Щелочные металлы

Содержание

Щелочные металлы

Щелочные металлы

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

  • Цезий и рубидий используются в фотоэлементах, топливных элементах.
  • Цезий применяется в источниках тока, энергоемких аккумуляторах, счетчиках радиоактивных частиц, гамма-спектрометрах для космических аппаратов; приборах ночного видения и оружейных прицелах. Изотопы цезия используются для стерилизации пищевой тары, медицинских инструментов, мясных продуктов, лекарств; они входят в состав некоторых лекарств, применяются для радиотерапии опухолей.
  • Рубидий входит в состав болеутоляющих, снотворных, успокаивающих препаратов. Применяется в телевизионных трубках, оптических приборах, низкотемпературных источниках тока, в смазке для космических аппаратов, высокочувствительных магнитометрах для космических и геофизических исследований. Производные рубидия используются в атомной промышленности, химпроме, вакуумных радиолампах, высокотемпературных термометрах.
  • Калий и натрий применяются в воздухо-восстановительных системах на подводных лодках и батискафах, в автономных противогазах и дыхательных аппаратах.
  • Литий востребован в источниках тока, для производства подшипниковых сплавов и литийорганических соединений, как катализатор в химпроме.
  • Натрий применяется в газоразрядных лампах, в металлургии; как теплоноситель в атомной индустрии; в химической индустрии в процессах орг.синтеза.
  • В разных сферах промышленности и быта используется большое количество производных щелочных металлов, например, пищевая и кальцинированная сода, поваренная соль, натриевая и калийная селитра, нитраты, сульфаты, карбонаты, гидроксиды натрия, калия и лития и пр.

Источник: https://pcgroup.ru/blog/schelochnye-metally/

Характерные химические свойства щелочных металлов

Щелочные металлы

•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,

•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.

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2­

2Li + 2H2O → 2LiOH + H2­

 2.      Реакция щелочных металлов с кислородом:

4Li + O2 → 2Li2O (оксид лития)

2Na + O2 → Na2O2 ( пероксид натрия)

K + O2 → KO2  (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 + Cl2 → 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na2S (сульфиды)

2Na + H2 → 2NaH (гидриды)

6Li + N2 → 2Li3N (нитриды)

2Li + 2C → Li2C2 (карбиды)

4.      Реакция щелочных металлов с кислотами

(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой):

2Na + 2HCl → 2NaCl + H2­

5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком

(образуется амид натрия):

2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2

6. Взаимодействие щелочных металлов со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2;

2K + 2C6H5OH = 2C6H5OK + H2;

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+CaCl2
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:

2NaCl+CaC2=2Na+CaCl2+2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl2+Ca2SiO4.

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 1s22s1 .  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 1s22s22p63s1.  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 Са2+ 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 39К, 40К, 41К. Один из них 40К ‑ 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 (390C) и малую устойчивость к внешним воздействиям.

https://www.youtube.com/watch?v=7JLRODnRwb4

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 Li3N (до 75%) и Li2O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na2O2) и надпероксиды (K2O4 или KO2).

Перечисленные вещества реагируют с водой:

Li3N + 3 H2O = 3 LiOH + NH3 ;

Na2O2 + 2 H2O = 2 NaOH + H2O2 ;

K2O4 + 2 H2O = 2 KOH + H2O2 + O2 .

Для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях, в изолирующих противогазах и дыхательных аппаратах боевых пловцов (подводных диверсантов) использовалась смесь «оксон»:

Na2O2+CO2=Na2CO3+0,5O2 ;

K2O4 + CO2 = K2CO3+ 1,5 O2 .

В настоящее время это стандартная начинка регенерирующих патронов изолирующих противогазов для пожарных.
Щелочные металлы реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды:

2Li+H2=2LiH.

Гидрид лития используется как сильный восстановитель.

Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде:

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 13000С). Некоторые соединения натрия называют содами:

а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na2CO3;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na2CO3.10H2O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO3;
г) гидроксид натрия NaOH называют  каустической содой или каустиком.

Источник: http://himege.ru/xarakternye-ximicheskie-svojstva-shhelochnyx-metallov/

  Общая характеристика щелочных металлов

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).

Некоторые свойства щелочных металлов

АтомныйномерНазвание,символМеталлическийрадиус,нмИонныйрадиус,нмПотенциалионизации,эВЭОp,г/см³tпл,°Ctкип,°C
3Литий Li0,1520,0785,320,980,531811347
11Натрий Na0,1900,0985,140,930,9798883
19Калий K0,2270,1334,340,820,8664774
37Рубидий Rb0,2480,1494,180,821,5339688
55Цезий Cs0,2650,1653,890,791,8728678

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 алюмосиликата 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.

  Химические свойства щелочных металлов

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:

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.

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

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

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:

Формулакислородного соединенияЦвет
Li2OБелый
Na2OБелый
K2OЖелтоватый
Rb2OЖёлтый
Cs2OОранжевый
Na2O2Светло-жёлтый
KO2Оранжевый
RbO2Тёмно-коричневый
CsO2Жёлтый

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

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

3.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):

4.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:

Окраска пламени щелочными металлами
и их соединениями

Щелочной металлЦвет пламени
LiКарминно-красный
NaЖёлтый
KФиолетовый
RbБурокрасный
CsФиолетово-красный

  Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:

катод: Li+ + e → Li

анод: 2Cl− — 2e → Cl2

2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na+ + e → Na

анод: 4OH− — 4e → 2H2O + O2

3. Щелочной металл может быть восстановлен из соответствующего хлорида или бромида кальцием, магнием, кремнием и др. восстановителями при нагревании под вакуумом до 600-900 °C:

Чтобы реакция пошла в нужную сторону, образующийся свободный щелочной металл (M) должен удаляться путём отгонки. Аналогично возможно восстановление цирконием из хромата. Известен способ получения натрия восстановлением из карбоната углём при 1000 °C в присутствии известняка.[источник не указан 395 дней]

Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

  Гидроксиды

Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрия электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:

катод:

анод:

Прежде щёлочь получали реакцией обмена:

Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена содой Na2CO3.

Гидроксиды щелочных металлов — белые гигроскопичные вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями. Они участвуют во всех реакциях, характерных для оснований — реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами:

Гидроксиды щелочных металлов при нагревании возгоняются без разложения, за исключением гидроксида лития, который так же, как гидроксиды металлов главной подгруппы II группы, при прокаливании разлагается на оксид и воду:

Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.

  Карбонаты

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2CO3. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века.

Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26 — 30 °C.

При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой:

Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO3−, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия.

После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

При прокаливании гидрокарбоната натрия получается кальцинированная, или стиральная, сода Na2CO3 и диоксид углерода, используемый в процессе получения гидрокарбоната натрия:

Основной потребитель соды — стекольная промышленность.

В отличие от малорастворимой кислой соли NaHCO3, гидрокарбонат калия KHCO3 хорошо растворим в воде, поэтому карбонат калия, или поташ, K2CO3 получают действием углекислого газа на раствор гидроксида калия:

Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

Литий — единственный щелочной металл, для которого не получен гидрокарбонат. Причина этого явления в очень маленьком радиусе иона лития, который не позволяет ему удерживать довольно крупный ион HCO3−.

  Литература

  • Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
  • Ерёмина Е. А., Рыжова О. Н. Глава 14. Щелочные металлы // Справочник школьника по химии. — М.: Экзамен, 2009. — С. 224-231. — 512 с. — 5000 экз. — ISBN 978-5-377-01472-0
  • Кузьменко Н. Е. , Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. — М.: Экзамен, 1997-2001.
  • Лидин Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Справочник по неорганической химии. — М.: Химия, 1987.
  • Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1974.
  • Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химия. — М.: МГУ, 1991, 1994.
  • Турова Н. Я. Неорганическая химия в таблицах. Учебное пособие. — М.: Высший химический колледж РАН, 1997.

  Примечания

  1. Таблица Менделеева на сайте ИЮПАК
  • Щелочные металлы, реакция с водой в передаче мозголомы

  

Источник: http://dictionary.sensagent.com/%D0%A9%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B/ru-ru/

Химия 11 класс: Металлы и их свойства. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Алюминий

Щелочные металлы

Глав­ную под­груп­пу I груп­пы Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы Д.И. Мен­де­ле­е­ва со­став­ля­ют литий Li, на­трий Na, калий K, ру­би­дий Rb, цезий Cs и фран­ций Fr. Эле­мен­ты этой под­груп­пы от­но­сят к ме­тал­лам. Их общее на­зва­ние – ще­лоч­ные ме­тал­лы.

Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы на­хо­дят­ся в глав­ной под­груп­пе II груп­пы Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы Д.И. Мен­де­ле­е­ва. Это маг­ний Mg, каль­ций Ca, строн­ций Sr, барий Ba и радий Ra.

Ще­лоч­ные и ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы как ти­пич­ные ме­тал­лы про­яв­ля­ют ярко вы­ра­жен­ные вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства. У эле­мен­тов глав­ных под­групп ме­тал­ли­че­ские свой­ства с уве­ли­че­ни­ем ра­ди­у­са воз­рас­та­ют. Осо­бен­но силь­но вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства про­яв­ля­ют­ся у ще­лоч­ных ме­тал­лов.

На­столь­ко силь­но, что прак­ти­че­ски невоз­мож­но про­во­дить их ре­ак­ции с раз­бав­лен­ны­ми вод­ны­ми рас­тво­ра­ми, так как в первую оче­редь будет идти ре­ак­ция вза­и­мо­дей­ствия их с водой. У ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов си­ту­а­ция ана­ло­гич­ная.

Они тоже вза­и­мо­дей­ству­ют с водой, но го­раз­до менее ин­тен­сив­но, чем ще­лоч­ные ме­тал­лы.

Элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции ва­лент­но­го слоя ще­лоч­ных ме­тал­лов – ns1 , где n – номер элек­трон­но­го слоя. Их от­но­сят к s-эле­мен­там. У ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов – ns2 (s-эле­мен­ты).

У алю­ми­ния ва­лент­ные элек­тро­ны …3s23р1 (p-эле­мент). Эти эле­мен­ты об­ра­зу­ют со­еди­не­ния с ион­ным типом связи.

При об­ра­зо­ва­нии со­еди­не­ний для них сте­пень окис­ле­ния со­от­вет­ству­ет но­ме­ру груп­пы.

Об­на­ру­же­ние ионов ме­тал­ла в солях

Ионы ме­тал­лов легко опре­де­лить по из­ме­не­нию окрас­ки пла­ме­ни. Рис. 1.

Соли лития – кар­ми­но­во-крас­ная окрас­ка пла­ме­ни. Соли на­трия – жел­тый. Соли калия – фи­о­ле­то­вый через ко­баль­то­вое стек­ло. Ру­би­дия – крас­ный, цезия – фи­о­ле­то­во-си­ний.

Рис. 1 Определение ионов ме­тал­лов по из­ме­не­нию окрас­ки пла­ме­ни

Соли ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов: каль­ция – кир­пич­но-крас­ный, строн­ция – кар­ми­но­во-крас­ный и бария – жел­то­ва­то-зе­ле­ный. Соли алю­ми­ния окрас­ку пла­ме­ни не ме­ня­ют. Соли ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов ис­поль­зу­ют­ся для со­зда­ния фей­ер­вер­ков. И можно легко опре­де­лить по окрас­ке, соли ка­ко­го ме­тал­ла при­ме­ня­лись.

2. Щелочные металлы

Свой­ства ме­тал­лов

Ще­лоч­ные ме­тал­лы – это се­реб­ри­сто-бе­лые ве­ще­ства с ха­рак­тер­ным ме­тал­ли­че­ским блес­ком. Они быст­ро туск­не­ют на воз­ду­хе из-за окис­ле­ния. Это мяг­кие ме­тал­лы, по мяг­ко­сти Na, K, Rb, Cs по­доб­ны воску. Они легко ре­жут­ся ножом. Они лег­кие. Литий – самый лег­кий ме­талл с плот­но­стью 0,5 г/см3.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Из-за вы­со­ких вос­ста­но­ви­тель­ных свойств ще­лоч­ные ме­тал­лы бурно ре­а­ги­ру­ют с га­ло­ге­на­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем со­от­вет­ству­ю­ще­го га­ло­ге­ни­да. При на­гре­ва­нии ре­а­ги­ру­ют с серой, фос­фо­ром и во­до­ро­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем суль­фи­дов, гид­ри­дов, фос­фи­дов.

2Na + Cl2→ 2NaCl

2Na + S  Na2S

2Na + H2 2NaH

3Na + P  Na3P

Литий – это един­ствен­ный ме­талл, ко­то­рый ре­а­ги­ру­ет с азо­том уже при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре.

6Li + N2 = 2Li3N, об­ра­зу­ю­щий­ся нит­рид лития под­вер­га­ет­ся необ­ра­ти­мо­му гид­ро­ли­зу.

Li3N + 3H2O → 3LiOH + NH3↑

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

Толь­ко с ли­ти­ем сразу об­ра­зу­ет­ся оксид лития.

4Li + О2 = 2Li2О, а при вза­и­мо­дей­ствии кис­ло­ро­да с на­три­ем об­ра­зу­ет­ся пе­рок­сид на­трия.

2Na + О2 = Na2О2. При го­ре­нии всех осталь­ных ме­тал­лов об­ра­зу­ют­ся над­пе­рок­си­ды.

К + О2 = КО2  

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

https://www.youtube.com/watch?v=_JzTjsMKv_A

По ре­ак­ции с водой можно на­гляд­но уви­деть, как из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность этих ме­тал­лов в груп­пе свер­ху вниз. Литий и на­трий спо­кой­но вза­и­мо­дей­ству­ют с водой, калий – со вспыш­кой, а цезий – уже с взры­вом.

2Li + 2H2O → 2LiOH + H2↑

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

8K + 10HNO3 (конц) → 8KNO3 + N2O +5 H2O

8Na + 5H2SO4 (конц) → 4Na2SO4 + H2S↑ + 4H2O

По­лу­че­ние ще­лоч­ных ме­тал­лов

Из-за вы­со­кой ак­тив­но­сти ме­тал­лов, по­лу­чать их можно при по­мо­щи элек­тро­ли­за солей, чаще всего хло­ри­дов.

Со­еди­не­ния ще­лоч­ных ме­тал­лов на­хо­дят боль­шое при­ме­не­ние в раз­ных от­рас­лях про­мыш­лен­но­сти. См. Табл. 1. 

РАС­ПРО­СТРА­НЕН­НЫЕ СО­ЕДИ­НЕ­НИЯ ЩЕ­ЛОЧ­НЫХ МЕ­ТАЛ­ЛОВ

NaOH

Едкий натр (ка­у­сти­че­ская сода)

NaCl

По­ва­рен­ная соль

NaNO3

Чи­лий­ская се­лит­ра

Na2SO4∙10H2O

Глау­бе­ро­ва соль

Na2CO3∙10H2O

Сода кри­стал­ли­че­ская

KOH

Едкое кали

KCl

Хло­рид калия (силь­вин)

KNO3

Ин­дий­ская се­лит­ра

K2CO3

Поташ

3. Щелочноземельные металлы

Их на­зва­ние свя­за­но с тем, что гид­рок­си­ды этих ме­тал­лов яв­ля­ют­ся ще­ло­ча­ми, а ок­си­ды рань­ше на­зы­ва­ли «земли». На­при­мер, оксид бария BaO – ба­ри­е­вая земля. Бе­рил­лий и маг­ний чаще всего к ще­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лам не от­но­сят. Мы не будем рас­смат­ри­вать и радий, так как он ра­дио­ак­тив­ный.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Сa + Cl2→ 2СaCl2

Сa + S  СaS

Сa + H2 СaH2

3Сa + 2P  Сa3 P2-

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

2Сa + O2 → 2CaO

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

Sr + 2H2O → Sr(OH)2 + H2↑, но вза­и­мо­дей­ствие более спо­кой­ное, чем с ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми.

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

4Sr + 5HNO3 (конц) → 4Sr(NO3)2 + N2O +4H2O

4Ca + 10H2SO4 (конц) → 4CaSO4 + H2S↑ + 5H2O

По­лу­че­ние ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

Ме­тал­ли­че­ский каль­ций и строн­ций по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­пла­ва солей, чаще всего хло­ри­дов.

CaCl2  Сa + Cl2

Барий вы­со­кой чи­сто­ты можно по­лу­чить алю­мо­тер­ми­че­ским спо­со­бом из ок­си­да бария

3BaO +2Al  3Ba + Al2O3

РАС­ПРО­СТРА­НЕН­НЫЕ СО­ЕДИ­НЕ­НИЯ ЩЕ­ЛОЧ­НО­ЗЕ­МЕЛЬ­НЫХ МЕ­ТАЛ­ЛОВ

Са­мы­ми из­вест­ны­ми со­еди­не­ни­я­ми ще­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лов яв­ля­ют­ся: CaО – нега­ше­ная из­весть. Ca(OH)2 – га­ше­ная из­весть, или из­вест­ко­вая вода.

При про­пус­ка­нии уг­ле­кис­ло­го газа через из­вест­ко­вую воду про­ис­хо­дит по­мут­не­ние, так как об­ра­зу­ет­ся нерас­тво­ри­мый кар­бо­нат каль­ция СаСО3.

 Но надо пом­нить, что при даль­ней­шем про­пус­ка­нии уг­ле­кис­ло­го газа об­ра­зу­ет­ся уже рас­тво­ри­мый гид­ро­кар­бо­нат и оса­док ис­че­за­ет.

Рис. 2 Гипс и але­бастр ис­поль­зу­ют­ся в стро­и­тель­стве, в ме­ди­цине и для из­го­тов­ле­ния де­ко­ра­тив­ных из­де­лий

СaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2↑ → CaCO3↓+ H2O

CaCO3↓+ H2O + CO2 → Ca(HCO3)2

Гипс – это CaSO4∙2H2O, але­бастр – CaSO4∙0,5H2O. Гипс и але­бастр ис­поль­зу­ют­ся в стро­и­тель­стве, в ме­ди­цине и для из­го­тов­ле­ния де­ко­ра­тив­ных из­де­лий. Рис. 2.

Кар­бо­нат каль­ция CaCO3 об­ра­зу­ет мно­же­ство раз­лич­ных ми­не­ра­лов. Рис. 3.

Рис. 3 Кар­бо­нат каль­ция CaCO3 об­ра­зу­ет мно­же­ство раз­лич­ных ми­не­ра­лов

Фос­фат каль­ция Ca3(PO4)2  – фос­фо­рит, фос­фор­ная мука ис­поль­зу­ет­ся как ми­не­раль­ное удоб­ре­ние.

Чи­стый без­вод­ный хло­рид каль­ция CaCl2 – это гиг­ро­ско­пич­ное ве­ще­ство, по­это­му ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в ла­бо­ра­то­ри­ях как осу­ши­тель.

Кар­бид каль­ция – CaC2. Его можно по­лу­чить так:

СaO + 2C →CaC2 +CO. Одно из его при­ме­не­ний – это по­лу­че­ние аце­ти­ле­на.

CaC2 + 2H2O →Ca(OH)2 + C2H2↑

Суль­фат бария BaSO4 – барит. Рис. 4. Ис­поль­зу­ет­ся как эта­лон бе­ло­го в неко­то­рых ис­сле­до­ва­ни­ях.

Рис. 4 Суль­фат бария BaSO4 – барит

Жест­кость воды

В при­род­ной воде со­дер­жат­ся соли каль­ция и маг­ния. Если они со­дер­жат­ся в за­мет­ных кон­цен­тра­ци­ях, то  в такой воде не мы­лит­ся мыло из-за об­ра­зо­ва­ния нерас­тво­ри­мых сте­а­ра­тов. При её ки­пя­че­нии об­ра­зу­ет­ся на­кипь.

Вре­мен­ная жест­кость обу­слов­ле­на при­сут­стви­ем гид­ро­кар­бо­на­тов каль­ция и маг­ния Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Такую жест­кость воды можно устра­нить ки­пя­че­ни­ем.

Ca(HCO3)2  CaCO3↓ + СО2↑ + Н2О

По­сто­ян­ная жест­кость воды обу­слов­ле­на на­ли­чи­ем ка­ти­о­нов Ca2+., Mg2+ и ани­о­нов H2PO4- ,Cl-, NO3- и др. По­сто­ян­ная жест­кость воды устра­ня­ет­ся толь­ко бла­го­да­ря ре­ак­ци­ям ион­но­го об­ме­на, в ре­зуль­та­те ко­то­рых ионы маг­ния и каль­ция будут пе­ре­ве­де­ны в оса­док.

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl

4. Алюминий

Алю­ми­ний и его со­еди­не­ния

Алю­ми­ний за­ни­ма­ет 4-е место по рас­про­стра­нен­но­сти в зем­ной коре, усту­пая крем­нию, кис­ло­ро­ду и во­до­ро­ду. В при­ро­де он при­сут­ству­ет в виде алю­мо­си­ли­ка­тов, глин и бок­си­тов. Рис. 5.

Рис. 5 Алю­ми­ний

По своим хи­ми­че­ским свой­ствам он го­раз­до менее ак­ти­вен, чем ще­лоч­ные и ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы. Во мно­гом это свя­за­но с об­ра­зо­ва­ни­ем не его по­верх­но­сти тон­чай­шей плен­ки ок­си­да, ко­то­рая пре­пят­ству­ет или за­мед­ля­ет мно­гие хи­ми­че­ские ре­ак­ции.

Хи­ми­че­ские свой­ства алю­ми­ния

1. Ре­ак­ция с га­ло­ге­на­ми

2Al + 3I2 2AlI3

2. Сго­ра­ет при на­гре­ва­нии с вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­че­ства теп­ло­ты

4Al + 3O2 2Al2O3 + Q . При этом может раз­ви­вать­ся тем­пе­ра­ту­ра до 35000С.

3. Ре­ак­ция с неме­тал­ла­ми

2Al + 3S  Al2S3

2Al + N2 2AlN

4Al + 3С  Al4С3

4. Вза­и­мо­дей­ству­ет с водой

2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 +3H2↑ Если снять амаль­га­ми­ро­ва­ни­ем или ме­ха­ни­че­ски плен­ку.

Амаль­га­ми­ро­ва­ние – это на­не­се­ние на по­верх­ность неболь­шо­го ко­ли­че­ства ртути.

5. Алю­ми­ний ак­тив­но вос­ста­нав­ли­ва­ет ме­тал­лы из их ок­си­дов (алю­мо­тер­мия)

Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr; этот спо­соб ис­поль­зу­ет­ся при по­лу­че­нии мно­гих ме­тал­лов: Mn, Cr, V, W, Ba, Sr и др.

6. Вза­и­мо­дей­ству­ет с кис­ло­та­ми-неокис­ли­те­ля­ми

2Al + 6HCl →2AlCl3 + 3H2↑

Алю­ми­ний не ре­а­ги­ру­ет с кон­цен­три­ро­ван­ны­ми азот­ной и сер­ной кис­ло­та­ми из-за пас­си­ва­ции. С раз­бав­лен­ной сер­ной или азот­ной кис­ло­той вза­и­мо­дей­ству­ет

8Al + 30HNO3 →8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

7. Вза­и­мо­дей­ствие со ще­ло­ча­ми. Al, Al2O3, Al(OH)3 вза­и­мо­дей­ству­ют со ще­ло­ча­ми:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ (ам­фо­тер­ные свой­ства).

Al2O3 + 2NaOH  = 2NaAlO2 + H2O

8. Ре­а­ги­ру­ет с рас­тво­ра­ми солей

2Al + 3CuCl2 → 2AlCl3 + 3Cu

При­ме­не­ние алю­ми­ния

Рис. 6 Алю­ми­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в быту и тех­ни­ке

Алю­ми­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в быту и тех­ни­ке, так как он до­воль­но легок, кор­ро­зи­он­но-устой­чив и неток­си­чен. См. Рис. 6. Часто ис­поль­зу­ют­ся спла­вы алю­ми­ния.

Ос­нов­ной – это ду­ра­лю­мин (дю­ра­лю­ми­ний, дю­раль). Это сплав алю­ми­ния, со­дер­жа­щий медь (мас­со­вая доля – 1,4-13%) и неболь­шие ко­ли­че­ства маг­ния, мар­ган­ца и дру­гих ком­по­нен­тов.

Ис­поль­зу­ет­ся как кон­струк­ци­он­ный ма­те­ри­ал в авиа- и ма­ши­но­стро­е­нии.

5. Смеси, регенерирующие кислород

Ок­си­ды и пе­рок­си­ды спо­соб­ны ре­а­ги­ро­вать с уг­ле­кис­лым газом, об­ра­зуя кар­бо­нат и кис­ло­род.

Na2O2 + CO2 → Na2CO3 + 1/2O2

KO2 + CO2 → K2CO3 +  3/2O2

Если сло­жить эти 2 урав­не­ния ре­ак­ции, то по­лу­чит­ся смесь, вы­де­ля­ю­щая и 2 моль уг­ле­кис­ло­го газа, и 2 моль кис­ло­ро­да.

Na2O2 + 2KO2 + 2 CO2 → Na2CO3 + K2CO3 + 2О2. Сум­мар­ный объём газа в левой и пра­вой части урав­не­ния будет оди­на­ков.

По­сто­ян­ство объ­ё­ма газа очень важно, так как такие смеси при­ме­ня­ют­ся для уда­ле­ния CO2 и пре­вра­ще­ния его в нуж­ный для ды­ха­ния кис­ло­род, на­при­мер, в под­вод­ных лод­ках или кос­ми­че­ских стан­ци­ях. Но там не долж­но про­ис­хо­дить пе­ре­па­да дав­ле­ния.

Под­ве­де­ние итога

Была рас­кры­та тема «Ме­тал­лы и их свой­ства. Ще­лоч­ные ме­тал­лы. Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы. Алю­ми­ний».

Вы узна­ли общие свой­ства и за­ко­но­мер­но­сти ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных эле­мен­тов, изу­чи­ли по от­дель­но­сти хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов и их со­еди­не­ния. С по­мо­щью хи­ми­че­ских урав­не­ний было рас­смот­ре­но такое по­ня­тие, как жест­кость воды.

По­зна­ко­ми­лись с алю­ми­ни­ем, его свой­ства­ми и спла­ва­ми. Вы узна­ли, что такое смеси, ре­ге­не­ри­ру­ю­щие кис­ло­род, озо­ни­ды, пе­рок­сид бария и по­лу­че­ние кис­ло­ро­да.

Источник: https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=3151

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть