що галогени, як і лужні метали, являють собою групу елементів, які мають ряд хімічних і фізичних властивостей.

Є ще кілька прикладів пов'язаних груп елементів. Берилій, магній, кальцій, стронцій, барій та радій виявляють подібність і називаються лужноземельними металами. Всі лужні землі є сріблясто-сірими металами, які є пластичними і відносно м'якими. Однак вони набагато щільніше лужних металів, а їх температури плавлення значно вище. Вони також твердіше, ніж лужні метали. Далі всі вони утворюють гідриди, MH ₂; оксиди, MO; галогеніди, MX ₂; при M = Mg, Ca, Sr, Ba або Ra і X = F, Cl, Br, I. У всіх цих сполуках лужноземельні елементи зустрічаються у вигляді дипозитивних іонів, Mg ²⁺, Ca ²⁺, Sr ²⁺ або Ba ²⁺.

Іншим прикладом пов'язаних елементів є карбування металів, мідь, срібло та золото, які часто зустрічаються природним шляхом як елементи, а не в сполуках. Вони використовувалися протягом історії для виготовлення монет, оскільки вони не швидко поєднуються з атмосферним киснем. Червонувато-коричневий і золотистий кольори міді та золота є відмінними серед металів, а електропровідність карбування металів більша, ніж у будь-яких інших елементів. Халькогени (сірка, селен і телур) є ще однією спорідненою групою неметалічних елементів. Їх водневі сполуки (сірководень, селенід водню та телурид водню) - це всі гази, які мають обурливі запахи. Звичний запах тухлих яєць обумовлений сірководнем, а два інших ще гірше. Ці сполуки також сильно отруйні і більш щільні, ніж повітря. Відомі численні випадки, коли особи, які працюють у канавах або інших низинних районах, були передані без свідомості або навіть вбиті сірководнем внаслідок природних джерел або в результаті промислової діяльності, такої як переробка нафти.

Одна група елементів, благородні гази (гелій, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), майже не утворює хімічних сполук. Хоча невеликі концентрації благородних газів присутні в земній атмосфері, вони не були виявлені до 1894 року, значною мірою тому, що вони не зазнали жодних реакцій. Фтор досить реактивний, щоб поєднуватися з чистими зразками ксенону, радону і (при особливих умовах) криптону. Єдиним іншим елементом, який, як було показано, остаточно зустрічається в сполуках з благородними газами, є кисень, і відомо не більше пари десятків благородно-газових сполук всіх типів. Ця група елементів набагато менш реактивна хімічно, ніж будь-яка інша.

1. ↑ «Лічильник речовинних і реєстрових номерів». Служба хімічних тез - Американське хімічне товариство. 1 липня 2009.www.cas.org/cgi-bin/cas/regreport.pl