Соединения щелочных металлов и их применение. Щелочные металлы

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.

Что же такое щелочные металлы? Это элементы первой группы, основной подгруппы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся такие металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Они обладают рядом свойств, которые присущи этой группе.

Особенности

Эти металлы имеют небольшие значения плотностей (литий, натрий, калий легче води), низкие температуры плавления (максимальная у лития – 180,6 °C). Они мягкие, легко режутся ножом, быстро окисляются, поэтому их хранят в емкостях заполненных химически малоактивными газами или жидкостями (обычно керосин).

Все металлы данной подгруппы имеют серебристо-белый цвет. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева щелочные металлы всегда следуют за инертными газами. Инертные или благородные газы очень плохо вступают в какие-либо химические реакции, они химически неактивные газы и это объясняется тем, что их электронные оболочки полностью заполнены.

В отличие от газов у щелочных металлов появляется один неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне. Поэтому в химических реакциях эти металлы выступают донорами электронов. Они всегда имеют степень окисления +1, химически очень активны – активно реагируют с кислотами (со взрывом), бурно реагируют с водой выделяя водород и образуя щёлочи MeOH (здесь Me – металл). Активность данных металлов увеличивается от Li к Fr.

Литий — это первый элемент в группе щелочных металлов. Атомная масса — 6,941, состоит из двух природных изотопов 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %), также известно о получении искусственным путем еще двух изотопов, но продолжительность их жизни очень мала.

Интересный факт о щелочном металле — стоимость 7Li в несколько раз выше за стоимость 6Li, хотя первый более распространён. История открытия данного элемента связана с именем шведского химика И. А. Арфведсона.

Калий, наравне с натрием, играет важнейшую роль в работе клеток живых организмов, поддерживая их мембранный потенциал. В организме человека содержится около 175 граммов этого металла, и для поддержания этого запаса его нужно ежедневно пополнять примерно на 4 грамма.

В природе встречается часто, но только в составе соединений, занимает третье место по количеству содержания его в воде. При недостатке в почве, этот металл вводят в виде удобрений: хлорида калия KCl, сульфата калия K2SO4 и золы растений.

Многим известно такое вещество, как цианистый калий; но не многие знают, где его используют. А используют его для гальванического серебрения а также золочения неблагородных металлов, извлечения дорогостоящих металлов, а именно серебра и золота, из руд.

Цезий был открыт в 1860 году в целебных минеральных источниках Шварцвальдена. Атомная масса – 132,905.

Данный металл используется в таких отраслях: автоматике и электронике, в радиолокации и кино, а также в атомных реакторах и космических кораблях. Это был первый элемент, который открыли с помощью спектрального анализа.

Франций

Франций — это самый нестабильный и тяжёлый элемент среди щелочных металлов с атомной массой 223 и периодом полураспада 22 минуты. Из-за таких характеристик его было очень сложно выделить.

Это очень редкий металл которого, по подсчетам учёных, в земной коре находится всего около 500 грамм, поэтому франций исследовали на искусственно созданных образцах.

Натрий

Натрий — один из самых распространённых щелочных металлов. Из-за этого его используют в разнообразных отраслях. Например, раствором цианида натрия обрабатывают руды драгоценных металлов. В результате получают координационные соединения из которого с помощью цинка выделяют чистое золото или серебро.

Натрий также используют на атомных подводных лодках как теплоноситель из-за его некоторых физических свойств (большая разница между температурами плавления и кипения). В природе натрий не встречается в чистом виде – слишком активен, поэтому — только в составе руд.

Интересный факт — в атмосфере на высоте около 80 км обнаружен слой атомарного натрия. Это объясняется тем что на таких высотах нет элементов с которыми натрий смог бы взаимодействовать.

Рубидий

Рубидий — это по-своему интересный щелочной металл. Имея атомную массу 85,467 металл является радиоактивным. При соприкосновением с воздухом рубидий воспламеняется и горит розовато-фиолетовым пламенем, с водой, F, Cl, Br, I, S – происходит взрыв.

Интересная особенность рубидия — это способность вырабатывать электрический ток под воздействием солнечного излучения.

Хотя щелочные металлы и обладают рядом особенностей присущих им всем, каждый из них также имеет свойства, характерные только для него. Некоторые элементы до сих пор очень плохо изучены, а учитывая востребованность металлов данной группы разными отраслями промышленности, давно назрела необходимость заполнить пустые места в научных справочниках.

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ПОДГРУППА IА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ
Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром. С каждого щелочного металла начинается новый период в периодической таблице. Щелочной металл способен отдавать свой внешний электрон легче, чем любой другой элемент этого периода. Разрез щелочного металла в инертной среде имеет яркий серебристый блеск. Щелочные металлы отличаются невысокой плотностью, хорошей электропроводностью и плавятся при сравнительно низких температурах (табл. 2).
Благодаря высокой активности щелочные металлы в чистом виде не существуют, а встречаются в природе только в виде соединений (исключая франций), например с кислородом (глины и силикаты) или с галогенами (хлорид натрия). Хлориды являются сырьем для получения щелочных металлов в свободном состоянии. Морская вода содержит ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ3% NaCl и следовые количества других солей. Очевидно, что озера и внутренние моря, а также подземные отложения солей и рассолы содержат галогениды щелочных металлов в больших концентрациях, чем морская вода. Например, содержание солей в водах Большого Соленого озера (шт. Юта, США) составляет 13,827,7%, а в Мертвом море (Израиль) до 31% в зависимости от площади зеркала воды, изменяющейся от времени года. Можно полагать, что незначительное содержание KCl в морской воде по сравнению с NaCl объясняется усвоением иона K+ морскими растениями.
В свободном виде щелочные металлы получают электролизом расплавов таких солей, как NaCl, CaCl2, CaF2 или гидроксидов (NaOH), так как нет более активного металла, способного вытеснить щелочной металл из галогенида. При электролизе галогенидов необходимо изолировать выделяющийся на катоде металл, так как одновременно на аноде выделяется газообразный галоген, активно реагирующий с выделяющимся металлом.
См. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО
Поскольку у щелочных металлов на внешнем слое всего один электрон, каждый из них является наиболее активным в своем периоде, так, Li самый активный металл в первом периоде из восьми элементов, Na соответственно во втором, а K самый активный металл третьего периода, содержащего 18 элементов (первый переходный период). В подгруппе щелочных металлов (IA) способность отдавать электрон возрастает сверху вниз.
Химические свойства. Все щелочные металлы активно реагируют с кислородом, образуя оксиды или пероксиды, отличаясь в этом друг от друга: Li превращается в Li2O, а другие щелочные металлы в смесь M2O2 и MO2, причем Rb и Cs при этом возгораются. Все щелочные металлы образуют с водородом солеподобные термически стабильные при высоких температурах гидриды состава M+H, являющиеся активными восстановителями; гидриды разлагаются водой с образованием щелочей и водорода и выделением теплоты, вызывающей воспламенение газа, причем скорость этой реакции у лития выше, чем у Na и K.
См. также ВОДОРОД ; КИСЛОРОД .
В жидком аммиаке щелочные металлы растворяются, образуя голубые растворы, и (в отличие от реакции с водой) могут быть выделены снова при испарении аммиака или добавлении соответствующей соли (например, NaCl из его аммиачного раствора). При реакции с газообразным аммиаком реакция протекает подобно реакции с водой:

Амиды щелочных металлов проявляют основные свойства подобно гидроксидам. Большинство соединений щелочных металлов, кроме некоторых соединений лития, хорошо растворимы в воде. По атомным размерам и зарядовой плотности литий близок к магнию, поэтому свойства соединений этих элементов похожи. По растворимости и термической устойчивости карбонат лития подобен карбонатам магния и бериллия элементов подгруппы IIA; эти карбонаты разлагаются при относительно невысоких температурах вследствие более прочной связи МО. Соли лития лучше растворимы в органических растворителях (спиртах, эфирах, нефтяных растворителях), чем соли других щелочных металлов. Литий (как и магний) непосредственно реагирует с азотом, образуя Li3N (магний образует Mg3N2), тогда как натрий и другие щелочные металлы могут образовывать нитриды только в жестких условиях. Металлы подгруппы IA реагируют с углеродом, но наиболее легко протекает взаимодействие с литием (очевидно, благодаря его малому радиусу) и наименее легко с цезием. И наоборот, активные щелочные металлы непосредственно реагируют с СО, образуя карбонилы (например, K(CO)x), а менее активные Li и Na только в определенных условиях.
Применение. Щелочные металлы применяются как в промышленности, так и в химических лабораториях, например для синтезов. Литий используется для получения твердых легких сплавов, отличающихся, однако, хрупкостью. Большие количества натрия расходуются для получения сплава Na4Pb, из которого получают тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4 антидетонатор бензинового топлива. Литий, натрий и кальций используются как компоненты мягких подшипниковых сплавов. Единственный и поэтому подвижный электрон на внешнем слое делает щелочные металлы прекрасными проводниками тепла и электричества. Сплавы калия и натрия, сохраняющие жидкое состояние в широком интервале температур, применяют как теплообменную жидкость в некоторых типах ядерных реакторов и благодаря высоким температурам в ядерном реакторе используются для производства пара. Металлический натрий в виде подводящих электрических шин используется в электрохимической технологии для передачи токов большой мощности. Гидрид лития LiH является удобным источником водорода, выделяющегося в результате реакции гидрида с водой. Литийалюминийгидрид LiAlH4 и гидрид лития используются в качестве восстановителей в органическом и неорганическом синтезе. Благодаря малому ионному радиусу и соответственно высокой зарядовой плотности литий активен в реакциях с водой, поэтому соединения лития сильно гигроскопичны, и хлорид лития LiCl используется для осушки воздуха при эксплуатации приборов. Гидроксиды щелочных металлов сильные основания, хорошо растворимые в воде; они применяются для создания щелочной среды. Гидроксид натрия как наиболее дешевая щелочь находит широкое применение (только в США ее расходуется в год более 2,26 млн. т).
Литий. Самый легкий металл, имеет два стабильных изотопа с атомной массой 6 и 7; более распространен тяжелый изотоп, его содержание составляет 92,6% от всех атомов лития. Литий был открыт А.Арфведсоном в 1817 и выделен Р.Бунзеном и А.Матисеном в 1855. Он используется в производстве термоядерного оружия (водородная бомба), для увеличения твердости сплавов и в фармацевтике. Соли лития применяют для увеличения твердости и химической стойкости стекла, в технологии щелочных аккумуляторных батарей, для связывания кислорода при сварке.
Натрий. Известен с древности, выделил его Х.Дэви в 1807. Это мягкий металл, широко применяются такие его соединения, как щелочь (гидроксид натрия NaOH), пищевая сода (бикарбонат натрия NaHCO3) и кальцинированная сода (карбонат натрия Na2CO3). Находит применение и металл в виде паров в неярких газоразрядных лампах уличного освещения.
Калий. Известен с древности, выделил его также Х.Дэви в 1807. Соли калия хорошо известны: калиевая селитра (нитрат калия KNO3), поташ (карбонат калия K2CO3), едкое кали (гидроксид калия KOH) и др. Металлический калий также находит различное применение в технологии теплообменных сплавов.
Рубидий был открыт методом спектроскопии Р.Бунзеном в 1861; содержит 27,85% радиоактивного рубидия Rb-87. Рубидий, как и другие металлы подгруппы IA, химически высокоактивен и должен храниться под слоем нефти или керосина во избежание окисления кислородом воздуха. Рубидий находит разнообразное применение, в том числе в технологии фотоэлементов, радиовакуумных приборов и в фармацевтике.
Цезий. Соединения цезия широко распространены в природе, обычно в малых количествах совместно с соединениями других щелочных металлов. Минерал поллуцит силикат содержит 34% оксида цезия Cs2O. Элемент был открыт Р.Бунзеном методом спектроскопии в 1860. Основным применением цезия является производство фотоэлементов и электронных ламп, один из радиоактивных изотопов цезия Cs-137 применяется в лучевой терапии и научных исследованиях.
Франций. Последний член семейства щелочных металлов франций настолько радиоактивен, что его нет в земной коре в более чем следовых количествах. Сведения о франции и его соединениях основаны на исследовании ничтожного его количества, искусственно полученного (на высокоэнергетическом ускорителе) при a-распаде актиния-227. Наиболее долгоживущий изотоп 22387Fr распадается за 21 мин на 22388Ra и b-частицы. Согласно приблизительной оценке, металлический радиус франция составляет 2,7 . Франций обладает большинством свойств, характерных для других щелочных металлов, и отличается высокой электронодонорной активностью. Он образует растворимые соли и гидроксид. Во всех соединениях франций проявляет степень окисления I.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Щелочные металлы - франций, цезий, рубидий, калий, натрий, литий - называются так из-за того, что образуют щелочи при взаимодействии с водой. Из-за высокой способности вступать в реакцию эти элементы следует хранить под слоем минерального масла или керосина. Самым активным из всех указанных веществ считается франций (обладает радиоактивностью).

Щелочные металлы - вещества мягкие, серебристого цвета. Свежесрезанная поверхность их обладает характерным блеском. Щелочные металлы кипят и плавятся при низких температурах, обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Они имеют также небольшую плотность.

Химические свойства щелочных металлов

Вещества являются сильными восстановителями, проявляют в соединениях степень окисления (единственную) +1. С увеличением атомной массы щелочных металлов увеличивается и восстановительная способность. Практически все соединения растворимы в воде, все они носят ионный характер.

При умеренном нагревании щелочные металлы воспламеняются на воздухе. В соединении с водородом вещества формируют солеобразные гидриды. Продуктами сгорания, как правило, являются пероксиды.

Оксидами металлов щелочных являются твердые вещества желтого (оксиды рубидия и калия), белого и лития), и оранжевого (цезия оксид) цветов. Указанные оксиды способны реагировать с водой, кислотами, кислородом, кислотными и амфотерными оксидами. Эти основные свойства присущи им всем и носят ярко выраженный характер.

Пероксиды металлов щелочных - порошки желтовато-белого цвета. Они способны вступать в реакцию с углекислыми и угарными газами, кислотами, неметаллами, водой.

Гидроксиды металлов щелочных представляют собой растворимые в воде твердые вещества белого цвета. В этих соединениях проявляются (достаточно ярко) основные свойства щелочей. От лития к францию сила оснований и степень растворимости в воде увеличиваются. Гидроксиды считаются достаточно сильными электролитами. Они вступают в реакцию с солями, и оксидами, отдельными неметаллами, За исключением соединения с литием все остальные проявляют термическую устойчивость. При прокаливании происходит его разложение на воду и оксид. Получаются указанные соединения при помощи электролиза хлоридных водных растворов, ряда обменных реакций. Гидроксиды получают также при взаимодействии элементов (или оксидов) с водой.

Практически все соли описываемых металлов (за исключением отдельных солей лития) в воде растворимы хорошо. Образованные слабыми кислотами, растворы солей имеют реакцию среды (щелочную) в связи с гидролизом, образованные же сильными кислотами соли не гидролизуются. Распространенными солями являются каменная силикатный клей (растворимое стекло), бертолетова соль, марганцовка, сода питьевая, кальцинированная сода и прочие.

Все соединения щелочных металлов обладают способностью изменять цвет пламени. Это применяют в химическом анализе. Так, пламя в окрашивается ионами лития, в фиолетовый - ионами калия, в желтый - натрия, беловато-розовый - рубидия, фиолетово-красный - цезия.

В связи с тем, что все щелочные элементы являются самыми сильными восстановителями, получить их можно путем электролиза расплавов солей.

Применение щелочных металлов

Элементы используются в разных сферах деятельности человека. Например, цезий используется в фотоэлементах. В подшипниковых сплавах в качестве катализатора применяется литий. Натрий присутствует в газоразрядных лампах, ядерных реакторах как теплоноситель. В научно-исследовательской деятельности применяется рубидий.

Наиболее активными среди металлов являются щелочные металлы. Они активно вступают в реакции с простыми и сложными веществами.

Общие сведения

Щелочные металлы находятся в I группе периодической таблицы Менделеева. Это мягкие одновалентные металлы серо-серебристого цвета с небольшой температурой плавления и невысокой плотностью. Проявляют единственную степень окисления +1, являясь восстановителями. Электронная конфигурация - ns 1 .

Рис. 1. Натрий и литий.

Общая характеристика металлов I группы приведена в таблице.

Активные металлы быстро реагируют с другими веществами, поэтому в природе находятся только в составе минералов.

Получение

Для получения чистого щелочного металла используется несколько способов:

электролиз расплавов, чаще всего хлоридов или гидроксидов -

2NaCl → 2Na + Cl 2 , 4NaOH → 4Na + 2H 2 O + O 2 ;

прокаливание соды (карбоната натрия) с углём для получения натрия -

Na 2 CO 3 + 2C → 2Na + 3CO;

восстановление кальцием рубидия из хлорида при высоких температурах -

2RbCl + Ca → 2Rb + CaCl 2 ;

• восстановление цезия из карбоната с помощью циркония -

  2Cs 2 CO 3 + Zr → 4Cs + ZrO 2 + 2CO 2 .

Взаимодействие

Свойства щелочных металлов обусловлены их строением. Находясь в первой группе периодической таблицы, они имеют всего один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне. Единственный электрон легко переходит к атому окислителя, что способствует быстрому вступлению в реакцию.

Металлические свойства увеличиваются в таблице сверху вниз, поэтому литий расстаётся с валентным электроном труднее, чем франций. Литий - наиболее твёрдый элемент среди всех щелочных металлов. Реакция лития с кислородом проходит только под воздействием высокой температуры. С водой литий реагирует значительно медленнее, чем остальные металлы группы.

Общие химические свойства представлены в таблице.

При качественной реакции имеют разный цвет пламени. Литий горит малиновым, натрий - жёлтым, цезий - розово-фиолетовым пламенем. Оксиды щелочных металлов также имеют разный цвет. Натрий становится белым, рубидий и калий - жёлтыми.

Рис. 2. Качественная реакция щелочных металлов.

Применение

Простые металлы и их соединения используются для изготовления лёгких сплавов, металлических деталей, удобрений, соды и других веществ. Рубидий и калий используются в качестве катализаторов. Пары натрия применяются в люминесцентных лампах. Не имеет практического применения только франций из-за радиоактивных свойств. Как используют элементы I группы кратко описано в таблице применения щелочных металлов.

Рис. 3. Питьевая сода.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали об особенностях щелочных металлов. Они находятся в I группе таблицы Менделеева и при реакциях отдают один валентный электрон. Это мягкие металлы, легко вступающие в химические реакции с простыми и сложными веществами - галогенами, неметаллами, кислотами, водой. В природе встречаются только в составе других веществ, поэтому для их извлечения используется электролиз или реакция восстановления. Применяются в промышленности, строительстве, металлургии, энергетике.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 91.