Group 2 · ⁨2-я группа⁩ (A Level · ⁨Уровень A⁩) — A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ (9701) Revision Notes · ⁨Конспекты Group 2 · ⁨2-я группа⁩ (A Level · ⁨Уровень A⁩) — A-Level Chemistry

27.1

Thermal stability of the nitrates and carbonates · ⁨Термическая стабильность нитратов и карбонатов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and explain qualitatively the trend in the thermal stability of the nitrates and carbonates including the effect of ionic radius on the polarisation of the large anion
describe and explain qualitatively the variation in solubility and of enthalpy change of solution, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$, of the hydroxides and sulfates in terms of relative magnitudes of the enthalpy change of hydration and the lattice energy

Русский

описать и объяснить качественно закономерность термической стабильности нитратов и карбонатов, включая влияние ионного радиуса на поляризацию крупного аниона
описать и объяснить качественно изменение растворимости и энтальпии растворения $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$ гидроксидов и сульфатов с учетом относительных величин энтальпии гидратации и решеточной энергии

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The thermal stability 热稳定性 of the Group 2 nitrates 硝酸盐 and carbonates 碳酸盐 increases down the group. Here is the reason, in terms of how the ions affect each other.

A small cation 阳离子 with a small ionic radius 离子半径 has a high charge density. It pulls on the electrons of the nearby anion and distorts its shape — this is polarisation 极化. Distorting the large anion 阴离子 (the carbonate or nitrate ion) weakens a bond inside it, so the compound breaks down more easily.

Going down the group, the cation gets larger. Its charge density drops, so it polarises the anion less. The anion is less distorted, so the compound is harder to break down — it is more thermally stable and needs a higher temperature to decompose.

Worked example. Down Group 2 the hydroxides become more soluble while the sulfates become less soluble. Explain why the two trends run in opposite directions. Solubility is a contest between the lattice energy holding the solid together and the hydration energy rewarding the ions for dissolving. Both get less exothermic as the cation grows, so whichever falls faster decides the trend. With the small hydroxide ion, the lattice energy depends strongly on the cation's size, so it falls faster than the hydration energy: the lattice gets relatively easier to break and solubility rises. With the large sulfate ion, the lattice energy is already dominated by that big anion and barely changes down the group, while the cation's hydration energy still falls - so solubility falls. Name both energies and say which one falls faster; simply restating the trends earns no explanation marks.

Русский

Термическая стабильность нитратов и карбонатов группы 2 увеличивается при движении вниз по группе. Вот причина, объясненная через взаимодействие ионов друг с другом.

Ротационная печь на известково-содовом заводе — Нагревание мела (карбоната кальция) в печи разлагает его на оксид кальция — это термическое разложение

Маленький катион с малым ионным радиусом обладает высокой плотностью заряда. Он притягивает электроны близлежащего аниона и искажает его форму — это поляризация. Искажение большого аниона (карбонат- или нитрат-иона) ослабляет связь внутри него, поэтому соединение разлагается легче.

При движении вниз по группе катион увеличивается в размере. Его плотность заряда снижается, поэтому он поляризует анион менее. Анион меньше искажается, поэтому соединение труднее разложить — оно более термически устойчиво и требует более высокой температуры для разложения.

Два сценария: маленький катион магния сильно искажает электронное облако карбонат-аниона до формы капли, тогда как большой катион бария практически не искажает его — Маленький катион имеет высокую плотность заряда, поэтому сильнее искажает (поляризует) большой анион — ослабляя его, из-за чего соединение менее устойчиво

Разобранное решение. При движении вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми. Объясните, почему эти две тенденции идут в противоположных направлениях. Растворимость — это конкуренция между энергией кристаллической решётки, удерживающей твердое вещество, и энергией гидратации, выделяющейся при растворении ионов. Обе величины становятся менее экзотермичными по мере увеличения катиона, поэтому та, которая падает быстрее, определяет тенденцию. С маленьким гидроксид-ионом энергия решётки сильно зависит от размера катиона, поэтому она падает быстрее энергии гидратации: решетку относительно легче разрушить, и растворимость возрастает. С большим сульфат-ионом энергия решётки уже определяется этим крупным анионом и почти не меняется в группе, тогда как энергия гидратации катиона продолжает снижаться — поэтому растворимость падает. Назовите обе энергии и укажите, какая из них падает быстрее; простое повторение тенденций не дает баллов за объяснение.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 thermal stability ladder · ⁨Лестница термической устойчивости группы 2⁩

Move down Group 2 and see why carbonates become harder to decompose. · ⁨Двигайтесь вниз по группе 2 и посмотрите, почему карбонаты становится труднее разложить.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 solubility lab · ⁨Опыт по растворимости группы 2⁩

Classify Group 2 compounds by solubility trend. · ⁨Классифицируйте соединения группы 2 по тренду растворимости.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/	термическая устойчивость
nitrate/ˈnaɪtreɪt/	нитрат
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/	карбонат
cation/ˈkætaɪən/	катион
ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/	ионный радиус
polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/	поляризация
anion/ˈænaɪən/	анион
enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/	изменение энтальпии растворения
lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/	энергия кристаллической решетки
enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/	изменение энтальпии гидратации

27.1

Solubility of the hydroxides and sulfates · ⁨Растворимость гидроксидов и сульфатов⁩

English

When an ionic solid dissolves, two energy changes compete. The enthalpy change of solution 溶解焓变 is the sum of them:

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

you must first pull the lattice apart (this needs the lattice energy 晶格能).
then water surrounds the ions (this releases the enthalpy change of hydration 水合焓变).

If the energy released on hydration roughly matches (or beats) the energy needed to break the lattice, the solid dissolves easily.

Going down the group, both the lattice energy and the hydration enthalpy get smaller (less negative), because the cation is larger. But they shrink at different rates, and this explains the opposite trends:

Compound	Trend in solubility 溶解度 down the group	Why
hydroxides 氢氧化物	increases	the $\text{OH}^-$ ion is small, so the lattice energy falls a lot down the group; this change outweighs the fall in hydration energy
sulfates 硫酸盐	decreases	the $\text{SO}_4^{2-}$ ion is large, so the lattice energy stays almost the same; the fall in hydration energy then dominates, so dissolving becomes less favourable

Русский

При растворении ионного твердого вещества конкурируют два изменения энергии. Тепловой эффект раствора равен их сумме:

При движении вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми — Вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

сначала нужно разобрать решетку (для этого требуется энергия кристаллической решётки).
затем воду окружают ионы (это высвобождает тепловой эффект гидратации).

Если энергия, выделяющаяся при гидратации, примерно равна (или превышает) энергию, необходимую для разрушения решетки, твердое вещество легко растворяется.

Бледно-голубой желеобразный осадок гидроксида меди(II) — Нерастворимый гидроксид металла образуется в виде желеобразного осадка, когда его энергия кристаллической решетки слишком велика для возмещения энергией гидратации

При движении вниз по группе и энергия кристаллической решетки, и энтальпия гидратации становятся меньше (менее отрицательными), так как катион больше. Но они уменьшаются с разной скоростью, что и объясняет противоположные тенденции:

Два блока, сравнивающие гидроксиды и сульфаты: для гидроксидов энергия решетки значительно падает, для сульфатов остается постоянной, что дает противоположные тенденции растворимости — Почему тенденции противоположны: энергия решетки маленького OH$^-$ значительно падает в группе (гидроксиды растворяются лучше), но энергия решетки большого SO$_4^{2-}$ почти не меняется (сульфаты растворяются хуже)

Вещество	Тенденция растворимости вниз по группе	Почему
гидроксиды	возрастает	ион $\text{OH}^-$ маленький, поэтому энергия решетки сильно падает вниз по группе; это изменение перевешивает снижение энергии гидратации
сульфаты	уменьшается	ион $\text{SO}_4^{2-}$ большой, поэтому энергия решетки остается почти неизменной; тогда доминирует снижение энергии гидратации, и растворение становится менее выгодным

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	растворимость
hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/	гидроксид-ионы
sulfate/ˈsʌlfeɪt/	сульфат

27.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Thermal stability of carbonates and nitrates increases down the group — larger cations polarise the anion less.
Give the decomposition products: carbonates → oxide + $\text{CO}_2$; nitrates → oxide + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (brown gas).
Hydroxides get more soluble and sulfates less soluble down the group.
Explain trends with cation charge density (polarising power), not just size.

Русский

Термическая устойчивость карбонатов и нитратов возрастает вниз по группе — большие катионы поляризуют анион меньше.
Назовите продукты разложения: карбонаты → оксид + $\text{CO}_2$; нитраты → оксид + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (коричневый газ).
Гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми вниз по группе.
Объясняйте тенденции через плотность заряда катиона (поляризующую способность), а не только размер.