Leelismuldmetallid Boori alarühm Leelismuldmetallid Leelismuldmetallid

• Leelismuldmetallid
– Saamine ja kasutamine
– Lihtainete omadused
– Ühendid
• Boor ja alumiinium
– Saamine ja kasutamine
– Lihtainete omadused
– Ühendid
Leelismuldmetallid.
Boori alarühm
Leelismuldmetallid
• Kaltsium, strontsium ja baarium on
leelismuldmetallid, kuna nende oksiidid
(vanema nimega mullad) on aluselised.
Sageli kasutatakse seda nime kogu 2. rühma
kohta.
• Tähtsamad elemendid 2. rühmas on
magneesium ja kaltsium.
Leelismuldmetallid
• 2. rühma valentskihi elektronkonfiguratsioon
on ns 2 .
• I 2 on piisavalt väike, et ioonilise ühendi
moodustumisel see kompenseerida.
• Seetõttu esinevad nad alati kahelaenguliste
katioonidena.
• Berülliumil on mõningaid mittemetalli
omadusi, teised kõik on metallid.
1

Leelismuldmetallid
• 2. rühma elemendid on liiga reaktiivsed, et looduses
puhtal kujul esineda.
• Berüllium esineb enamasti berüllina
3BeO·Al 2 O 3·6SiO 2 , mille erimiks on Cr 3+ lisanditest
roheline kalliskivi smaragd.
• Magneesiumi leidub merevees ja dolomiidis
CaCO 3·MgCO 3 .
• Kaltsium esineb samuti põhiliselt CaCO 3 -na kui
lubjakivi, kaltsiit ja kriit.
Berüllium: saamine ja
kasutamine
• Saadakse BeCl 2 elektrolüütilisel redutseerimisel.
• Madala tiheduse tõttu kasutatakse satelliitide ja
rakettide valmistamiseks.
• Be õhuke leht on röntgenikiirtele läbipaistev ja
kasutatakse röntgenikiiretorude akendena.
• Be väikesed lisandid muudavad vase oluliselt
jäigemaks. Sulam leiab kasutamist tööriistade
valmistamiseks (plahvatusohtlikeks rakendusteks).
Magneesium: saamine
• Metallilist magneesiumit toodetakse tema
ühendite keemilise või elektrolüütilise
redutseerimise teel.
– Keemilise redutseerimise korral saadakse
dolomiidi lagundamisel MgO, mis pannakse
1200 ºC juures reageerima raua ja räni sulamiga.
– Elektrolüütilise meetodi korral sadestatakse
mereveest Mg(OH) 2 , mis lahustatakse seejärel
soolhappe toimel ja elektrolüüsitakse.
2

Magneesium: füüsikalised
omadused
• Magneesium on hõbevalge metall, mille pind
kattub õhus õhukese, kuid tiheda kaitsva
oksiidikihiga.
• Magneesium on väikese tihedusega ja väga
pehme.
– Tema sulamid seevastu on sageli kõvad ja
tugevad ning leiavad laialdast rakendust
lennukitööstuses ja ka autode juures.
Leelismuldmetallid: saamine
• Kaltsiumit, strontsiumit ja baariumit
saadakse elektrolüütiliselt või alumiiniumiga
redutseerides.
3BaO (s) + 2Al (s) → Al 2 O 3(s) + 3Ba (s)
Magneesium: keemilised
omadused
• Magneesium põleb õhu käes energiliselt,
kõrvuti hapnikuga toimuvad reaktsioonid ka
lämmastiku ja CO 2 -ga.
– Põlevat magneesiumi ei tohi kustutada veega
või süsihappegaasi kustutiga.
3

Leelismuldmetallid: keemilised
omadused
• Leelismuldmetallid reageerivad hapniku ja veega
intensiivsemalt rühmas allapoole liikudes.
– Be, Mg, Ca ja Sr pinnale tekib õhu käes kaitsev oksiidikiht,
Ba korral seda ei teki ja Ba võib niiskes õhus süttida.
• Kõik 2. rühma elemendid (v.a Be) reageerivad veega.
Be ei reageeri veega ka kuumalt, Mg reageerib vaid
kuuma veega.
• Kõik 2. rühma elemendid redutseerivad H + H 2 -ks.
Leelismuldmetallid: määramine
• Leelismuldmetalle ja nende ühendeid saab
määrata leekreaktsiooni abil:
– kaltsium põleb punakasoranži leegiga;
– strontsium põleb karmiinpunase leegiga;
– baarium põleb kollakasrohelise leegiga.
• Sageli kasutatakse neid pürotehnikas
(nitraatide või kloraatidena).
Berüllium: keemilised omadused
• Be on 2. rühma kõige mittemetallilisem
element, annab sageli kovalentseid sidemeid.
• Be on amfoteerne, s.t reageerib nii hapete kui
alustega. Leelistega reageerides annab
berüllaatiooni.
Be (s) + 2NaOH (aq) + 2H 2 O (l) → Na 2 [Be(OH) 4 ] (aq) + H 2(g)
• Be-ühendid on väga mürgised.
4

Berüllium: ühendid
• Be-ühendite omadused on määratud Be 2+
iooni väikese raadiuse ja sellest tuleneva
suure polariseeriva jõuga.
– Ühendid on reeglina kovalentsed.
– Temaga saavad seostuda kuni 4 rühma.
• Iseloomulik on BeX 4 tetraeeder, mis on
iseloomulik kloriidile ja hüdriidile, kus Be
aatom käitub Lewis'i happena.
Magneesium: ühendid
• Mg-ühendid on reeglina ioonilised.
• Magneesiumoksiid tekib Mg põlemisel, kuid
sellisel viisil saadud MgO on saastunud
nitriidiga. Puhta MgO saamiseks kuumutatakse
magneesiumhüdroksiidi või -karbonaati.
• MgO lahustub vees vähesel määral ja
aeglaselt, ta on termiliselt väga stabiilne, hea
soojusjuhtivusega ning halb elektrijuht.
Magneesium: ühendid
• Magneesiumhüdroksiid on leelis, mis
lahustub vees vähesel määral ja annab valge
kolloidse suspensiooni.
– Seda kasutatakse muuseas mao happesuse
alandamiseks.
– MgCl 2 , mis tekib magneesiumhüdroksiidi
neutraliseerimisel maos, on kõhulahtisti.
• Looduses on tähtsaim Mg-ühend ilmselt
klorofüll.
5

Kaltsium: ühendid
• Ca on mõnevõrra metallilisem element kui Mg, samas
on nende ühendid üsna sarnased.
• Lisaks kriidile ja lubjakivile esineb CaCO 3 ka
marmorina (CaCO 3 tihedam vorm).
• Kuumutamisel CaCO 3 laguneb, andes kaltsiumoksiidi
CaO ehk kustutamata lubja:
CaCO 3(s) → CaO (s) + CO 2(g)
mis omakorda reageerib energiliselt veega, andes
kustutatud lubja ehk kaltsiumhüdroksiidi:
CaO (s) + H 2 O (l) → Ca(OH) 2(aq)
Kaltsium: ühendid
• Kaltsiumhüdroksiid on vees suhteliselt vähelahustuv,
tema lahust kasutatakse CO 2 määramiseks, kuna ta
annab mittelahustuva karbonaadi.
Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g) → CaCO 3(s) + H 2 O (l)
• Kaltsiumoksiidist lähtudest saab valmistada
kaltsiumkarbiidi CaC 2 , mis on sageli sillaks
anorgaanilise ja orgaanilise keemia vahel.
CaO (s) + 3C (s) → CaC 2(s) + CO (g)
CaC 2(s) + 2H 2 O (l) → C 2 H 2(g) + Ca(OH) 2(aq)
Kaltsium: ühendid
• Kustutamata lubi leiab laialdast kasutamist:
– rauasulatuses: CaO (s) + SiO 2(s) → CaSiO 3(l)
• Kustutatud lubi leiab laialdast kasutamist:
– põllumajanduses pinnase pH reguleerimiseks;
– Ca 2+ ioonide sadestamiseks karedast veest.
HCO 3
-
(aq) + OH - (aq) → CO 3 2- (aq) + H 2 O (l)
Ca 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) → CaCO 3(s)
6

Kaltsium: ühendid
• Ca 2+ ioonid interakteeruvad oma naabritega
reeglina väga tugevasti, seetõttu on kaltsiumiühenditele
iseloomulik suur jäikus.
– Tsement: lihtsustatult segu kaltsiumoksiidist,
-silikaadist ja -alumiiniumsilikaadist ning kipsist.
– Karploomade karbid, kaltsiumkarbonaat.
– Luud – kaltsiumfosfaat (inimkehas on ~1 kg Ca).
– Hambad – hüdroksüapatiit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH.
Ca 5
(PO 4
) 3
OH (s)
+ 4H 3
O + (aq) → 5Ca2+ (aq) + 3HPO 4 2- (aq) + 5H 2 O (l)
Boori alarühm
• Boori alarühma aatomite elektronkonfiguratsioon
on ns 2 np 1 .
• Maksimaalne oksüdatsiooniaste on +3,
rühma viimased elemendid (Tl) on sageli
oksüdatsiooniastmega +1.
• Elementide elektronegatiivsused on siin
vahepealsed, millest tulenevad erilised
omadused.
Boor
• Boor on suhteliselt kõrge I-ga poolmetall,
mis reeglina annab kovalentseid sidemeid.
• Booril on kolm valentselektroni ja seetõttu
esineb tema ühendites mitmesuguseid
anomaaliaid.
– Mittetäielik oktett: BF 3
– Elektrondefitsiitsed ühendid: B 2 H 6
7

Boor
• Boori kaevandatakse booraksi Na 2 B 4 O 7·10H 2 O
ja kerniidina Na 2 B 4 O 7·4H 2 O, mis edasi happe
toimel viiakse booroksiidiks B 2 O 3 ning
redutseeritakse metallilise magneesiumiga.
• Puhtama saaduse saamiseks redutseeritakse
gaasilisi booriühendeid (nt BCl 3 ) vesinikuga.
• Boori tootmine on üsna väike, kuigi tal on rida
kasulikke omadusi (kõvadus, väike tihedus).
Boor
• Boor eksisteerib lihtainena rea
allotroopsete vormidena:
– hallikasmust, mittemetalliline,
kõrge sulamistemperatuuriga
vorm;
– tumepruun pulbriline vorm, mis
baseerub ikosaeedrilisel
(kakskümmendtahukalisel) 12
booriaatomi klastril.
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Alumiinium
• Alumiinium on maakoores levinuim metall ja
elementidest kolmas (hapniku ja räni järel).
– Enamuse mineraalide alumiiniumisisaldus on
madal.
– Enamkasutatav alumiiniumi allikas on boksiit
Al 2 O 3·nH 2 O (n = 1-3), mis reeglina sisaldab
lisanditena rauda ja titaani (oksiididena).
8

Alumiinium
• Alumiinium oli 19. sajandil haruldane ja
äärmiselt kallis metall.
• Alumiiniumi tootmine muutus oluliselt
odavamaks Halli protsessi kasutuselevõtuga.
– Al 2 O 3 -le krüoliidi Na 3 AlF 6 lisamine alandab
tema sulamistemperatuuri (2050 °C → 950 °C).
– Metallilist alumiiniumi toodetakse saadud
sulalahuse elektrolüüsil.
Alumiinium
• Alumiinium on madala tihedusega ja väga
hea elektrijuhtivusega metall.
• Alumiinium on tugev redutseerija, kuid
vastupidav korrosioonile, kuna tema pinnale
tekib õhu käes tihe ja vastupidav oksiidikiht.
• Alumiinium leiab kasutamist:
– lennuki- ja autotööstuses (kõvaduse lisamiseks
kasutatakse tema sulameid vase ja räniga);
– elektrijuhtmetes;
– kütuseelementides.
Boori alarühm
• Oma keemilistelt omadustelt on boor pigem
mittemetall.
– Happeline oksiid.
– Binaarsed hüdriidid on molekulaarsed.
• Alumiinium on juba metalli omadustega,
kuigi tal on ka mittemetalli omadusi.
– Ta on amfoteerne, s.t reageerib hapetega, andes
alumiiniumkatiooni, ja kuumade leelistega, andes
aluminaatanioone.
9

Boor: oksoühendid
• Boorhape H 3 BO 3 või B(OH) 3 on valge tahke
aine.
– Mürgine, kasutatakse antiseptiku ja pestitsiidina.
– Võib käituda Lewis'i happena.
– Lähteaineks booroksiidi B 2 O 3 saamisel.
• Booroksiidi kasutatakse räbustina (lahustab
metallioksiide) spetsiaalse klaasi valmistamisel.
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3
• Alumiiniumoksiid esineb reas erinevates
modifikatsioonides:
– α-alumiiniumoksiid esineb korundina:
• puhas korund leiab kasutamist abrasiivmaterjalides;
• Cr 3+ lisandiga korund on tuntud rubiinina;
• Fe 3+ lisandiga korund on topaas;
• Fe 3+ ja Ti 4+ lisandiga korund on safiir;
– γ-alumiiniumoksiid on väiksema tihedusega,
absorbeerib vett ja kasutatakse kromatograafias.
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3
• γ-alumiiniumoksiidi saadakse alumiiniumhüdroksiidi
kuumutamisel.
• Ta on amfoteerne, aluste toimel annab
aluminaatiooni ja hapete toimel Al 3+ iooni, mis
on tugevalt hüdrateeritud.
Al 2 O 3(s) + 2OH - (aq) + 3H 2 O (l) → 2Al(OH) 4 - (aq)
Al 2 O 3(s) + 6H 3 O + (aq) + 3H 2 O (l) → 2Al(H 2 O) 6 3+ (aq)
10

Alumiiniumoksiid Al 2 O 3
• Tänu väikesele raadiusele ja suurele laengule on Al 3+
ioon tugevalt polariseeriva toimega ja seetõttu on
Al(H 2 O) 6
3+
happeliste omadustega.
Al(H 2 O) 6
3+ (aq) + H 2 O (l) = H 3 O + (aq) + Al(OH)(H 2 O) 5 2+ (aq)
• Tähtsaimad alumiiniumoksiidist toodetavad soolad on
alumiiniumsulfaat, mida kasutatakse paberitööstuses ja
koos naatriumaluminaadiga veepuhastuses.
Al 3+ (aq) + 3Al(OH) 4 - (aq) → 4Al(OH) 3(s)
Boor: karbiid ja nitriid
• Kõrgel temperatuuril reageerib boor süsinikuga, andes
boorkarbiidi B 12 C 3 , mis on kõrge sulamistemperatuuriga väga
kõva tahke aine, koosnedes C-aatomitega seotud B 12
rühmadest.
• Boori kuumutamisel ammoniaagis saadakse boornitriid BN,
mis on valge, mahukas grafiidisarnase struktuuriga pulber,
kuid erinevalt grafiidist ei juhi elektrit.
• Võimalik on ka boornitriidi teemandisarnane struktuur.
• Spetsiaalsete võtete abil saab sünteesida ka boornitriidi
nanotorusid, mis on pooljuhid.
Boor: halogeniidid
• Boori halogeniide saadakse kas elementide otsesel
reaktsioonil või lähtudes B 2 O 3 -st.
• Tähtsaim boori halogeniid on BF 3 , mida saadakse B 2 O 3
reaktsioonil kaltsiumfluoriidi ja väävelhappega.
B 2 O 3(s) +3CaF 2(s) +3H 2 SO 4(l) → 2BF 3(g) +3CaSO 4(s) +3H 2 O (l)
• Boortrikloriidi BCl 3 saadakse kloori reaktsioonil
süsiniku ja B 2 O 3 -ga.
B 2 O 3(s) + 3C (s) + 3Cl 2(g) → 2BCl 3(g) + 3CO (g)
• BF 3 ja BCl 3 kasutatakse laialdaselt katalüsaatoritena.
11

Alumiiniumkloriid
• Alumiinumkloriid AlCl 3 on samuti tähtis katalüsaator,
mida toodetakse kloori reaktsioonil kas alumiiniumi või
alumiiniumoksiidiga süsiniku juuresolekul.
2Al (s) + 3Cl 2(g) → 2AlCl 3(s)
Al 2 O 3(s) + 3C (s) + 3Cl 2(g) → 2AlCl 3(s) + 3CO (g)
• AlCl 3 on iooniline tahkis, kus iga Al 3+ ioon on
ümbritsetud kuue Cl - iooniga.
• AlCl 3 sublimeerub temperatuuril 192 °C Al 2 Cl 6 -na.
• AlCl 3 heksahüdraadi kuumutamisel tekib HCl.
2AlCl 3·6H 2 O (s) → Al 2 O 3(s) + 6HCl (g) + 9H 2 O (g)
Boraanid ja boorhüdriidid
• Boor moodustab vesinikuga rea hüdriide, mida
tuntakse boraanidena.
• Anioonsetest boori hüdriididest on tuntuim BH 4- , mis
esineb näiteks naatriumboorhüdriidis NaBH 4 .
• NaBH 4 on valge kristalne aine, mida saadakse
naatriumhüdriidi reaktsioonil BCl 3 -ga mittevesilahuses.
4NaH + BCl 3 → NaBH 4 + 3NaCl
Boraanid ja boorhüdriidid
• Naatriumboorhüdriid NaBH 4 on laialt kasutatav
redutseerija:
– orgaanilises sünteesis;
– keemilisel nikeldamisel.
• Naatriumboorhüdriidi reaktsioon boortrifluoriidga
on lähtepunktiks boraanide saamisel.
4BF 3 + 3BH 4- → 3BF 4- + 2B 2 H 6
12

Boraanid
• Diboraan B 2 H 6 on värvusetu gaas, mis
reageerib plahvatuslikult nii õhu kui veega.
B 2 H 6(g) + 3O 2(g) → B 2 O 3(s) + 3H 2 O (g)
B 2 H 6(g) + 6H 2 O (l) → 2B(OH) 3(aq) + 6H 2(g)
• Kõrgel temperatuuril diboraan laguneb.
B 2 H 6(g) → 2B (s) + 3H 2(g)
• Pehmemal kuumutamisel tekivad kõrgemad
boraanid, näiteks B 10 H 14 .
13