Kalij je devetnaesti element periodnog sustava i spada u alkalijske metale. Ovo je jednostavna tvar koja je u normalnim uvjetima u čvrstom agregatnom stanju. Kalij vrije na temperaturi od 761 °C. Talište elementa je 63 °C. Kalij ima srebrno-bijelu boju s metalnim sjajem.

Kemijska svojstva kalija

Kalij je vrlo kemijski aktivan, pa se ne može skladištiti na otvorenom: alkalni metal trenutno reagira s okolnim tvarima. Ovaj kemijski element pripada I. skupini i IV. razdoblju periodnog sustava elemenata. Kalij ima sva svojstva karakteristična za metale.

U interakciji je s jednostavnim tvarima, koje uključuju halogene (brom, klor, fluor, jod) i fosfor, dušik i kisik. Međudjelovanje kalija s kisikom naziva se oksidacija. Tijekom ove kemijske reakcije, kisik i kalij se troše u molarnom omjeru 4:1, što rezultira stvaranjem dva dijela kalijevog oksida. Ova interakcija se može izraziti jednadžbom reakcije:

4K + O₂ = 2K₂O

Kada kalij gori, opaža se jarko ljubičasti plamen.

Ova se interakcija smatra kvalitativnom reakcijom za određivanje kalija. Reakcije kalija s halogenima nazivaju se prema nazivima kemijskih elemenata: fluoriranje, jodiranje, bromiranje, kloriranje. Takve interakcije su adicijske reakcije. Primjer je reakcija između kalija i klora, koja rezultira stvaranjem kalijevog klorida. Da biste izvršili takvu interakciju, uzmite dva mola kalija i jedan mol. Kao rezultat toga nastaju dva mola kalija:

2K + SÍ₂ = 2KÍ

Molekulska struktura kalijevog klorida

Pri gorenju na otvorenom troše se kalij i dušik u molarnom omjeru 6:1. Kao rezultat ove interakcije nastaje kalijev nitrid u količini od dva dijela:

6K + N₂ = 2K3N

Spoj se pojavljuje kao zeleno-crni kristali. Kalij reagira s fosforom po istom principu. Ako uzmete 3 mola kalija i 1 mol fosfora, dobit ćete 1 mol fosfida:

3K + R = K₃R

Kalij reagira s vodikom u hidrid:

2K + N₂ = 2KN

Sve adicijske reakcije odvijaju se na visokim temperaturama

Interakcija kalija sa složenim tvarima

Složene tvari s kojima kalij reagira uključuju vodu, soli, kiseline i okside. Budući da je kalij reaktivan metal, istiskuje atome vodika iz njihovih spojeva. Primjer je reakcija koja se događa između kalija i klorovodične kiseline. Za izvođenje se uzimaju 2 mola kalija i kiseline. Kao rezultat reakcije nastaje 2 mola kalijevog klorida i 1 mol vodika:

2K + 2Ní = 2KÍ + N₂

Vrijedno je detaljnije razmotriti proces interakcije kalija s vodom. Kalij burno reagira s vodom. Kreće se po površini vode gurana oslobođenim vodikom:

2K + 2H2O = 2KOH + H2

Tijekom reakcije oslobađa se mnogo topline po jedinici vremena, što dovodi do paljenja kalija i oslobođenog vodika. Ovo je vrlo zanimljiv proces: u dodiru s vodom, kalij se trenutno zapali, ljubičasti plamen pucketa i brzo se kreće duž površine vode. Na kraju reakcije dolazi do bljeska uz prskanje kapljica gorućeg kalija i produkata reakcije.

Reakcija kalija s vodom

Glavni krajnji proizvod reakcije kalija s vodom je kalijev hidroksid (lužina). Jednadžba za reakciju kalija s vodom:

4K + 2H2O + O2 = 4KOH

Pažnja! Ne pokušavajte sami ponoviti ovo iskustvo!

Ako se eksperiment izvede neispravno, možete se opeći od lužine. Za reakciju se obično koristi kristalizator s vodom u koji se stavi komadić kalija. Čim vodik prestane gorjeti, mnogi ljudi žele pogledati u kristalizator. U ovom trenutku dolazi do posljednje faze reakcije kalija s vodom, praćene slabom eksplozijom i prskanjem nastale vruće lužine. Stoga je iz sigurnosnih razloga vrijedno držati se na određenoj udaljenosti od laboratorijske klupe dok reakcija potpuno ne završi. pronaći ćete najspektakularnije pokuse koje možete izvoditi sa svojom djecom kod kuće.

Struktura kalija

Atom kalija sastoji se od jezgre koja sadrži protone i neutrone i elektrone koji kruže oko nje. Broj elektrona uvijek je jednak broju protona unutar jezgre. Kada se elektron ukloni ili doda atomu, on prestaje biti neutralan i postaje ion. Ioni se dijele na katione i anione. Kationi imaju pozitivan naboj, anioni imaju negativan naboj. Kada se elektron doda atomu, on postaje anion; ako jedan od elektrona napusti svoju orbitu, neutralni atom se pretvara u kation.

Redni broj kalija u periodnom sustavu je 19. To znači da se u jezgri kemijskog elementa također nalazi 19 protona. Zaključak: oko jezgre ima 19 elektrona. Broj protona u strukturi određuje se na sljedeći način: oduzmite redni broj kemijskog elementa od atomske mase. Zaključak: u jezgri kalija nalazi se 20 protona. Kalij pripada IV periodu, ima 4 “orbite” u kojima su elektroni ravnomjerno raspoređeni iu stalnom su kretanju. Prva "orbita" sadrži 2 elektrona, druga - 8; u trećoj i posljednjoj, četvrtoj “orbiti” vrti se 1 elektron. To objašnjava visoku razinu kemijske aktivnosti kalija: njegova posljednja "orbita" nije potpuno ispunjena, pa se element nastoji kombinirati s drugim atomima. Kao rezultat toga, elektroni u posljednjim orbitama dvaju elemenata postat će zajednički.

Tema 1.6. Redoks reakcije.

Pitanja o prethodno proučavanoj temi:

1. U kojim slučajevima tijekom elektrolize vodenih otopina soli:

a) vodik se oslobađa na katodi;

b) na anodi se oslobađa kisik;

c) odvija li se istodobna redukcija metalnih kationa i vodikovih kationa vode?

1. Koji su procesi koji se odvijaju na elektrodama objedinjeni pod općim nazivom "elektroliza"?
2. Koja je razlika između elektrolize rastaljene kaustične sode i elektrolize njezine otopine?
3. Na koji pol akumulatora - pozitivan ili negativan - treba spojiti metalni dio kada se kromira?
4. Proširiti značenje elektrolize; pojam - elektroliza.
5. Koji se kemijski procesi odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize otopine kalijeva jodida? Talina kalijevog jodida?
6. Napravite sheme elektrolize s ugljičnim elektrodama talina i otopina sljedećih soli: KCl.
7. Kojim će se redom kationi reducirati pri elektrolizi njihovih soli iste koncentracije (netopljiva anoda) sljedećeg sastava: Al, Sn, Ag, Mn?
8. Objasnite zašto se metalni kalij ne može dobiti na ugljenim elektrodama elektrolizom vodene otopine kalijevog klorida, ali se može dobiti elektrolizom rastaljene soli?
9. Tijekom elektrolize vodene otopine srebrnog nitrata na katodi nastaje:

a) Ag b) NO 2 c) NO d) H 2 ?

znati osnovni pojmovi i bit redoks reakcija, pravila za sastavljanje redoks reakcija metodom elektronske bilance;

biti u mogućnosti klasificirati reakcije prema stupnju oksidacije; definirati i primijeniti pojmove: “stupanj oksidacije”, “oksidanti i reduktivi”, “procesi oksidacije i redukcije”; sastaviti elektronsku ravnotežu za redoks reakcije i upotrijebiti je za dodjelu koeficijenata u molekularnoj jednadžbi.

Promjene svojstava elemenata ovisno o građi njihovih atoma

Nakon što smo prethodno proučili vrste kemijskih reakcija, strukturu molekula, odnos glavnih klasa kemijskih spojeva, možemo reći da se većina reakcija - adicija, razgradnja i supstitucija odvija s promjenom oksidacijskog stanja atoma tvari koje reagiraju, a samo u reakcijama izmjene to se ne događa.

Reakcije koje rezultiraju promjenama oksidacijskog stanja elemenata nazivaju se redoks reakcije.

Postoji nekoliko načina za konstruiranje jednadžbi za redoks reakcije. Zadržimo se na metodi ravnoteže elektrona, koja se temelji na određivanju ukupnog broja pokretnih elektrona. Na primjer:

MnO 2 + KClO 3 + KOH = K 2 MnO 4 + KCl + H 2 O

Određujemo koji su atomi elemenata promijenili svoje oksidacijsko stanje:

Mn → Mn Sl → Sl

Odredite broj izgubljenih (–) i primljenih (+) elektrona:

Mn – ​​2 e→ Mn Cl + 6 e→ Kl

Broj izgubljenih i dobivenih elektrona mora biti isti. Oba procesa polureakcije prikazujemo na sljedeći način:

redukcijsko sredstvo Mn – 2 eˉ → Mn 3 3Mn – 6 eˉ → 3Mn oksidacija

oksidacijsko sredstvo Cl + 6 eˉ → Sl 1 Sl + 6 eˉ → Sl oporavak

Glavne koeficijente za oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo prenosimo u jednadžbu reakcije

3MnO 2 + KClO 3 + 6KOH = 3K 2 MnO 4 + KCl + 3H 2 O

Proces pretvaranja mangana +4 u mangan +6 je proces povrata (gubitka) elektrona, tj. oksidacija; proces pretvaranja Cl(+5) u Cl(-1) je proces dobivanja elektrona,tj. proces oporavka. Tvar MnO 2 je redukcijsko sredstvo, a KClO 3 je oksidacijsko sredstvo.

Ponekad jedna od tvari koje sudjeluju u reakciji obavlja dvije funkcije odjednom: oksidacijsko sredstvo (ili redukcijsko sredstvo) i tvorac soli. Razmotrimo kao primjer reakciju

Zn + NNO 3 = Zn(NO 3) 2 + NN 4 NO 3 + H 2 O

Sastavimo polureakcije za oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo. Cink gubi dva elektrona, a dušik N(+5) dobiva osam elektrona:

Zn – 2 eˉ → Zn 8 4

N+8 eˉ → N 2 1

Dakle, oksidacija četiri atoma cinka zahtijeva osam molekula HNO 3 i dvije molekule HNO 3 za stvaranje soli.

4Zn + 2HNO 3 + 8HNO 3 = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4Zn + 10HNO 3 = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

Vrste jednadžbi za redoks reakcije.

Bazični oksidanti i redukcijski agensi.

Redoks reakcije dijele se u tri skupine: intermolekulske, intramolekularne i reakcije disproporcioniranja.

Reakcije u kojima jedna tvar služi kao oksidans, a druga kao redukciono sredstvo nazivaju se međumolekularne reakcije, Na primjer:

2KMnO 4 + 16NCl = 2MnSl 2 + 5Sl 2 + 2Kl + 8N 2 O

Međumolekularne reakcije također uključuju reakcije između tvari u kojima atomi istog elementa koji međusobno djeluju imaju različita oksidacijska stanja:

2H2S + SO2 = 3S + 2H20

Reakcije koje se odvijaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma u istoj molekuli nazivaju se intramolekularne reakcije, Na primjer:

2KClO 3 = 2KCl + 3O 2

Intramolekularne reakcije uključuju reakcije u kojima atomi istog elementa imaju različita oksidacijska stanja:

NH4NO3 = N2O + H2O

Reakcije u kojima oksidacijsku i redukcijsku funkciju obavljaju atomi istog elementa u istom oksidacijskom stanju nazivamo reakcije disproporcionalnosti, Na primjer:

2Na 2 O 2 + 2SO 2 = 2NaSO 3 + O 2

Oksidirajuća sredstva

Mjera oksidacijske sposobnosti atoma ili iona, kao što je već spomenuto, je afinitet prema elektronu, tj. njihovu sposobnost da prihvate elektrone.

Oksidirajuća sredstva su:

1. Svi atomi nemetala. Najjači oksidansi su atomi halogena, jer mogu prihvatiti samo jedan elektron. Kako se broj skupina smanjuje, oksidacijske sposobnosti atoma nemetala koji se nalaze u njima smanjuju se. Stoga su atomi nemetala IV skupine najslabiji oksidansi. U skupinama odozgo prema dolje, oksidacijska svojstva atoma nemetala također se smanjuju zbog povećanja polumjera atoma.

2. Pozitivno nabijeni metalni ioni u visokom oksidacijskom stanju, na primjer:

KMnO 4, K 2 CrO 4, V 2 O 5, MnO 2 itd.

Osim toga, metalni ioni s niskim stupnjem oksidacije su oksidansi, na primjer:

Ag, Hg, Fe, Cu, itd.

3. Koncentrirane HNO 3 i H 2 SO 4 kiseline.

Restauratori

Reduktori mogu biti:

1. Atomi svih elemenata osim He, Ne, Ar, F. Najlakše gube elektrone atomi onih elemenata koji imaju jedan, dva, tri elektrona u zadnjem sloju.

2. Pozitivno nabijeni metalni ioni koji su u niskom oksidacijskom stanju, na primjer:

Fe, Cr, Mn, Sn, Cu.

3. Negativno nabijeni ioni, na primjer: Clˉ, Brˉ, Iˉ, S 2ˉ.

4. Slabe kiseline i njihove soli, na primjer: H 2 SO 3 i K 2 SO 3; HNO 2 i KNO 2.

Pitanja o proučavanoj temi:

1. Koje se reakcije nazivaju redoks? Kako se redoks reakcije razlikuju od ostalih kemijskih reakcija?

1. Zašto metali u spojevima pokazuju samo pozitivna oksidacijska stanja, dok nemetali pokazuju i pozitivna i negativna oksidacijska stanja?
2. Koje se tvari nazivaju oksidansima, a koje reducentima?
3. Kako relativna elektronegativnost može odrediti prirodu veze između atoma u molekuli?
4. Kakav je odnos između energije afiniteta prema elektronu i oksidacijske moći kemijskog elementa?
5. Koje složene tvari karakteriziraju samo oksidacijska svojstva? U kojim slučajevima složene tvari mogu djelovati kao oksidansi i reduktori?
6. U sljedećim jednadžbama reakcija odredite oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo, njihovo oksidacijsko stanje i rasporedite koeficijente:

a) HgS + HNO 3 + HCl → HgCl 2 + S + NO + H 2 O

b) SnCl 2 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 → Sn(SO 4) 2 + SnCl 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + H 2 O

c) AsH 3 + AgNO 3 + H 2 O → H 3 AsO 4 + Ag + HNO 3

1. U sljedećim reakcijama, u kojima su oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo u istoj tvari (intramolekularne oksidacijsko-redukcijske reakcije), rasporedite koeficijente:

a) NH 4 NO 3 → N 2 O + H 2 O

b) KClO 3 → KCl + O 2

c) Ag 2 O → Ag + O 2

1. Za reakcije disproporcioniranja (autooksidacija - samoizlječenje) napišite elektroničke sklopove i posložite koeficijente:

a) K 2 MnO 4 + H 2 O → KMnO 4 + MnO 2 + KOH

b) HClO 3 → ClO 2 + HClO 4

c) HNO 2 → HNO 3 + NO + H 2 O

1. Koje su od sljedećih reakcija intramolekularne, a koje reakcije disproporcioniranja:

a) Hg(NO 3) 2 → Hg + NO 2 + O 2

b) Cu(NO 3) 2 → CuO + NO 2 + O 2

c) K 2 SO 3 → K 2 SO 4 + K 2 S

d) (NH 4) 2 Cr 2 O 7 → N 2 + Cr 2 O 3 + H 2 O

Odaberite koeficijente za svaku reakciju.

Književnost: 1, 2,3.

Pomoću lijevka i staklenog štapića ulijte aluminijske strugotine u posudu reaktora, zatim lužinu, prekrijte rupu komadićem trake i protresite sadržaj. Zatim pričvrstimo prijemnik. Njegova donja rupa (za ispuštanje vodika) mora biti zatvorena čavlom. Pažljivo podmažite spoj reaktora i prijemnika alabasternom kašom (uzmite samo malo). Nakon 5 minuta sušite spoj sušilom za kosu oko 4-5 minuta.

Sada pažljivo omotajte mokru vatu na prijemnu ploču, odmaknuvši se 5-8 mm od rubova, i pričvrstite je tankom žicom.

Najprije uklonite čavao s čepom. Zatim postupno zagrijavamo spremnik s reakcijskom smjesom pomoću plamenika (možete koristiti puhalicu za uštedu).

Za grijanje sam koristio spremnik butana i gore spomenuti veliki nastavak za plamenik. Zapaljivi plin unutar limenke se hladi, a s vremenom se plamen lagano smanjuje, pa sam butan limenku morao grijati rukom.

Uvjerite se da je polovica "retorte" zagrijana do narančaste topline, grlo prijemnika treba biti zagrijano do crvene topline. Zagrijte oko 13-14 minuta. Reakcija je u početku popraćena pojavom ljubičastog plamena koji izlazi iz prijemnika, zatim se postupno smanjuje i nestaje, a zatim možete smanjiti rupu umetanjem čavla (labavo i s razmakom). Tijekom reakcije postupno navlažite vatu pipetom, izbjegavajući da voda uđe u fuge.

Nakon prestanka grijanja, čvrsto umetnite čep. Ostavite uređaj da se ohladi na sobnu temperaturu! Upravo sam ga iznio na hladno. Zatim skinemo vatu i obrišemo tragove vode.

Unaprijed pripremite mjesto gdje ćete sastrugati kalij iz prijemnika. Budite svjesni opasnosti od požara! Trebali biste imati benzin, pincetu, domaću lopaticu-strugač, posudu za skladištenje kalija s inertnom tekućinom, poput kerozina ili ulja. Preporučljivo je da se tekućina osuši. Ostružemo žbuku i odvojimo prijemnik. Odmah stavite komad polietilena na grlo prijemnika i pritisnite ga plastelinom (ili unaprijed napravite čep). Otvaramo polovice spremnika, glavnina kalija kondenzirana je u lijevom dijelu (koji je bio spojen na vratu s reaktorom), unutar desnog dijela bili su samo tragovi kalija (struktura prijemnika prikazana je na fotografija). Ulijte benzin u lijevu stranu (ja sam koristio heksan). To je učinjeno kako bi se metal zaštitio od oksidacije (dobra stvar kod benzina je što će ispariti bez traga, a možete ponovno koristiti hladnjak bez ometanja gipsanog kita). Operacija se izvodi uz nošenje zaštitnih naočala!

Lopaticom ostružite metal sa strana, a zatim ga pincetom stavite u spremnik za pohranu. Zapamtite, mali komadići kalija tako brzo oksidiraju na zraku da se mogu zapaliti. To je lako vidjeti ako osušeni komadić kalija pažljivo spljoštite nožem na komad papira (najbolje filter ili toalet papir) – kalij se obično zapali. Dio metala će izaći u obliku sitnih strugotina i zrnaca. Mogu se prikupiti ispiranjem benzinom u spremnik za skladištenje ili suhu čašu. Korisni su za reakciju s vodom: čak i mala zrnca svijetle prekrasnim ljubičastim svjetlima.

Uspio sam skupiti oko 1,1 g kalija u bocu (0,7-0,8 g u obliku kompaktne mase). Ukupno je nastalo oko 1,3 g metala. Dio kalija nisam skupio u obliku ostataka, upijao sam ga heksanskim papirom i pincetom prenio u vodu (zrnce je zgodno samo otresti s papira). Nakon reakcije potrebno je ukloniti tragove metala iz prijemnika; jednostavno bacite desnu polovicu (“dno”) u vodu na udaljenosti ruke i odmah se udaljite. Lijevu polovicu ostaviti na zraku dok tragovi kalija djelomično ne oksidiraju, zatim ih ukloniti vlažnom vatom na žici (bez oštećenja gipsanog kita). Zatim pipetom isperite prijemnik i osušite ga ubrusom (pazite da rupu ne usmjerite prema sebi).