КЧГУ им. У.Д. Алиева ЕГФ 21 группа

г. Карачаевск, КЧР, Российская  Федерация

Элементы первой группы периодической системы характеризуются прежде всего одинаковым строением внешнего электронного слоя атомов, в котором у всех членов группы содержится только один электрон. Но второй снаружи электронный слой у отдельных элементов группы построен различно. Это обстоятельство оказывает большое влияние на свойства соответствующих элементов и вызывает деление группы на две подгруппы – главную и побочную. Главную подгруппу образуют типические элементы – литий и натрий исходные с ними по строению атомов элементы четных рядов больших периодов – калий, рубидий и цезий, содержащие в предпоследнем слое восемь электронов. К побочной подгруппе относятся элементы нечетных рядов больших периодов – медь, серебро и золото, с восемнадцатью электронами в предпоследнем слое.

Название “щелочные “металлы” присвоено элементам главной подгруппы первой группы ввиду того, что гидроокиси двух главных представителей этой группы – лития, натрия и калия – издавна были известны под названием “щелочей”. Из этих щелочей, подвергая их в расплавленном состоянии электролизу, Дэви в 1807 г. впервые получил свободные калий и натрий. Имея в наружном слое только один электрон, удаленный от ядра на значительное расстояние, атомы щелочных металлов чрезвычайно легко отдают его, превращаясь в положительные однозарядные ионы с устойчивой оболочкой соответствующего инертного газа.

Поэтому щелочные металлы являются наиболее типичными представителями металлов. Все металлические свойства выражены у них особенно резко.

Щелочные металлы совершенно не способны присоединять электроны.

Одинаковое строение не только наружного, но и предпоследнего электронного слоя обусловливает большое сходство щелочных металлов друг с другом. Но в то же время увеличение заряда ядра и общего числа электронов в атоме при переходе от лития к цезию создает некоторые качественные различия между отдельными членами группы. Как и в других группах, эти различия проявляются главным образом в более легкой отдаче валентных электронов и усилении металлических свойств с возрастанием порядкового номера.

В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1. Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия – один из самых низких) и электроотрицательности (ЭО).

Таблица 1. Некоторые свойства щелочных металлов

Атомный номер Название, символ Металлический радиус, нм Ионный радиус, нм Потенциал ионизации, эВ ЭО p, г/см³ tпл, °C tкип, °C
3 Литий Li 0,152 0,078 5,32 0,98 0,53 181 1347
11 Натрий Na 0, 190 0,098 5,14 0,93 0,97 98 883
19 Калий K 0,227 0,133 4,34 0,82 0,86 64 774
37 Рубидий Rb 0,248 0,149 4,18 0,82 1,53 39 688
55 Цезий Cs 0,265 0,165 3,89 0,79 1,87 28 678

(подробнее см. Приложение)

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы. Многие минералы содержат в своём составе металлы главной подгруппы I группы. Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмюсиликата калия K2 [Al2Si6O16], аналогичный минерал, содержащий натрийальбит – имеет состав Na2 [Al2Si6O16]. В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве – соли калиясильвин KCl, сильвинит NaCl KCl, карналлит KCl MgCl2 6H2O, полигалит K2SO4 MgSO4 CaSO4 2H2O.

Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений. Натрий и калий принадлежат к наиболее распространенным на земле элементам: содержание натрия в земной коре составляет 2,40, а калия 2,35 вес. %. Оба металла входят в состав различных минералов и горных пород силикатного типа. Хлористый натрий находится в морской воде, а также образует мощные отложения каменной соли во многих местах земного шара. В верхних слоях этих отложений иногда содержатся довольно значительные количества калия, преимущественно в виде хлористого калия и в виде двойных солей с натрием и магнием. Однако большие скопления калиевых солей, имеющие промышленное значение, встречаются редко.

Залежи натриевой селитры находятся в Чили. Сода содержится в воде многих озер. Наконец, огромные количества сульфата натрия находятся в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря, где эта соль в зимние месяцы толстым слоем осаждается на дно залива.

Значительно меньше, чем натрий и калий, распространены остальные три щелочных металла: литий, рубидий и цезий.

Чаще других встречается литий, но содержащие его минералы редко образуют большие скопления. Следы лития можно обнаружить в воде многих минеральных источников, в почве, а также в золе некоторых растений, как, например, свеклы, табака, хмеля. Рубидий и цезий содержатся в малых количествах в некоторых литиевых минералах.

Щелочные металлы всегда находятся в соединениях в виде положительно заряженных ионов. Так как атомы щелочных металлов очень легко окисляются, отдавая свои электроны, то ионы их, наоборот, трудно восстанавливаются.

Li

Li2O Al2O3 4SiO2 – сподумен

Na

NaCl – каменная соль

Na2SO4 10H2O – глауберова соль (мирабилит)

NaNO3 – чилийская селитра

K

KCl NaCl – сильвинит

KCl MgCl2 6H2O – карналлит

K2O Al2O3 6SiO2 – полевой шпат (ортоклаз)

Алюминий-литиевые сплавы нашли применение в авиационной и космической технике.

Литий используется при производстве литиевых аккумуляторов, такие аккумуляторы применяются в кардиостимуляторах.

Расплавы натрия и калия используются в качестве теплоносителей в атомных реакторах и в авиационных двигателях.

Пары натрия используются в люминесцентных светильниках.

Натрий служит катализатором в производстве каучука.

Натрий используется при производстве калия, титана, циркония и тантала, а также тетраэтилсвинца – добавки, улучшающей детонационные свойства бензина.

Пероксид натрия и надпероксид калия используются в подводных лодках и космических кораблях для регенерации кислорода.

Гидроксид калия применяется для получения жидкого мыла и стекла.

Гидроксид натрия используется для производства бумаги, искусственных тканей, мыла, очистки нефтепроводов, в производстве искусственного волокна и в щелочных аккумуляторах. Хлорид натрия – пищевой продукт и сырье для получения натрия и его соединений, применяется в медицине для приготовления физиологического раствора.

Карбонат натрия используется для производства бумаги, мыла и стекла.

Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) применяется в медицине, кулинарии, в производстве минеральных вод, используется в огнетушителях.

Карбонат калия (поташ) необходим при производстве жидкого мыла и стекла.

Нитрат калия – комплексное минеральное удобрение, применяется для производства черного пороха и фейерверков.

Цезий нашел применение в фотоэлементах.

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, и иногда даже и азоту (Li, Cs) их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

    1. Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов – их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий:

    2Li + 2H2O Þ2LiOH + H2Ý

    При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

    1. Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

     

    4Li + O2Þ 2Li 2O

    2Na + O2 ÞNa2O2

    K+O2ÞKO2

    Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:

    2Na + 2NaOHÞ2Na2O +H2Ý

    2 Na + Na2O2 Þ2Na2O

    3K + KO2Þ2K2O

    Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О22−и надпероксид-ион O2.

    Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs:

    Таблица 2. Цвет формул кислородного соединения

    Формула кислородного соединения Цвет
    Li2O Белый
    Na2O Белый
    K2O Желтоватый
    Rb2O Жёлтый
    Cs2O Оранжевый
    Na2O2 Светло- жёлтый
    KO2 Оранжевый
    RbO2 Тёмно- коричневый
    CsO2 Жёлтый

    Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

    Li2O + H2O Þ2LiOH

    K2O +SO3 ÞK2SO4

    Na2O + 2HNO3 Þ 2NaNO3 + H2O

    Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

    Na2O2 + 2 NaI + 2 H2SO4 ÞI2 + 2 Na2SO4+2H2O

    Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

    Na2O2 + 2H2O Þ2NaOH + H2O2

    2 K2O + 2H2O Þ 2KOH + H2O2 +O2

    1. Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов.

    При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами. Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных – аминах и амидах. При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака. Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей).

    1. Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

    Таблица 3. Окраска пламени щелочными металлами и их соединениями

    Щелочной металл Цвет пламени
    Li Карминно-красный
    Na Жёлтый
    K Фиолетовый
    Rb Бурокрасный
    Cs Фиолетово-красный

    Литий, натрий, калий, рубидий в свободном состоянии серебристо-белые металлы, цезий имеет золотисто-желтый цвет. Все металлы очень мягкие и пластичные. Наибольшей твердостью обладает литий, остальные металлы легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу.

    В кристаллическом состоянии все они имеют объемоцентрированную кристаллическую решетку с металлическим типом химической связи, что обуславливает их высокую тепло – и электропроводность.

    Все щелочные металлы имеют небольшую плотность, самый легкий металл – литий, его плотность составляет всего 0,53 г/см3.

    Некоторые физические свойства щелочных металлов приведены в таблице.

    Таблица 4. Некоторые физические свойства щелочных металлов

    Свойство Li Na K Rb Cs
    Плотность, кг/м3 530 970 860 1530 1880
    Температура плавления,°С 180 98 64 40 29
    Температура кипения,°С 1342 883 759 688 671

    Металлы имеют достаточно низкие температуры плавления и кипения, причем с увеличением порядкового номера элемента температура плавления металла понижается.

    Все металлы очень активны, поэтому их хранят в запаянных ампулах, под слоем вазелинового масла или керосина.

    Список использованной литературы

    1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.
    2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. – М.: Химия, 1974.
    3. Денисов В.М., Белоусова Н.В., Моисеев Г.К. Висмутсодержащие материалы строение и физико-химические свойства. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000.
    4. Цымбал В.П. Введение в теорию самоорганизации. С примерами из металлургии. – Новокузнецк: СибГИУ, 2001.
    5. Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико-химия в металлургии. – М.: МИ-СиС, 2001.
Login