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).
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.
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 металлов
1. 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 металлов
Металлические 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
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:
2NaCl+CaC 2 =2Na+CaCl 2 +2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl 2 +Ca 2 SiO 4 .
Активные щелочные металлы выделяются в вакуум-термических процессах благодаря своей высокой летучести (их пары удаляются из зоны реакции).
Особенности химических свойств s-элементов I группы и их физиологическое действие
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.
Щелочные металлы реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды:
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 ;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na 2 CO 3 . 10H 2 O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO 3 ;
г) гидроксид натрия NaOH называют каустической содой или каустиком.
Структура внешних электронных слоев в атомах элементов I группы позволяет прежде всего предполагать отсутствие у них тенденции к присоединению электронов. С другой стороны, отдача единственного внешнего электрона, казалось бы, должна происходить весьма легко и вести к образованию устойчивых одновалентных катионов рассматриваемых элементов.
Как показывает опыт, предположения эти в полной мере оправдываются только применительно к элементам левого столбца (Li , Na , К и аналогам). Для меди и ее аналогов они верны лишь, наполовину: в смысле отсутствия у них тенденции к присоединению электронов. Вместе с тем их наиболее удаленный от ядра 18-электронный слой оказывается еще не вполне закрепленным и при определённых условиях способен к частичной потере электронов. Последнее обусловливает возможность существования на ряду с одновалентными С u , Ag и А u также и соединений рассматриваемых элементов, отвечающих их более высокой валентности.
Подобное расхождение выведенных из атомных моделей предположений н результатов опыта показывает, что рассмотрение свойств элементов на основе только электронных структур атомов и без учета остальных особенностей не всегда достаточно для химической характеристики этих элементов даже в самых грубых чертах.
Щелочные металлы.
Применяемое к элементам ряда Li-Cs название щелочные металлы связано с тем, что их гидроокиси являются сильными щелочами. Натрий
и калий
относятся к наиболее распространенным элементам, составляя соответственно 2,0 и 1,1% от общего числа атомов земной коры. Содержание в ней лития
(0,02%), рубидия
(0,004%) и цезия
(0,00009%) уже значительно меньше, а франция
- ничтожно мало. Элементарные Na и К выделены только в 1807 г. Литий открыт в 1817 г., цезий и рубидий - соответственно в 1860 и 1861 г. Элемент № 87 - франций - был открыт в 1939 г., а название свое получил в 1946 г. Природные натрий и цезий являются «чистыми» элементами (23 Na и 133 Cs), литий слагается из изотопов 6 Li (7,4%) и 7 Li (92,6%), калий-из изотопов 39 К (93,22%).
40 К (0,01%) и 41 К (6,77%), рубидий- из изотопов 85 Rb (72,2%) и 87 Rb (27,8%). Из изотопов франция основное значение имеет встречающийся в природе 223 Fr (средняя продолжительность жизни атома 32 мин).
Распространённость:
В природе встречаются только соединения щелочных металлов. Натрий и калий являются постоянными составными частями многих силикатов. Из отдельных минералов натрия важнейший - поваренная соль (NaCl) входит в состав морской воды и на отдельных участках земной поверхности образует под слоем наносных пород громадные залежи каменной соли. Верхние слои подобных залежей иногда содержат скопления солей калия в виде пластов сильвинита (mKCl∙nNaCl), ка рналлита (КСl MgCl 2 6Н 2 О) и др., служащие основным источником получения соединений этого элемента. Имеющих промышленное значение природных скоплений калийных солей известно лишь немного. Для лития известен ряд минералов, но скопления их редки. Рубидий и цезий встречаются почти исключительно в виде примесей к калию. Следы франция всегда содержатся в урановых рудах . Минералами лития являются, например, сподумен и лепидолит {Li 2 KAl }. Часть калия в последнем из них иногда бывает замещена на рубидий. То же относится к карналлиту, который может служить хорошим источником получения рубидия. Для технологии цезия наиболее важен сравнительно редкий минерал поллуцит - CsAI(SiO 3) 2 .
Получение:
В свободном состоянии щелочные металлы могут быть выделены электролизом их расплавленных хлористых солей. Основное практическое значение имеет натрий, ежегодная мировая выработка которого составляет более 200 тыс. т.Схема установки для его получения электролизом расплавленного NaCl показана ниже. Ванна состоит из стального кожуха с шамотной футеровкой, графитовым анодом (А) и кольцевым железным катодом (К), между которыми расположена сетчатая диафрагма. Электролитом обычно служит не чистый NaCl (т. пл. 800 ℃), а более легкоплавкая смесь из приблизительно 40% NaCl и 60% СаСl 2 , что дает возможность работать при температурах около 580 °С. Собирающийся в верхней части кольцевого катодного пространства и переходящий в сборник металлический натрий содержит небольшую (до 5%) примесь кальция, который затем почти полностью выделяется (растворимость Са в жидком натрии при температуре его плавления равна лишь 0,01%). По мере хода электролиза в ванну добавляют NaCl. Расход электроэнергии составляет около 15 кВт ч на 1 кг Na.
2NaCl→ 2Na+Cl 2
Это интересно:
До введения в практику электролитического метода металлический натрий получали накаливанием соды с углем по реакции:
Na 2 CO 3 +2C+244ккал→2Na+3CO
Выработка металлических К и Li несравненно меньше, чем натрия. Литий получают электролизом расплава LiCl + КСl, а калий-действием паров натрия на расплав КСl, поступающий противотоком к ним в специальных дистилляционных колоннах (из верхней части которых выходят пары калия). Рубидий и цезий в больших масштабах почти не добываются. Дли получении небольших количеств этих металлов удобно пользоваться нагреванием в вакууме их хлоридов с металлическим кальцием.
2LiCl→2Li+Cl 2
Физический свойства:
При отсутствии воздуха литий и его аналоги представляют собой серебристо-белые (за исключением желтоватого цезия) вещества с более или менее сильным металлическим блеском. Все щелочные металлы характеризуются небольшими плотностями, малой твердостью, низкими температурами плавления и кипения и хорошей электропроводностью. Их важнейшие константы сопоставлены ниже:
|
Плотность, г/см 3 . |
|||||
|
Температура плавления, °С |
|||||
|
Температура кипения, °С |
Благодаря малой плотности Li, Na и К всплывают на воде (Li - даже на керосине). Щелочные металлы легко режутся ножом, а твердость наиболее мягкого из них - цезия - не превышает твердость воска. Несветящееся пламя газовой горелки щелочные металлы и их летучие соединения окрашивают в характерные цвета, из которых наиболее интенсивен присущий натрию ярко-желтый.
Это интересно:
Внешне проявляющееся в виде окрашивания пламени испускания нагретыми атомами щелочных металлов световых лучей обусловлено перескоком электронов с более высоких на более низкие энергетические уровни. Например, характерная желтая линия спектра натрия возникает при перескоке электрона с уровня 3р на уровень 3s. Очевидно, что для возможности такого перескока необходимо предварительное возбуждение атома, т. е. перевод одного или нескольких его электронов на более высокий энергетический уровень. В рассматриваемом случае возбуждение достигается за счет теплоты пламени (и требует затраты 48 ккал/г-атом), вообще же оно может последовать в результате сообщения атому энергии различных видов. Другие щелочные металлы вызывают появление следующих окрасок пламени: Li - карминово-красной, К-фиолетовый, Rb - синевато-красной, Cs - синей.
Спектр люминесценции ночного неба показывает постоянное наличие в ней желтого излучения натрия. Высота места его возникновения оценивается в 200-300 км.Т. е. атмосфера на этих высотах содержит атомы натрия (конечно, в ничтожных количествах). Возникновение излучения описывается рядом элементарных процессов (звездочкой показано возбужденное состояние; М -любая третья частица - О 2 , О 0 , N 2 и др.): Na + О 0 + М = NaO + М*, затем NaO + О=О 2 + Na* и, наконец, Na*= Na + λν.
Хранить натрий и калий следует в плотно закрытых сосудах под слоем сухого и нейтрального керосина. Недопустим их контакт с кислотами, водой, хлорированными органическими соединениями и твердой двуокисью углерода. Нельзя накапливать мелкие обрезки калия, которые окисляются особенно легко (из-за своей относительно большой поверхности). Неиспользованные остатки калия и натрия при малых количествах уничтожают взаимодействием с избытком спирта, при больших - сжиганием на углях костра. Загоревшиеся в помещении щелочные металлы лучше всего тушить, засыпая сухим порошком кальцинированной соды.
Химические свойства:
С химической стороны литий и его аналоги являются исключительно реакционноспособными металлами (причем активность их по направлению от Li к Cs обычно возрастает). Во всех соединениях щелочные металлы одновалентны. Располагаясь в крайней левой части ряда напряжений, они энергично взаимодействуют с водой по схеме:
2Э + 2H 2 O = 2ЭОН +H 2
При реакции с Li и Na выделение водорода не сопровождается его воспламенением, у К оно уже происходит, а у Rb и Cs взаимодействие протекает со взрывом.
· В соприкосновении с воздухом свежие разрезы Na и К (в меньшей степени и Li) тотчас покрываются рыхлой пленкой продуктов окисления. Ввиду этого Na и К хранят обычно под керосином. Нагретые на воздухе Na и К легко загораются, а рубидий и цезий самовоспламеняются уже при обычной температуре.
4Э+O 2 →2Э 2 O (для лития)
2Э+O 2 →Э 2 O 2 (для натрия)
Э+O 2 →ЭO 2 (для калия, рубидия и цезия)
Практическое применение находит главным образом перекись натрия (Na 2 0 2). Технически ее получают окислением при 350°С распыленного металлического натрия:
2Na+O 2 →Na 2 O 2 +122ккал
· Расплавы простых веществ способны соединяться с аммиаком, с образованием амидов и имидов, сольватов:
2Na расплав +2NH 3 →2NaNH 2 +H 2 (амид натрия)
2Na расплав +NH 3 →Na 2 NH+H 2 (имид натрия)
Na расплав +6NH 3 → (сольват натрия)
При взаимодействии пероксидов с водой происходит реакция:
2Э 2 O 2 +2H 2 O=4ЭOH+O 2
Взаимодействие Na 2 O 2 с водой сопровождается гидролизом:
Na 2 O 2 +2H 2 O→2NaOH + H 2 O 2 +34 ккал
Это интересно:
Взаимодействие Na 2 O 2 с двуокисью углерода по схеме
2Na 2 O 2 + 2CO 2 =2Na 2 CO 3 +O 2 +111 ккал
служит основой применения перекиси натрия как источника кислорода в изолирующих противогазах и на подводных лодках. Чистая или содержащая различные добавки (например, хлорной извести с примесью солей Ni или С u ) перекись натрия носит техническое название «оксилит». Смешанные препараты оксилита особенно удобны для получения кислорода, который выделяется ими под действием воды. Спрессованный в кубики оксилит может быть использован для получения равномерного тока кислорода в обычном аппарате для получения газов.
Na 2 O 2 +H 2 O=2NaOH+O 0 (выделяется атомарный кислород, вследствие распада перекиси водорода).
Надперекись калия (КО 2 ) нередко вводится в состав оксилита. Его взаимодействие с двуокисью углерода идет в этом случае по суммарномууравнению:
Na 2 O 2 + 2KO 2 + 2СO 2 = Na 2 CO 3 +K 2 CO 3 + 2O 2 + 100 ккал, т. е. двуокись углерода заменяется равным объемом кислорода.
· Способны образовывать озониды. Образование озонида калия-KO 3 идёт по уравнению:
4КОН+3O 3 = 4КO 3 + O 2 +2H 2 O
Он представляет собой красное кристаллическое вещество и является сильнейшим окислителем. При хранении KO 3 медленно распадается по уравнению 2NaO 3 →2NaO 2 +O 2 +11 ккал уже в обычных условиях. Водой он мгновенно разлагается по суммарной схеме 4 KO 3 +2 H 2 O=4 KOH +5 O 2
· Способны реагировать с водородом, с образованием ионных гидридов, по общей схеме:
Взаимодействие водорода с нагретыми щелочными металлами идет медленнее, чем с щелочноземельными. В случае Li требуется нагревание до 700-800 °С, тогда как его аналоги взаимодействуют уже при 350-400 °С. Гидриды щелочных металлов являются очень сильными восстановителями. Окисление их кислородом воздуха в сухом состоянии идет сравнительно медленно, но в присутствии влаги процесс настолько ускоряется, что может привести к самовоспламенению гидрида. Особенно это относится к гидридам К, Rb и Cs. С водой происходит бурная реакция по схеме:
ЭН+ H 2 O= H 2 +ЭОН
ЭH+O 2 →2ЭOH
При взаимодействии NaH или КН с двуокисью углерода образуется соответствующая соль муравьиной кислоты:
NaH+CO 2 →HCOONa
Способны образовывать комплексы:
NaH+AlCl 3 →NaAlH 4 +3NaCl (алланат натрия)
NaAlH 4 → NaH+AlH 3
Нормальные оксиды щелочных металлов (за исключением Li 2 0) могут быть получены только косвенным путем . Они представляют собой твердые вещества следующих цветов:
Na 2 O+2HCl=2NaCl+H 2 O
Гидроокиси (ЭОН) щелочных металлов представляют собой бесцветные, очень гигроскопичные вещества, разъедающие большинство соприкасающихся с ними материалов. Отсюда их иногда употребляемое в практике название - едкие щелочи. При действии щелочей кожа человеческого тела сильно разбухает и становится скользкой; при более продолжительном действии образуется очень болезненный глубокий ожог. Особенно опасны едкие щелочи для глаз (работать рекомендуется в защитных очках). Попавшую на руки или платье щелочь следует тотчас же смыть водой, затем смочить пораженное место очень разбавленным раствором какой- либо кислоты и вновь промыть водой.
Все они сравнительно легкоплавки и летучи без разложения (кроме отщепляющей воду LiOH).Для получения гидроксидовщелочных металловв основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрияэлектролизомконцентрированного водного раствораповаренной соли:
2NaCl+2H 2 O→2NaOH+Cl 2 +H 2
Ø Являются типичными основаниями:
NaOH+HCl=NaCl+H 2 O
2NaOH+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 O
2NaOH+2NO 2 =NaNO 3 +NaNO 2 +H 2 O
Ø Способны образовывать комплексы:
NaOH+ZnCl 2 = (ZnOH)Cl+NaCl
2Al+2NaOH+6H 2 O=2Na+3H 2
Al 2 O 3 + 6NaOH= 2Na 3 AlO 3 +3H 2 O
Al(OH) 3 +NaOH=Na
Ø Способны реагировать с неметаллами:
Cl 2 +2KOH=KCl+KClO+H 2 O(реакция идёт без нагреванием)
Cl 2 +6KOH=5KCl+KClO 3 +3H 2 O (реакция идёт с нагреванием)
3S+6NaOH=2Na 2 S+Na 2 SO 3 +3H 2 O
Ø Применяются в органическом синтезе (в частности гидроксид калия и натрия, в примерах указан гидроксид натрия):
NaOH+C 2 H 5 Cl=NaCl+C 2 H 4 (метод получения алкенов, этилена (этена) в данном случае), использовался спиртовой раствор гидроксида натрия.
NaOH+C 2 H 5 Cl=NaCl+C 2 H 5 OH (метод получения спиртов, этанола в данном случае), использовался водный раствор гидроксида натрия.
2NaOH+C 2 H 5 Cl=2NaCl+C 2 H 2 +H 2 O (метод получения алкинов, ацетилена (этина) в данном случае), использовался спиртовой раствор гидроксида натрия.
C 6 H 5 OH (фенол) +NaOH= C 6 H 5 ONa+H 2 O
NaOH(+CaO)+CH 3 COONa→Na 2 CO 3 CH 4 (один из способов получения метана)
Ø Надо знать разложение нескольких солей:
2KNO 3 →2KNO 2 +O 2
4KClO 3→ KCl+3KClO 4
2KClO 3→ KCl+3O 2
4Na 2 SO 3 →Na 2 S+3Na 2 SO 4
Примечательно то, что разложение нитратов идет примерно в диапазоне 450-600 ℃, далее они плавятся без разложения, но при достижении примерно 1000- 1500 ℃ идет разложение по схеме:
4LiNO 2 →2Li 2 O+4NO+O 2
Это интересно:
K 4 [ Fe (CN ) 6 ]+ FeCl 3 = KFe [ Fe (CN ) 6 ]+3 KCl (качественная реакция на Fe 3+)
3K 4 +4FeCl 3 =Fe 4 3 +12KCl
Na 2 O 2 +2 H 2 O=2NaOH+ H 2 O 2
4NaO 2 +2 H 2 O=4NaOH+ 3O 2
4NaO 3 +2 H 2 O=4NaOH+5O 2 ( реакцияозониданатриясводой )
2NaO 3→ 2NaO 2 +O 2
(Распад происходит при различных температурах, например: распад озонида натрия при -10
°C, озонида цезия при +100°C)
NaNH 2 +H 2 O→ NaOH+NH 3
Na 2 NH+2H 2 O→ 2NaOH+NH 3
Na 3 N+3H 2 O→3NaOH+NH 3
KNO 2 +2Al+KOH+5H 2 O→2K+NH 3
2NaI + Na 2 O 2 + 2H 2 SO 4 →I 2 ↓+ 2Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Fe 3 O 4 +4NaH=4NaOH+3Fe
5NaN 3 +NaNO 3 →8N 2 +3Na 2 O
Применение:
Натрием широко пользуются при синтезах органических соединений и отчасти для получения некоторых его производных. В ядерной технике он используется как теплоноситель.
Литий имеет совершенно исключительное значение для термоядерной техники. В резиновой промышленности он используется при выработке искусственного каучука (как катализатор полимеризации), в металлургии - как ценная присадка к некоторым другим металлам и сплавам. Например, присадка лишь сотых долей процента лития сильно повышает твердость алюминия и его сплавов, а присадка 0,4% лития к свинцу почти в три раза повышает его твердость, не ухудшая сопротивления на изгиб. Имеются указания на то, что подобная же присадка цезия сильно улучшает механические свойства магния и предохраняет его от коррозии, однако такое его использование. Гидрид натрия используется иногда в металлургии для выделения редких металлов из их соединений. Его 2%-ный раствор в расплавленном NaOH находит применение для снятия окалины со стальных изделий (после минутного выдерживания в нем горячее изделие погружают в воду, причем восстановившаяся по уравнению
Fe 3 O 4 +4NaH = 4NaOH + 3Fe (окалина отпадает).
Принципиальная схема заводской установки для получения соды по аммиачному методу (Сольвэ, 1863 г.) .
В печи (Л) идет обжиг известняка, причем образующаяся СO 2 поступает в карбонизационную башню (Б), а СаО гасится водой (В), после чего Ca(OH) 2 перекачивают в смеситель (Г), где она встречается с NH 4 Cl, при этом выделяется аммиак. Последний поступает в абсорбер (Д)и насыщает там крепкий раствор NaCl, который затем перекачивают в карбонизационную башню, где при взаимодействии с СО 2 образуются NaHCO 3 и NH 4 Cl. Первая соль почти полностью осаждается и задерживается на вакуум-фильтре (Е), а вторую вновь перекачивают в смеситель (Г). Таким образом все время расходуются NaCl и известняк, а получаются NaHCO 3 и CaCl 2 (последний - в виде отброса производства). Бикарбонат натрия переводят затем нагреванием в соду.
Редактор: Харламова Галина Николаевна
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ
К щелочным металлам относятся элементы первой группы, главной подгруппы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.Нахождение в природе
Na-2,64% (по массе), K-2,5% (по массе), Li, Rb, Cs - значительно меньше, Fr- искусственно полученный элемент
Li
Li 2 O Al 2 O 3 4SiO 2 – сподумен
Na
NaCl – поваренная соль (каменная соль), галит
Na 2 SO 4 10H 2 O – глауберова соль (мирабилит)
NaNO 3 – чилийская селитра
Na 3 AlF 6
- криолит
Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O - бура
K
KCl NaCl – сильвинит
KCl MgCl 2 6H 2 O – карналлит
K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 – полевой шпат (ортоклаз)
Свойства щелочных металлов
С
увеличением порядкового номера атомный радиус увеличивается, способность
отдавать валентные электроны увеличивается и восстановительная активность увеличивается:
Физические свойства
Низкие температуры плавления, малые значения плотностей, мягкие, режутся ножом.
Химические свойства
Типичные металлы, очень сильные восстановители. В соединениях проявляют единственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличивается с ростом атомной массы. Все соединения имеют ионный характер, почти все растворимы в воде. Гидроксиды R–OH – щёлочи, сила их возрастает с увеличением атомной массы металла.
Воспламеняются на воздухе при умеренном нагревании. С водородом образуют солеобразные гидриды. Продукты сгорания чаще всего пероксиды.
Восстановительная способность увеличивается в ряду Li–Na–K–Rb–Cs
1. Активно взаимодействуют с водой :
2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2
2. Реакция с кислотами:
2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2
3. Реакция 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.).
4. В реакциях 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)
5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов - окрашивание пламени в следующие цвета:
Li + – карминово-красный
Na + – желтый
K + , Rb + и Cs + – фиолетовый
Получение
Т.к.
щелочные металлы - это самые сильные восстановители, их можно восстановить из
соединений только при электролизе расплавов солей:
2NaCl=2Na+Cl 2
Применение щелочных металлов
Литий - подшипниковые сплавы, катализатор
Натрий - газоразрядные лампы, теплоноситель в ядерных реакторах
Рубидий - научно-исследовательские работы
Цезий – фотоэлементы
Оксиды, пероксиды и надпероксиды щелочных металлов
Получение
Окислением металла получается только оксид лития
4Li + O 2 → 2Li 2 O
(в остальных случаях получаются пероксиды или надпероксиды).
Все оксиды (кроме Li 2 O) получают при нагревании смеси пероксида (или надпероксида) с избытком металла:
Na 2 O 2 + 2Na → 2Na 2 O
KO 2 + 3K → 2K 2 O
Щелочные металлы — группа неорганических веществ, простых элементов таблицы Менделеева. Все они обладают похожим атомным строением и соответственно, похожими свойствами. В группу входят калий, натрий, литий, цезий, рубидий, франций и теоретически описанный, но еще не синтезированный элемент унуне́нний. Первые пять веществ существуют в природе, франций — искусственно созданный, радиоактивный элемент. Свое название щелочные металлы получили из-за способности образовывать щелочи в реакции с водой.
Вся элементы группы химически активны, поэтому на Земле встречаются только в составе различных минералов, например, каменной, калийной, поваренной соли, буры, полевого шпата, морской воды, подземных рассолов, чилийской селитры . Франций часто сопутствует урановым рудам; рубидий и цезий — минералам с натрием и калием.
Свойства
Все представители группы — мягкие металлы, их можно резать ножом, сгибать руками. Внешне — блестящие, белого цвета (кроме цезия). Цезий отливает золотистым блеском. Легкие: натрий и калий легче воды, литий всплывает даже в керосине. Классические металлы с хорошей электро- и теплопроводностью. Горят, придают пламени характерный цвет, являющийся одним из аналитических способов определить тип металла. Легкоплавкие, самым «тугоплавким» является литий (+180,5 °С). Цезий тает прямо в руках при температуре +28,4 °С.
Активность в группе увеличивается по мере роста атомной массы: Li →Cs. Обладают восстановительными свойствами, в том числе в реакции с водородом. Проявляют валентность -1. Бурно реагируют с водой (все кроме лития — со взрывом); с кислотами, кислородом. Взаимодействуют с неметаллами, спиртами, водным аммиаком и его производными, карбоновыми кислотами, многими металлами.
Калий и натрий являются биогенными элементами, участвуют в водно-солевом и кислотно-щелочном балансе человеческого организма, необходимы для нормальной циркуляции крови и функционирования многих энзимов. Калий важен для растений.
В нашем организме есть и рубидий. Его нашли в крови, костях, головном мозге, легких. Он оказывает противовоспалительное, противоаллергическое действие, притормаживает реакции нервной системы, усиливает иммунитет, положительно влияет на состав крови.
Меры предосторожности
Щелочные металлы очень опасны, способны воспламеняться и взрываться просто от контакта с водой или воздухом. Многие реакции протекают бурно, поэтому работать с ними допускается только после тщательного инструктажа, с применением всех мер предосторожностей, в защитной маске и защитных очках.
Растворы калия, натрия и лития в воде являются сильными щелочами (гидроксиды калия , натрия, лития); контакт с кожей приводит к глубоким болезненным ожогам. Попадание щелочей, даже низкой концентрации, в глаза может привести к слепоте. Реакции с кислотами, аммиаком, спиртами проходят с выделением пожаро- и взрывоопасного водорода.
Щелочные металлы хранят под слоем керосина или вазелина в герметичных емкостях. Манипуляции с чистыми реактивами проводят в аргоновой атмосфере.
Следует тщательно следить за утилизацией остатков после опытов со щелочными металлами. Все остатки металлов предварительно должны быть нейтрализованы.
Применение
Щелочные металлы – s-элементы. На внешнем электронном слое каждый из них имеет один электрон (ns1). Радиусы атомов сверху вниз в подгруппе увеличиваются, энергия ионизации уменьшается, восстановительная активность, как и способность отдавать валентные электроны с внешнего слоя, увеличивается.
Рассматриваемые металлы очень активны, поэтому в свободном состоянии они в природе не встречаются. Их можно обнаружить в виде соединений, в составе минералов (поваренной соли NaCl, сильвинита NaCl∙KCl, глауберовой соли NaSO4∙10H2O и других) или в виде ионов в морской воде.
Физические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы при обычных условиях представляют собой серебристо-белые кристаллические вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью. Они имеют объемно-центрированную кубическую упаковку (ОЦКУ). Плотности, температуры кипения и плавления у металлов I группы относительно низкие. Сверху вниз в подгруппе плотности увеличиваются, а температуры плавления уменьшаются.
Получение щелочных металлов
Щелочные металлы получают обычно электролизом расплавленных солей (чаще хлоридов) или щелочей. При электролизе расплава NaCl, к примеру, на катоде выделяется чистый натрий, а на аноде – газообразный хлор: 2NaCl(расплав)=2Na+Cl2.
Химические свойства щелочных металлов
По химическим свойствам литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций – это наиболее активные металлы и одни из самых сильных восстановителей. В реакциях они легко отдают электроны с внешнего слоя, превращаясь в положительно заряженные ионы. В образуемых щелочными металлами соединениях преобладает ионная связь.
При взаимодействии щелочных металлов с кислородом в качестве основного продукта образуются пероксиды, и в качестве побочного – оксиды:
4Na+O2=2Na2O (оксид натрия).
С галогенами они дают галогениды, с серой – сульфиды, с водородом – гидриды:
2Na+Cl2=2NaCl (хлорид натрия),
2Na+S=Na2S (сульфид натрия),
2Na+H2=2NaH (гидрид натрия).
Гидрид натрия – неустойчивое соединение. Он разлагается водой, давая щелочь и свободный водород:
NaH+H2O=NaOH+H2.
Свободный водород образуются также при взаимодействии с водой самих щелочных металлов:
2Na+2H2O=2NaOH+H2.
Эти металлы также взаимодействуют с разбавленными кислотами, вытесняя из них водород:
2Na+2HCl=2NaCl+H2.
С органическими галогенидами щелочные металлы взаимодействуют по реакции Вюрца.