Характеристики одинаковые для всех щелочных металлов
Обновлено: 04.07.2024
Щелочны́е мета́ллы — элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Эти металлы получили название щелочных, потому что большинство их соединений растворимо в воде. По-славянски «выщелачивать» означает «растворять», это и определило название данной группы металлов. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами.
Содержание
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 новом энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns 1 . 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
| Атомный номер | Название, символ | Металлический радиус, нм | Ионный радиус, нм | Потенциал ионизации, эВ | ЭО | p, г/см³ | tпл, °C | tкип, °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3 | Литий Li | 0,152 | 0,078 | 5,32 | 0,98 | 0,53 | 181 | 1347 |
| 11 | Натрий Na | 0,190 | 0,098 | 5,14 | 0,93 | 0,97 | 98 | 883 |
| 19 | Калий K | 0,227 | 0,133 | 4,34 | 0,82 | 0,86 | 64 | 774 |
| 37 | Рубидий Rb | 0,248 | 0,149 | 4,18 | 0,82 | 1,53 | 39 | 688 |
| 55 | Цезий Cs | 0,265 | 0,165 | 3,89 | 0,79 | 1,87 | 28 | 678 |
Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме золотисто-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.
Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы. Многие минералы содержат в своём составе металлы главной подгруппы I группы. Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмюсиликата калия K2[Al2Si6O16], аналогичный минерал, содержащий натрий — альбит — имеет состав Na2[Al2Si6O16]. В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве — соли калия — сильвин KCl, 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, азоту 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.
- Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава:
- При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2:
- В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:
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 О2 2- 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:
| Формула кислородного соединения | Цвет |
|---|---|
| Li2O | Белый |
| Na2O | Белый |
| K2O | Желтоватый |
| Rb2O | Жёлтый |
| Cs2O | Оранжевый |
| Na2O2 | Светло- жёлтый |
| KO2 | Оранжевый |
| RbO2 | Тёмно- коричневый |
| CsO2 | Жёлтый |
Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:
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 металл | Цвет пламени |
|---|---|
| Li | Карминно-красный |
| Na | Жёлтый |
| K | Фиолетовый |
| Rb | Беловато-розовый |
| Cs | Фиолетово-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
2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:
катод: Na + + e → Na
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.
Соединения щелочных металлов
Гидроксиды
Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрия электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:
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, синтетические моющие средства|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 - .
1. Щелочные металлы: общая характеристика, строение; свойства и получение простых веществ
Щелочными металлами называются химические элементы-металлы \(IA\) группы Периодической системы Д. И. Менделеева: литий \(Li\), натрий \(Na\), калий \(K\), рубидий \(Rb\), цезий \(Cs\) и франций \(Fr\).
Электронное строение атомов. На внешнем энергетическом уровне атомы щелочных металлов имеют один электрон ns 1 . Поэтому для всех металлов группы \(IA\) характерна степень окисления \(+1\).
- увеличение радиуса атомов;
- усиление восстановительных, металлических свойств.
Нахождение в природе. Из щелочных металлов наиболее широко распространены в природе натрий и калий. Но из-за высокой химической активности они встречаются только в виде соединений.
- каменная соль (хлорид натрия \(NaCl\)),
- глауберова соль, или мирабилит — декагидрат сульфата натрия Na 2 SO 4 \(·\) 10 H 2 O ,
- сильвин — хлорид калия \(KCl\),
- сильвинит — двойной хлорид калия-натрия \(KCl\) \(·\)\(NaCl\) и др.
Соединения лития, рубидия и цезия в природе встречаются значительно реже, поэтому их относят к числу редких и рассеянных.
Физические свойства простых веществ. В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Наличие металлической связи обусловливает общие физические свойства простых веществ-металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.
В свободном виде простые вещества, образованные элементами \(IA\) группы — это легкоплавкие металлы серебристо-белого (литий, натрий, калий, рубидий) или золотисто-жёлтого (цезий) цвета, обладающие высокой мягкостью и пластичностью.
Наиболее твёрдым является литий, остальные щелочные металлы легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу.
Только у натрия плотность немного больше единицы ρ = 1,01 г / см 3 , у всех остальных металлов плотность меньше единицы.
Химические свойства. Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, реагируя с кислородом и другими неметаллами.
Поэтому хранят щелочные металлы под слоем керосина или в запаянных ампулах. Они являются сильными восстановителями.
Взаимодействие натрия с водой протекает с выделением большого количества теплоты (т. е. реакция является экзотермической). Кусочек натрия, попав в воду, начинает быстро двигаться по её поверхности. Под действием выделяющейся теплоты он расплавляется, превращаясь в каплю, которая, взаимодействуя с водой, быстро уменьшается в размерах. Если задержать её, прижав стеклянной палочкой к стенке сосуда, капля воспламенится и сгорит ярко-жёлтым пламенем.
Получение. Металлический натрий в промышленности получают главным образом электролизом расплава хлорида натрия с инертными (графитовыми) электродами.
Помогите это решить. СРОЧНОООО. ОЧЕНЬ ОЧЕНЬ.
4. Атомы щелочноземельных элементов имеют возможность:
А) отдавать 2 электрона; Б) отдавать 1 электрон;
В) принимать 1 электрон; Г) принимать 2 электрона.
5. Щелочноземельные металлы в сравнении со щелочными:
А) менее активны; Б) более активны;
В) одинаковые по активности; Г) вообще неактивны
6. Щелочноземельные металлы в химических реакциях являются:
А) изоляторами; Б) восстановителями;
В) окислителями ; Г) не изменяют степень окисления.
7. Металлические свойства в главной подгруппе II группы:
А) увеличиваются Б) уменьшаются
В) не изменяются Г) сначала увеличиваются, потом уменьшаются
8. Какое утверждение не точно:
А) Оксиды металлов IIА группы - белые твердые вещества, устойчивые при нагревании;
Б) Оксиды металлов IIА группы - можно получить термическим разложением карбонатов;
В) Все металлы IIА группы образуют только один оксид;
Г)Оксиды металлов IIА группы имеют основный характер.
9. Выберите свойства, характерные для щелочноземельных металлов:
А) серебристо-белые; Б) тяжелые; В) легкие; Г) с высокими температурами плавления
10. Щелочноземельные металлы находятся в природе в виде:
А) оксидов; Б) гидроксидов; В) в самородном виде; Г) солей
11) Из элементов IIА группа хранить на воздухе можно:
А) стронций; Б) магний; В) кальций; Г) барий
12) Щелочноземельные металлы соединяются с водой, образуя:
А) гидроксиды; Б) гидраты; В) гидриды; Г) гидрокарбонаты
13. Соли кальция окрашивают пламя в:
А) синий цвет; Б) желтый цвет; В) кирпично- красный цвет; Г) фиолетовый цвет
14. Гидроксид кальция реагирует с: ( выберите все правильные ответы)
А) H2O Б) P2O5 В) H2SO4 Г) CO2
15. Наиболее ярко выраженные металлические свойства у:
А) магния ; Б) бария; В) стронция; Г) кальция
16. Укажите характеристики, одинаковые для всех щелочноземельных металлов:
А) число валентных электронов; Б) сильные восстановительные свойства;
В) число энергетических уровней в атоме; Г) химическая активность
17. Установите соответствие между формулой соединения и его названием:
А) CaCO3•MgCO3 1. ГИПС
Б) Ca(OH)2 2. ДОЛОМИТ
В) CaSO4·2H2O 3. МАГНЕЗИТ
Г) MgCO3 4. ИЗВЕСТНЯК
Д) CaO 5. ИЗВЕСТКОВОЕ МОЛОКО
Е) CaCO3 6. НЕГАШЕНАЯ ИЗВЕСТЬ
18.Очистить воду от ионов кальция, содержащихся в растворенном в ней гидрокарбонате кальция можно при:
А) кипячении; Б) добавлении хлорида бария; В) добавлении соляной кислоты; Г) добавлении хлорида натрия
19.Общая жёсткость воды обусловлена:
А) наличием ионов магния; Б) наличием ионов кальция; В) наличием ионов кальция и магния
20. С какими из простых веществ не взаимодействует кальций:
Водород Сера Цинк Азот
21. Какой из металлов при комнатной температуре практически не взаимодействует с водой:
Щелочные металлы
Щелочны́е мета́ллы — элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Гипотетический 119-й элемент унуненний в случае своего открытия, согласно строению своей внешней электронной оболочки, также будет отнесён к щелочным металлам.
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. Для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (у атома цезия — самый низкий) и электроотрицательности. Как следствие, в большинстве соединений щелочные металлы присутствуют в виде однозарядных катионов.
При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами.
. если водород с одной стороны кажется аналогом щелочных металлов, то с другой стороны он является конечным членом в гомологическом ряду алкильных остатков. [2]
Щёлочноземельные металлы активно взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому их хранят под слоем керосина или в запаянных сосудах, как и щелочные металлы. [3]
Вследствие очень лёгкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений. [4]
Щелочные металлы характеризуются незначительной твёрдостью, малой плотностью и низкими температурами плавления и кипения. [4]
В отличие от солей щелочных металлов, многие из солей щелочноземельных металлов малорастворимы в воде. [4]
. авторы показали, что, кроме трех ранее открытых щелочных металлов (лития, натрия и калия), должен существовать четвёртый, неизвестный ещё щелочной металл, дающий спектр с голубыми линиями. [5]
Выделяя соль цезия, Бунзен этим же способом обнаружил присутствие в тех же веществах еще одного неизвестного ранее щелочного металла, дающего красную линию в спектре. Хлористая соль этого металла была получена Бунзеном в следующем, 1861 году. Соответственно своему спектру этот новый металл был назван рубидием (от латинского слова rubidus ― «темно-красный»). [5]
. хотя водород занимает особое положение и обладает рядом специфических свойств, его следует считать неполным аналогом фтора, а не собратом щелочных металлов. [6]
Неоспоримо и утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», ― который должен следовать в I группе за цезием, и этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. [7]
Из всех гидридов щелочных и щелочноземельных металлов гидрид лития ― самое устойчивое соединение. [8]
Выделение щелочных металлов было, конечно, выдающимся открытием в химии, но технике того времени оно не дало ровным счетом ничего. [9]
. цезий, как и всякий щелочной металл, в руки не возьмёшь, поэтому на ладони, естественно, галлий расплавить легче, чем цезий. [10]
В некоторых отношениях щелочные металлы напоминают обычные, но, в отличие от большинства металлов, они не ржавеют и не корродируют, а спонтанно взрываются в воздухе или в воде. [11]
Несколько позднее Яблочков перешёл к элементам, в которых вместо угля применялся натрий или другие щелочные металлы. Эти элементы не требовали присутствия жидкости и были названы Яблочковым «сухими элементами» в более точном значении этого слова, чем современные нам «сухие батарейки», знакомые каждому радисту, так как в последних имеются опилки, пропитанные электролитическим раствором. Действие сухих элементов Яблочкова основано на окислении натрия при комнатной температуре. [12]
Наиболее сильно гидратируются катионы щелочных металлов. Например, ион Na 1+ в водной среде способен удерживать 60-70 ориентированных молекул H2O, тогда как Ca 2+ ― всего лишь до 14 молекул H2O. [13]
Уже давно известно, что сжимаемость, подобно некоторым другим свойствам элементов, находится в зависимости от порядкового номера элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Поэтому можно утверждать, что те или иные изменения в свойствах вещества, которые наблюдаются при высоких давлениях, зависят также и от величины его сжимаемости. Следовательно, изучение этого свойства вещества под давлением представляет первостепенную важность для физики высоких давлений. Современная методика исследования сжимаемости при высоких давлениях позволяет производить измерения до 100 тысяч атмосфер. Опыты показали, что в этом диапазоне давлений наиболее сжимаемыми оказались щелочные и щёлочно-земельные металлы. [14]
Металлы главной подгруппы первой группы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций — называются щелочными металлами. Это название связано с тем, что гидроксиды двух главных представителей этой группы — натрия и калия — издавна были известны под названием щелочей. Из этих щелочей, подвергая их в расплавленном состоянии электролизу, Г. Дэви в 1807 г. впервые получил свободные калий и натрий. [4]
Вследствие очень лёгкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений. <. >Все щелочные металлы кристаллизуются в кубической объёмноцентрированной решётке. Они обладают металлическим блеском, который можно наблюдать на свежем разрезе металла. На воздухе блестящая поверхность металла сейчас же тускнеет вследствие окисления.
Щелочные металлы характеризуются незначительной твёрдостью, малой плотностью и низкими температурами плавления и кипения. Наименьшую плотность имеет литий, самую низкую температуру плавления — франций. [4]
Одинаковое строение не только наружного, но и предпоследнего электронного слоя атомов всех щелочных металлов, кроме лития, обусловливает большое сходство свойств этих элементов. В то же время увеличение заряда ядра и общего числа электронов в атоме при переходе сверху вниз по подгруппе создаёт некоторые различия в их свойствах. Как и в других группах, эти различия проявляются главным образом в увеличении легкости отдачи валентных электронов и усилении металлических свойств с возрастанием порядкового номера. [4]
При сжигании щелочноземельных металлов всегда получаются оксиды. Пероксиды, поскольку они вообще образуются, гораздо менее стойки, чем пероксиды щелочных металлов. [4]
В отличие от солей щелочных металлов, многие из солей щелочноземельных металлов малорастворимы в воде. К таким солям относятся карбонаты, сульфаты, фосфаты и некоторые другие. Во всех своих соединениях щелочноземельные металлы имеют степень окисленности +2. [4]
В той же статье 1860 года при помощи своего нового метода исследования авторы показали, что, кроме трех ранее открытых щелочных металлов (лития, натрия и калия), должен существовать четвёртый, неизвестный еще щелочной металл, дающий спектр с голубыми линиями. Линии эти напоминают в общих чертах спектр калия, содержащий синие линии, но не совпадают с ним, равно как со спектром любого другого элемента. Поэтому оставалось заключить, что обнаруженные голубые линии принадлежат какому-то новому, еще неизвестному элементу, сходному с калием. Указанные голубые линии обнаруживались у составных частей минерала лепидолита, а также ― воды Дюркгеймовского источника. Бунзен, как отличный химик, в том же 1860 году сумел выделить из этих веществ препаративным путем (после обработки громадного количества воды из исследуемого источника, а также упомянутого минерала) небольшое количество хлористой соли нового металла, который как раз и давал замеченную, ранее неизвестную голубую линию. На этом основании Бунзен назвал новый металл цезием (от латинского слова caesius, что значит «небесно-голубой»). Выделяя соль цезия, Бунзен этим же способом обнаружил присутствие в тех же веществах еще одного неизвестного ранее щелочного металла, дающего красную линию в спектре. Хлористая соль этого металла была получена Бунзеном в следующем, 1861 году. Соответственно своему спектру этот новый металл был назван рубидием (от латинского слова rubidus ― «темно-красный»). Так блестяще подтвердилась на практике применимость спектрального анализа к изучению земных веществ, в частности к открытию новых, ранее неизвестных химических элементов. Вскоре за тем новые открытия в химии подтвердили еще раз могущество нового метода познания вещества. [5]
. хотя водород занимает особое положение и обладает рядом специфических свойств, его следует считать неполным аналогом фтора, а не собратом щелочных металлов. Поэтому правильнее всего помещать водород над фтором и ― по справедливости! ― одновременно (но в скобках) над литием. Говоря обо всем этом, я далек от мысли, что методы сравнительного расчёта представляют собой некую панацею, ибо область их применения не безгранична. [6]
Неоспоримо и утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», ― который должен следовать в I группе за цезием, и этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. Однако франций существует лишь в виде быстро разлагающихся радиоактивных изотопов с периодами полураспада в несколько минут или секунд, или даже тысячных долей секунды. [7]
Из лепидолитов цезий извлекается вместе с рубидием попутно, как побочный продукт производства лития. Для этого лепидолиты предварительно сплавляют (или спекают) при температуре около 1000° C с гипсом или сульфатом калия и карбонатом бария. В этих условиях все щелочные металлы превращаются в легко растворимые соединения ― их сложно выщелачивать горячей водой. [7]
Несмотря на повсеместную распространенность элемента № 20, даже не все химики видели элементарный кальций. А ведь этот металл и внешне, и по поведению совсем не похож на щелочные металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды. [15]
Дэви первым изучил свойства натрия и калия, он отметил легкую окисляемость щелочных металлов, указал, что пары натрия воспламеняются на воздухе. Выделение щелочных металлов было, конечно, выдающимся открытием в химии, но технике того времени оно не дало ровным счетом ничего. Более того, никто не знал, какую вообще пользу могут принести мягкие и очень активные металлы, воспламеняющиеся под действием воды. [9]
Обычно считается, что в гидридах щелочных металлов происходит перенос заряда от атома металла к водороду, и таким образом реализуется ионная связь. Данные по сжимаемости гидридов дают основание предположить другую электронную конфигурацию, когда электрон атома водорода достраивает оболочку атома Cs до электронной конфигурации Ва. При этом оба внешних электрона находятся в электрическом поле как Cs + , так и Н + . Энергия сродства атома цезия к протону составляет 7,6 эВ, потенциал ионизации изолированной молекулы CsH, по-видимому, близок к потенциалу ионизации атома Ва, равному 5,2 эВ. Их сумма 12,8 эВ несколько меньше энергии электрона в основном состоянии атома водорода. Перенос электрона от атома водорода к атому цезия в твердом CsH и создание электронной конфигурации двух внешних электронов в электрическом поле атомного остова Cs + и Н + , аналогичной электронной конфигурации атома бария, возможно происходит за счет взаимодействия с соседними атомными ячейками. Такое взаимодействие заметно увеличивает энергию электронов в состоянии равновесия в атомной ячейке твердого тела. [16]
. если мы представим периодическую систему в виде глобуса (такую карту называют проекцией Меркатора), то запад и восток сомкнутся, и рядом с инертными газами окажутся самые активные металлы с крайнего запада, из первого столбца таблицы. Они называются «щелочными». <. >
В некоторых отношениях щелочные металлы напоминают обычные, но, в отличие от большинства металлов, они не ржавеют и не корродируют, а спонтанно взрываются в воздухе или в воде. Щелочные металлы очень легко образуют соединения с галогенами. [11]
Конечно, не все кислоты и не все металлы вступают в такие реакции . Прежде всего, металлы должны быть активными; к ним относятся щелочные и щёлочноземельные металлы (натрий, калий, кальций), магний, алюминий, цинк. [17]
В 1807 году Гемфри Дэви положил в платиновые чашки влажные куски едкого натра и едкого кали и, пропустив через них электрический ток, впервые выделил металлический натрий и металлический Калий. [18]
— Металлы щелочные и щелочноземельные занимают в ряду активности несколько особое положение. Дело в том, что они уже при обычных условиях реагируют с водой, давая щёлочь и водород. А затем щелочь реагирует с солью, образуя нерастворимое основание (точнее основную соль, так как щелочь обычно оказывается в недостатке). Таким образом, эта группа металлов обычно не вытесняет менее активные металлы из водных растворов их солей.
— Но ведь можно взять неводные растворы или расплавы?
— Тогда, быть может, реакция и пойдет, но…
— Да! Я вспомнил: ряд активности здесь ни при чем! До сих пор я думал, что ряд активности позволяет предсказывать результаты любых реакций с участием металлов, но теперь вижу, что тут нужно еще учитывать и условия, при которых эти реакции осуществляются. [19]
Разберемся по порядку. «Во главе» ряда активности металлов стоит не калий и не цезий, а литий, после которого следуют цезий, рубидий и калий. Впрочем, разница в активности трёх последних металлов столь невелика, что некоторые исследователи расставляют их даже в ином порядке: то калий впереди, а то рубидий. А вот пятый щелочной металл, натрий, сильно отстает. <. >Представьте себе, что каждый щелочной металл на пути к своему месту в ряду активности должен преодолеть своеобразное «химическое троеборье»: испариться, отдать валентные электроны и гидратироваться. В первом виде троеборья побеждает цезий, которому на испарение нужно наименьшее количество энергии. Далее места распределяются в порядке увеличения температур кипения; последним оказывается литий. Во втором виде троеборья места распределяются точно так же: с наименьшей затратой энергии электроны теряются атомами цезия, как атомами с самым большим радиусом. Литий по-прежнему плетется в хвосте. [19]
В конечном счете получается достаточно сложная картина. Так, если все щелочные металлы выстроить в ряд по убыванию теплового эффекта их горения в кислороде, то ряд начнется литием и окончится цезием; а если сравнивать теплоту горения этих металлов в хлоре, то ряд будет начинаться цезием и оканчиваться литием. Не будем здесь останавливаться на причинах этого явления, обратим лишь внимание на самое главное: невозможно сравнивать активность металлов вообще, можно сравнивать лишь их активность по отношению к какому-то совершенно определённому веществу. Как мы видим, такое объяснение уже позволяет нам кое-что понять, но все же не исключает необходимости пользоваться словами «не знаю»… [19]
Элемент года. Если вы со школы запомнили, что ртуть ― единственный жидкий при комнатной температуре металл, так знайте: это перестало быть правдой в 1939 году, когда французский химик (химичка?) Маргарита Пере открыла щелочной металл с температурой плавления 18 градусов. Патриотичная дама назвала элемент францием в честь своей родины. Не учла или не знала еще, что он самый химически активный из всех щелочных металлов и редчайший и наименее устойчивый из всех радиоактивных элементов, встречающихся в природе. Не очень-то это на Францию похоже, а? [20]
Щелочны́е мета́ллы — это элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы I группы) [1] : литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr, и унуненний Uue. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.
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 ns 1 . 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).
| Атомный номер | Название, символ | Металлический радиус, нм | Ионный радиус, нм | Потенциал ионизации, эВ | ЭО | p, г/см³ | tпл, °C | tкип, °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3 | Литий Li | 0,152 | 0,078 | 5,32 | 0,98 | 0,53 | 181 | 1347 |
| 11 | Натрий Na | 0,190 | 0,098 | 5,14 | 0,93 | 0,97 | 98 | 883 |
| 19 | Калий K | 0,227 | 0,133 | 4,34 | 0,82 | 0,86 | 64 | 774 |
| 37 | Рубидий Rb | 0,248 | 0,149 | 4,18 | 0,82 | 1,53 | 39 | 688 |
| 55 | Цезий Cs | 0,265 | 0,165 | 3,89 | 0,79 | 1,87 | 28 | 678 |
| 87 | Франций Fr | ? | 0,18 | ? | 0,7 | 1,87 | 27 | 6778 |
| 119 | Унуненний Uue | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
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.
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.
Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О2 2− и надпероксид-ион O2 − .
| Формула кислородного соединения | Цвет |
|---|---|
| Li2O | Белый |
| Na2O | Белый |
| K2O | Желтоватый |
| Rb2O | Жёлтый |
| Cs2O | Оранжевый |
| Na2O2 | Светло- жёлтый |
| KO2 | Оранжевый |
| RbO2 | Тёмно- коричневый |
| CsO2 | Жёлтый |
| Щелочной металл | Цвет пламени |
|---|---|
| Li | Карминно-красный |
| Na | Жёлтый |
| K | Фиолетовый |
| Rb | Бурокрасный |
| Cs | Фиолетово-красный |
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 578 дней]
катод:
анод:
Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.
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.
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 − .
Читайте также: