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 натрий – альбит – имеет состав Na2 [Al2Si6O16]. В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве – соли калия – сильвин 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.
-
- 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.
- Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.
4Li + O2Þ 2Li 2O
- При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2:
2Na + O2 ÞNa2O2
- В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:
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
- 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).
- 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
- Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.
- Некрасов Б.В. Основы общей химии. – М.: Химия, 1974.
- Денисов В.М., Белоусова Н.В., Моисеев Г.К. Висмутсодержащие материалы строение и физико-химические свойства. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000.
- Цымбал В.П. Введение в теорию самоорганизации. С примерами из металлургии. – Новокузнецк: СибГИУ, 2001.
- Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико-химия в металлургии. – М.: МИ-СиС, 2001.
Свежие комментарии