Химические свойства соединений щелочных металлов. Щелочные металлы список и свойства
«Литий есть самый легкий металл; он имеет удельный вес 0,59, вследствие чего плавает даже на нефти; плавится около 185°, но не улетучивается при краснокалильном жаре. Цветом он напоминает натрий и, подобно ему, имеет желтый оттенок.»
Д. И. Менделеев. Основы химии.
Когда в 1817 г. 25-летний шведский химик Юхан Август Арфведсон (1792-1841) вы-делил из минерала петалита новую «огнепостоянную щелочь до сих пор неизвестной природы» (это был гидроксид лития), его учитель, знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848), предложил назвать ее литионом, от греч. lithos - камень.
Эта щелочь, в отличие от уже известных натриевой и калиевой, впервые была обнаружена в «царстве» камней. В 1818 г. английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) получил из «литиона» новый металл, который назвал литием. Этот же греческий корень - в словах «литосфера», «литография» (оттиск с каменной формы) и др.
Литий - самый легкий из твердых веществ: его плотность всего 0,53 г/см3 (вдвое меньше, чем у воды). Получают литий электролизом расплава хлорида лития. Редкое свойство металлического лития - реакция с азотом при обычных условиях с образованием нитрида лития.
Литий все шире применяется в производстве литий-ионных аккумуляторов. В результате мировое производство лития в 2012 г. составило 37 тысяч тонн - в пять раз больше, чем в 2005 г.
Соединения лития находят применение в стекольной и керамической промышленности. Гидроксид лития - поглотитель избытка углекислого газа в кабинах космических кораблей и подводных лодок. Карбонат лития применяется в психиатрии для лечения некоторых расстройств. В среднем человеке содержится менее 1 мг лития.
Натрий
«Получение металлического натрия относится к важнейшим открытиям в химии не потому одному, что чрез то расширилось и стало более правильным понятие о простых телах, но потому особенно, что в натрии видны химические свойства, лишь слабо выраженные в других общеизвестных металлах.»
Д. И. Менделеев. Основы химии.
Русское название «натрий» (оно есть также в шведском и немецком языках) происходит от слова «натрон»: так древние египтяне называли сухую соду, которую использовали в процессе мумификации. В XVIII веке название «натрон» закрепилось за «минеральной щелочью» - едким натром. Сейчас натронной известью называют смесь едкого натра и оксида кальция (по-английски soda lime), а натрий по-английски (и во многих других языках - sodium). Слово «сода» произошло от латинского названия растения солянка (sodanum). Это прибрежное морское растение, золу которого в древности использовали при изготовлении стекла. В этой золе содержится карбонат натрия, который назвали содой. И сейчас сода - важнейшая составная часть шихты для производства большинства стекол, в том числе оконных.
Галит - основной минерал натрия
Первым из людей, который увидел, как выглядит металлический натрий, был Г. Дэви, выделивший новый металл с помощью электролиза. Он же предложил название новому элементу - sodium.
Натрий - очень активный металл, он быстро окисляется на воздухе, покрываясь толстой коркой продуктов реакций с кислородом и водяными парами. Известен лекционный опыт: если маленький кусочек натрия бросить в воду, он начнет реагировать с ней, выделяя водород. В реакции выделяется много теплоты, которая расплавляет натрий, и его шарик бегает по поверхности. Вода охлаждает натрий и не дает водороду вспыхнуть, но если кусок натрия будет большим, возможно возгорание и даже взрыв.
Металлический натрий широко применяется для различных синтезов как восстановитель, а также как осушитель неводных жидкостей. Он присутствует в обладающих высокой емкостью натриево-серных аккумуляторах. Легкоплавкий сплав натрия с кали-ем, жидкий при комнатной температуре, работает теплоносителем, отводящим избыточную тепловую энергию от ядерных реакторов. Всем известен желтый цвет пламени в присутствии натрия: именно так окрашивается пламя газовой конфорки, если в него попадет мельчайшая капля соленого супа. Пары натрия светятся желтым светом в экономичных газоразрядных лампах, освещающих улицы.
Многие столетия соль была единственным средством консервации пищевых продуктов. Без поваренной соли были бы невозможны дальние морские плавания, кругосветные экспедиции и великие географические открытия. История России знает грандиозное восстание, получившее название Соляной бунт, которое началось в 1648 г. и прокатилось по всей стране. Одна из причин восстания - повышение на-лога на соль.
Когда-то натрий получали сотнями тысяч тонн в год: его использовали для получения тетраэтилсвинца, повышающего октановое число бензина. Запрет на этилированный бензин во многих странах привел к снижению производства натрия. Сейчас мировое производство натрия - около 100 тысяч тонн в год.
Минерал галит (хлорид натрия) образует громадные залежи каменной соли. Толь-ко в России ее запасы исчисляются десятками миллиардов тонн. Галит обычно содержит до 8% других солей, в основном магния и кальция. Ежегодно добывается более 280 млн тонн хлорида натрия, это одно из самых крупномасштабных производств. Когда-то в больших количествах добывали в Чили нитрат натрия, отсюда его название - чилийская селитра.
Применение находят и другие соли натрия, которых в настоящее время известно множество. Одна из самых известных - сульфат натрия. Если эта соль содержит воду, она называется глауберовой. Огромные ее количества образуются при испарении воды в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (Туркмения), а также в некоторых соляных озерах. В настоящее время растворы сульфата натрия используются в качестве аккумулятора тепла в устройствах, сохраняющих солнечную энергию, в производстве стекла, бумаги, тканей.
Соль поваренная
Натрий - жизненно важный элемент. Ионы натрия находятся в основном во внеклеточной жидкости и участвуют в механизме мышечных сокращений (недостаток натрия вызывает судороги), в поддержании водно-солевого (ионы натрия задерживают воду в организме) и кислотно-щелочного баланса (поддержание постоянного значении рН крови). Из хлорида натрия в желудке вырабатывается соляная кислота, без которой невозможно переваривание пищи. Содержание натрия в теле среднего человека - около 100 г. Натрий поступает в организм в основном в виде поваренной соли, ее суточная доза составляет 3-6 г. Одно-кратная доза более 30 г опасна для жизни.
Калий
По-арабски al-qili - зола, а также нечто прокаленное. Так же стали называть продукт, получаемый из золы растений, т. е. карбонат калия. В золе подсолнечника калия больше 30%. Без арабского артикля это слово в русском языке превратилось в «калий». Кроме русского языка и латыни (kalium), этот термин сохранился во многих европейских языках: немецком, голландском, датском, норвежском, шведском (с латинским окончанием -um), в греческом (κάλιο), а также в ряде славянских языков: сербском (калијум), македонском (калиум), словенском (kalij).
Калий - один из самых распространенных элементов в земной коре. Основные его минералы - сильвин (хлорид калия), сильвинит (смешанный хлорид калия и натрия) и карналлит (смешанный хлорид калия и магния). Сильвин, а также и нитрат калия (калийная, она же индийская селитра) в огромных количествах используются как калийные удобрения. Вместе с азотом и фосфором калий - один из трех важнейших для питания растений элементов.
Сильвин - один из основных минералов калия (наряду с сильвинитом и карналлитом).
Английское название элемента (potassium), как и русское название карбоната калия (поташ), заимствовано из языков германской группы; в английском, немецком и голландском ash - зола, pot - горшок, т. е. поташ - это «зола из горшка». Раньше карбонат калия получали, выпаривая в чанах вытяжку из золы; ее использовали для получения мыла. Калиевое мыло, в отличие от натриевого, жидкое. От арабского названия золы произошло название щелочи во многих европейских языках: англ. и голл. alkali, нем. Аlkali, франц. и итал. alcali и т.п. Тот же корень присутствует в слове «алкалоиды» то есть «подобные щелочи»).
Калий был первым элементом, который открыл Г. Дэви (он впервые получил также литий, барий, кальций, стронций, магний и бор). Дэви подверг электролизу влажный ку-сок гидроксида калия. При этом на его поверхности, по словам Дэви, «появлялись маленькие шарики с сильным металлическим блеском, внешне не отличавшиеся от ртути. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом и с появлением яркого пламени, другие же не сгорали, а только тускнели, и поверхность их покрывалась белой пленкой». Калий - очень активный металл. Его маленький кусочек, внесенный в воду, взрывается.
Калий - важный биоэлемент, в организме человека содержится от 160 до 250 г калия, больше, чем натрия. Ионы калия участвуют в прохождении нервных импульсов. Много калия содержат фрукты и овощи.
Гидроксид калия используется для получения мыла. Он служит электролитом в щелочных аккумуляторах - железо-никелевых, никель-металлогидридных. Раньше нитрат калия (калиевая селитра) в огромных количествах расходовался для производства черного пороха; сейчас он используется как удобрение.
Природный калий содержит 0,0117% долгоживущего радионуклида 40К с периодом полураспада 1,26 млрд лет. Этим объясняется тот факт, что калий-40 «дожил» до нашего времени с момента его синтеза в ядерных реакциях в звездах. Однако с момента образования Земли 4,5 млрд лет назад содержание 40К на планете из-за его распада снизилось в 12,5 раз! В теле человека массой 70 кг содержится примерно 20 мг 40К, или 3 · 1020 атомов, из которых каждую секунду распадается более 5000 атомов! Не исключено, что такое «внутреннее» облучение (усиленное распадом углерода-14) было одной из причин мутаций в ходе эволюции живой природы. Мировое производство металлического калия невелико: около 200 тонн в год.
Рубидий и цезий
Рубидий и цезий - первые химические элементы, от-крытые с помощью спектрального анализа. Этот метод разработали немецкие ученые и друзья - физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899), работавшие в Гейдельбергском университете. С помощью этого исключительно чувствительного метода они анализировали все попадавшиеся им вещества в надежде найти что-то новое. И в начале 1860-х гг. открыли два новых элемента. Это произошло, когда анализу подвергли сухой остаток, полученный выпариванием воды из минеральных источников курорта Бад-Дюркхайм, в 30 км от Гейдельберга. В спектре этого вещества, помимо уже известных им линий натрия, калия и лития, Кирхгоф и Бунзен заметили две слабые голубые линии. Они поняли, что эти линии принадлежат неизвестному химическому элементу, который присутствует в воде в очень малых количествах. По свету спектральных линий новый элемент
Продолжив исследования, Кирхгоф и Бунзен обнаружили в присланном им из Саксонии алюмосиликатном минерале лепидо (литиевой слюде) еще один элемент, в спектре которого выделялись темно-красные линии. Его назвали рубидием: от лат. rubidus - красный. Этот же элемент был обнаружен в минеральной воде, откуда химику Бунзену удалось его выделить. Достойно упоминания что для получения нескольких граммов соли рубидия пришлось переработать 44 тонны минеральной воды и свыше 180 кг лепидолита.
Кристаллы цезия можно хранить в запаянной ампуле.
И как в конце XIX века в не менее титанической работе по выделению соли радия «компасом» для Марии Кюри служила радиоактивность, аналогичным «компасом» для Кирхгофа и Бунзена был спектроскоп.
Рубидий и цезий - типичные щелочные металлы. Это подтвердилось, когда химик Бунзен восстановлением соли рубидия получил этот элемент в виде металла. Более активный цезий удалось получить в чистом виде только в 1881 г. шведскому химику Карлу Теодору Сеттербергу (1853-1941) путем электролиза расплавленного цианида цезия. Цезий - один из самых легкоплавких металлов. В чистом виде он имеет золотистый цвет. Но получить чистый цезий непросто: на воздухе он мгновенно самовоспламеняется. Чистый рубидий плавится всего при 39,3 °С, цезий - на 10 градусов ниже, и в очень жаркий летний день образцы этих металлов в ампулах становятся жидкими.
Мировое производство металлического рубидия невелико - около 3 тонн в год. В медицине используется рубидий-87: его атомы поглощаются клетками крови, и по излучению ими быстрых электронов с помощью специального оборудования можно увидеть «узкие места» в кровеносных сосудах. Используется рубидий в элементах солнечных батарей.
Густав Кирхгоф (слева) и Роберт Бунзен обнаружили рубидий благодаря спектроскопу. В спектре лепидолита они обнаружили темно-красные линии и дали имя новому элементу - рубидий.
В организме человека среднего возраста содержится примерно 0,7 г рубидия, а цезия - всего 0,04 мг.
Электронные переходы в атомах цезия используются в исключительно точных «атомных часах». Во всем мире сейчас более 70 таких точнейших часов - эталонов времени: ошибка составляет менее секунды за 100 миллионов лет. По цезиевым часам определена единица времени - секунда.
Было предложено использовать ионы цезия для разгона ракеты с помощью электро-реактивного двигателя. В нем ионы ускоряются в сильном электростатическом поле и выбрасываются через сопло.
Электрические ракетные двигатели при малой тяге способны работать длительное время и осуществлять полеты на большие расстояния.
Франций
Этот элемент открыла (по его радиоактивности) в 1939 г. сотрудница Института радия в Париже Маргарита Перей (1909-1975), а название ему она дала в честь своей родины в 1946 г.
Франций - сосед цезия по Периодический системе элементов. Д. И. Менделеев так и назвал не открытый тогда еще элемент - экацезием. Этот последний и самый тяжелый щелочной металл разительно отличается от всех других в его группе. Во-первых, никто никогда не видел и не увидит даже мельчайший кусочек франция. Во-вторых, у франция нет таких физических свойств, как плотность, температура плавления и кипения. Так что термин «самый тяжелый металл» можно отнести только к его атомам, но не к простому веществу. И все по-тому, что франций - искусственно полученный сильно радиоактивный элемент, самый долгоживущий его изотоп 223 Fr имеет период полураспада всего 22 минуты. А чтобы изучить физические свойства вещества, нужно иметь его в виде хотя бы самого маленького кусочка. Но для франция это невозможно.
Маргарита Перей - первая женщина, избранная (в 1962 г.) во Французскую академию наук.
Франций получают искусственно. И по мере синтеза его атомы быстро распадаются. Причем чем больше накоплено атомов, тем больше их распадается в единицу времени. Значит, чтобы просто поддерживать число атомов франция постоянным, их нужно синтезировать со скоростью не меньшей, чем скорость их распада. При синтезе франция в Дубне путем облучения урана мощным пучком протонов каждую секунду получался примерно миллион атомов этого элемента. При такой скорости синтеза скорость распада образца становится равной скорости его образования, когда число его атомов равно двум миллиардам. Это совершенно ничтожное количество вещества, его даже в микроскоп не видно.
Кроме того, эти атомы не собраны в кусочек металла, а распределены по поверхности урановой мишени. Так что неудивительно, что во всем земном шаре в любой момент наберется не более двух-трех десятков граммов франция, рассеянных поодиночке в радиоактивных горных породах.
К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns 1 . В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.
Физические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).
В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.
Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.
Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки
Получение щелочных металлов
Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:
2LiCl = 2Li + Cl 2
2NaCl = 2Na + Cl 2
Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:
2MeCl + Ca = 2Mе + CaCl 2 ,
где Ме – металл.
Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:
2Li 2 O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2 SiO 4
Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:
KOH + Na = K + NaOH
Химические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:
2Me + H 2 O = 2MeOH + H 2
где Ме – металл.
Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):
4Li + O 2 = 2Li 2 O
2Na + O 2 =Na 2 O 2
Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.). Например:
2Na + Cl 2 =2NaCl
6Li + N 2 = 2Li 3 N
2Li +2C = Li 2 C 2
2Na + H 2 = 2NaH
Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:
2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2
Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:
3Na + AlCl 3 = 3NaCl + Al
Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.
Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:
2Na + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ONa + H 2
2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2
2Na + 2CH 3 COOH = 2CH 3 COONa + H 2
Качественные реакции
Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li + окрашивает пламя в красный цвет, Na + — в желтый, а K + , Rb + , Cs + — в фиолетовый.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Осуществите химические превращения Na→Na 2 O→NaOH→Na 2 SO 4 |
| Решение | 4Na + O 2 →2Na 2 O
Хим. элементы (щелочные элементы), составляющие гл. подгруппу 1 группы периодич. системы элементов, а также отвечающие им простые вещества металлы. К Щ. м. относятся литий Li (ат. номер 3), натрий Na (11), калий К (19), рубидий Rb (37), це … Физическая энциклопедия ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ, одновалентные металлы, составляющие первую группу периодической таблицы: литий, НАТРИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ и ФРАНЦИЙ. Это мягкие серебристо белые металлы, которые быстро окисляются на воздухе и дают бурную реакцию с водой, при… … Научно-технический энциклопедический словарь Щелочные металлы - ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Мягкие металлы, легко режутся (кроме Li), Rb, Cs и Fr почти пастообразны при обычных условиях; Li самый лёгкий из всех металлов, Na и K легче воды. Химически очень… … Иллюстрированный энциклопедический словарь ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - химические элементы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Название от щелочей гидроксидов щелочных металлов … Большой Энциклопедический словарь ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с … Российская энциклопедия по охране труда щелочные металлы - Группа, включ. Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Тематики металлургия в целом EN alkali metals … Справочник технического переводчика ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ПОДГРУППА IА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром. С каждого… … Энциклопедия Кольера Щелочные металлы - Alkali metals Щелочные металлы. Металлы первой группы Периодической системы, а именно: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Они образуют строго щелочные гидроксиды, отсюда и их название. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под… … Словарь металлургических терминов Щелочные металлы Энциклопедический словарь по металлургии ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - химические элементы Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Названы так потому, что их гидрооксиды наиболее сильные щелочи. Химически щелочные металлы наиболее активные металлы. Их активность возрастает от Li к Fr … Металлургический словарь Книги
Что же такое щелочные металлы? Это элементы первой группы, основной подгруппы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся такие металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Они обладают рядом свойств, которые присущи этой группе. ОсобенностиЭти металлы имеют небольшие значения плотностей (литий, натрий, калий легче води), низкие температуры плавления (максимальная у лития – 180,6 °C). Они мягкие, легко режутся ножом, быстро окисляются, поэтому их хранят в емкостях заполненных химически малоактивными газами или жидкостями (обычно керосин). Все металлы данной подгруппы имеют серебристо-белый цвет. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева щелочные металлы всегда следуют за инертными газами. Инертные или благородные газы очень плохо вступают в какие-либо химические реакции, они химически неактивные газы и это объясняется тем, что их электронные оболочки полностью заполнены. В отличие от газов у щелочных металлов появляется один неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне. Поэтому в химических реакциях эти металлы выступают донорами электронов. Они всегда имеют степень окисления +1, химически очень активны – активно реагируют с кислотами (со взрывом), бурно реагируют с водой выделяя водород и образуя щёлочи MeOH (здесь Me – металл). Активность данных металлов увеличивается от Li к Fr.
Литий — это первый элемент в группе щелочных металлов. Атомная масса — 6,941, состоит из двух природных изотопов 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %), также известно о получении искусственным путем еще двух изотопов, но продолжительность их жизни очень мала. Интересный факт о щелочном металле — стоимость 7Li в несколько раз выше за стоимость 6Li, хотя первый более распространён. История открытия данного элемента связана с именем шведского химика И. А. Арфведсона.
Калий, наравне с натрием, играет важнейшую роль в работе клеток живых организмов, поддерживая их мембранный потенциал. В организме человека содержится около 175 граммов этого металла, и для поддержания этого запаса его нужно ежедневно пополнять примерно на 4 грамма. В природе встречается часто, но только в составе соединений, занимает третье место по количеству содержания его в воде. При недостатке в почве, этот металл вводят в виде удобрений: хлорида калия KCl, сульфата калия K2SO4 и золы растений. Многим известно такое вещество, как цианистый калий; но не многие знают, где его используют. А используют его для гальванического серебрения а также золочения неблагородных металлов, извлечения дорогостоящих металлов, а именно серебра и золота, из руд.
Цезий был открыт в 1860 году в целебных минеральных источниках Шварцвальдена. Атомная масса – 132,905. Данный металл используется в таких отраслях: автоматике и электронике, в радиолокации и кино, а также в атомных реакторах и космических кораблях. Это был первый элемент, который открыли с помощью спектрального анализа.
ФранцийФранций — это самый нестабильный и тяжёлый элемент среди щелочных металлов с атомной массой 223 и периодом полураспада 22 минуты. Из-за таких характеристик его было очень сложно выделить. Это очень редкий металл которого, по подсчетам учёных, в земной коре находится всего около 500 грамм, поэтому франций исследовали на искусственно созданных образцах.
НатрийНатрий — один из самых распространённых щелочных металлов. Из-за этого его используют в разнообразных отраслях. Например, раствором цианида натрия обрабатывают руды драгоценных металлов. В результате получают координационные соединения из которого с помощью цинка выделяют чистое золото или серебро. Натрий также используют на атомных подводных лодках как теплоноситель из-за его некоторых физических свойств (большая разница между температурами плавления и кипения). В природе натрий не встречается в чистом виде – слишком активен, поэтому — только в составе руд. Интересный факт — в атмосфере на высоте около 80 км обнаружен слой атомарного натрия. Это объясняется тем что на таких высотах нет элементов с которыми натрий смог бы взаимодействовать.
РубидийРубидий — это по-своему интересный щелочной металл. Имея атомную массу 85,467 металл является радиоактивным. При соприкосновением с воздухом рубидий воспламеняется и горит розовато-фиолетовым пламенем, с водой, F, Cl, Br, I, S – происходит взрыв. Интересная особенность рубидия — это способность вырабатывать электрический ток под воздействием солнечного излучения. Хотя щелочные металлы и обладают рядом особенностей присущих им всем, каждый из них также имеет свойства, характерные только для него. Некоторые элементы до сих пор очень плохо изучены, а учитывая востребованность металлов данной группы разными отраслями промышленности, давно назрела необходимость заполнить пустые места в научных справочниках.
Это элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо-белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с водой, образуя щёлочи (откуда название).
Восстановительная способность увеличивается в ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs. Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер. Практически все соли растворимы в воде. Низкие температуры плавления, Малые значения плотностей, Мягкие, режутся ножом Вследствие своей активности щелочные металлы хранят под слоем керосина, чтобы преградить доступ воздуха и влаги. Литий очень легкий и в керосине всплывает на поверхность, поэтому его хранят под слоем вазелином. Химические свойства щелочных металлов1. Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2 2. Реакция щелочных металлов с кислородом:4Li + O 2 → 2Li 2 O (оксид лития) 2Na + O 2 → Na 2 O 2 (пероксид натрия) K + O 2 → KO 2 (надпероксид калия) На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.). 3. В реакциях щелочных металлов с другими неметаллами образуются бинарные соединения:2Li + Cl 2 → 2LiCl (галогениды) 2Na + S → Na 2 S (сульфиды) 2Na + H 2 → 2NaH (гидриды) 6Li + N 2 → 2Li 3 N (нитриды) 2Li + 2C → Li 2 C 2 (карбиды) 4. Реакция щелочных металлов с кислотами(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой): 2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2 5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком(образуется амид натрия): 2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2 6. Взаимодействие щелочных металлов со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:2Na + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ONa + H 2 ; 2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2 ; 7. Качественная реакция на катионы щелочных металлов — окрашивание пламени в следующие цвета:Li + – карминово-красный Na + – желтый K + , Rb + и Cs + – фиолетовый Получение щелочных металловМеталлические литий, натрий и калий получают
электролизом расплава солей (хлоридов), а рубидий и цезий – восстановлением в вакууме при нагревании их хлоридов кальцием: 2CsCl+Ca=2Cs+CaCl 2 2NaCl+CaC 2 =2Na+CaCl 2 +2C; Активные щелочные металлы выделяются в вакуум-термических процессах благодаря своей высокой летучести (их пары удаляются из зоны реакции).
Электронная конфигурация атома лития 1s 2 2s 1 . У него самый большой во 2-м периоде атомный радиус, что облегчает отрыв валентного электрона и возникновение иона Li + со стабильной конфигурацией инертного газа (гелия). Следовательно, его соединения образуются с передачей электрона от лития к другому атому и возникновением ионной связи с небольшой долей ковалентности. Литий ‑ типичный металлический элемент. В виде вещества это щелочной металл. От других членов I группы он отличается малыми размерами и наименьшей, по сравнению с ними, активностью. В этом отношении он напоминает расположенный по диагонали от Li элемент II группы ‑ магний. В растворах ион Li + сильно сольватирован; его окружают несколько десятков молекул воды. Литий по величине энергии сольватации - присоединения молекул растворителя, стоит ближе к протону, чем к катионам щелочных металлов. Малый размер иона Li + , высокий заряд ядра и всего два электрона создают условия для возникновения вокруг этой частицы довольно значительного поля положительного заряда, поэтому в растворах к нему притягивается значительное число молекул полярных растворителей и его координационное число велико, металл способен образовывать значительное число литийорганических соединений. Натрием начинается 3-й период, поэтому у него на внешнем уровне всего 1е — , занимающий 3s-орбиталь. Радиус атома Na - наибольший в 3-м периоде. Эти две особенности определяют характер элемента. Его электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Единственная степень окисления натрия +1. Электроотрицательность его очень мала, поэтому в соединениях натрий присутствует только в виде положительно заряженного иона и придает химической связи ионный характер. По размеру ион Na + значительно больше, чем Li + , и сольватация его не так велика. Однако в растворе в свободном виде он не существует. Физиологическое значение ионов К + и Na + связано с их различной адсорбируемостью на поверхности компонентов, входящих в состав земной коры. Соединения натрия лишь незначительно подвержены адсорбции, в то время как соединения калия прочно удерживаются глиной и другими веществами. Мембраны клеток, являясь поверхностью раздела клетка ‑ среда, проницаемы для ионов К + , вследствие чего внутриклеточная концентрация К + значительно выше, чем ионов Na + . В то же время в плазме крови концентрация Na + превышает содержание в ней калия. С этим обстоятельством связывают возникновение мембранного потенциала клеток. Ионы К + и Na + ‑ одни из основных компонентов жидкой фазы организма. Их соотношение с ионами Са 2+ строго определенно, а его нарушение приводит к патологии. Введение ионов Na+ в организм не оказывает заметного вредного влияния. Повышение же содержания ионов К + вредно, но в обычных условиях рост его концентрации никогда не достигает опасных величин. Влияние ионов Rb + , Cs + , Li + еще недостаточно изучено. Из различных поражений, связанных с применением соединений щелочных металлов, чаще всего встречаются ожоги растворами гидроксидов. Действие щелочей связано с растворением в них белков кожи и образованием щелочных альбуминатов. Щелочь вновь выделяется в результате их гидролиза и действует на более глубокие слои организма, вызывая появление язв. Ногти под влиянием щелочей становятся тусклыми и ломкими. Поражение глаз, даже очень разбавленными растворами щелочей, сопровождается не только поверхностными разрушениями, но нарушениями более глубоких участков глаза (радужной оболочки) и приводит к слепоте. При гидролизе амидов щелочных металлов одновременно образуется щелочь и аммиак, вызывающие трахеобронхит фибринозного типа и воспаление легких. Калий был получен Г. Дэви практически одновременно с натрием в 1807 г. при электролизе влажного гидроксида калия. От названия этого соединения ‑ «едкое кали» и получил свое наименование элемент. Свойства калия заметно отличаются от свойств натрия, что обусловлено различием величин радиусов их атомов и ионов. В соединениях калия связь более ионная, а в виде иона К + он обладает меньшим поляризующим действием, чем натрий, из-за больших размеров. Природная смесь состоит из трех изотопов 39 К, 40 К, 41 К. Один из них 40 К ‑ радиоактивен и определенная доля радиоактивности минералов и почвы связана с присутствием этого изотопа. Его период полураспада велик ‑ 1,32 млрд. лет. Определить присутствие калия в образце довольно легко: пары металла и его соединения окрашивают пламя в фиолетово-красный цвет. Спектр элемента довольно прост и доказывает наличие 1е — на 4s-орбитали. Изучение его послужило одним из оснований для нахождения общих закономерностей в строении спектров. В 1861 г. при исследовании соли минеральных источников спектральным анализом Роберт Бунзен обнаружил новый элемент. Его наличие доказывалось темно-красными линиями в спектре, которых не давали другие элементы. По цвету этих линий элемент и был назван рубидием (rubidus-темно-красный). В 1863 г. Р. Бунзен получил этот металл и в чистом виде восстановлением тартрата рубидия (виннокислой соли) сажей. Особенностью элемента является легкая возбудимость его атомов. Электронная эмиссия у него появляется под действием красных лучей видимого спектра. Это связано с небольшой разницей в энергиях атомных 4d и 5s-орбиталей. Из всех щелочных элементов, имеющих стабильные изотопы, рубидию (как и цезию) принадлежит один из самых больших атомных радиусов и маленький потенциал ионизации. Такие параметры определяют характер элемента: высокую электроположительность, чрезвычайную химическую активность, низкую температуру плавления (39 0 C) и малую устойчивость к внешним воздействиям. Открытие цезия, как и рубидия, связано со спектральным анализом. В 1860 г. Р.Бунзен обнаружил две яркие голубые линии в спектре, не принадлежащие ни одному известному к тому времени элементу. Отсюда произошло и название «цезиус» (caesius), что значит небесно-голубой. Это последний элемент подгруппы щелочных металлов, который ещё встречается в измеримых количествах. Наибольший атомный радиус и наименьшие первые потенциалы ионизации определяют характер и поведение этого элемента. Он обладает ярко выраженной электроположительностью и ярко выраженными металлическими качествами. Стремление отдать внешний 6s-электрон приводит к тому, что все его реакции протекают исключительно бурно. Небольшая разница в энергиях атомных 5d- и 6s-орбиталей обусловливает легкую возбудимость атомов. Электронная эмиссия у цезия наблюдается под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловых). Указанная особенность структуры атома определяет хорошую электрическую проводимость тока. Все это делает цезий незаменимым в электронных приборах. В последнее время все больше внимания уделяется цезиевой плазме как топливу будущего и в связи с решением проблемы термоядерного синтеза. На воздухе литий активно реагирует не только с кислородом, но и с азотом и покрывается пленкой, состоящей из Li 3 N (до 75%) и Li 2 O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na 2 O 2) и надпероксиды (K 2 O 4 или KO 2). Перечисленные вещества реагируют с водой: Li 3 N + 3 H 2 O = 3 LiOH + NH 3 ; Na 2 O 2 + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2 O 2 ; K 2 O 4 + 2 H 2 O = 2 KOH + H 2 O 2 + O 2 . Для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях, в изолирующих противогазах и дыхательных аппаратах боевых пловцов (подводных диверсантов) использовалась смесь «оксон»: Na 2 O 2 +CO 2 =Na 2 CO 3 +0,5O 2 ; K 2 O 4 + CO 2 = K 2 CO 3 + 1,5 O 2 . В настоящее время это стандартная начинка регенерирующих патронов изолирующих противогазов для пожарных. Гидрид лития используется как сильный восстановитель. Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде: SiO 2 +2NaOH=Na 2 SiO 3 +H 2 O. Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 1300 0 С). Некоторые соединения натрия называют содами : а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na 2 CO 3 ; |
Все щелочные металлы чрезвычайно активны, во всех химических реакциях проявляют восстановительные свойства, отдают свой единственный валентный электрон, превращаясь в положительно заряженный катион, проявляют единственную степень окисления +1.
Особенности химических свойств s-элементов I группы и их физиологическое действие