Сочинение на тему щелочные металлы взаимодействие с водой
11 вариантов
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.
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 МЕТАЛЛЫ 3% 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.
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.
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).
Не успели занять свои места, как вдруг неожиданно разгорелся между ними спор: кому тяжело живется в нынешних условиях, когда начался глобальный экономический кризис, а кому наоборот – созданы все условия для процветания.
Мистер Ли упорно начал доказывать, что он обладает высоким потенциалом восстановления и не боится экономического кризиса, что среди присутствующих ему равных нет. «Я создал фирму под названием «Oksid», так что могу поделиться своим опытом», – говорил оратор.
Такого поворота событий вряд ли кто из присутствующих ожидал. Все были возмущены поведением выскочки и хвастуна мистера Ли. В спор вмешался мистер На. Начал со слов, что его уважают не хуже мистера Ли, и он не позволит относиться к присутствующим неуважительно. «Замечу, что мой потенциал восстановления чуть больше, чем у некоторых “мистеров-премистеров”. У меня уже давно сложились с химическими элементами дружеские отношения. Чтобы не быть голословным, приведу пример. С господином Oxygenium мы создали корпорацию “Peroksid”».
Из зала были слышны выкрики мистера Кa: «А мы… А мы… с господином Oxygenium успели преумножить наши отношения и создали более солидную корпорацию – “Nadperoksid”, так что у меня больше шансов выйти из кризиса, чем у всяк…» Но тут, не дав договорить, его прервал мистер эр Би: «По- думайте только, какие они “oksidцы-рeroksidцы”…» Но и этот господин не успел закончить свою речь. В спор вмешались мистер Си эС и мистер эФ эР.
Обстановка в зале накалялась, ситуация обострилась, споры не затихали. У всех нервы были напряжены до предела, а сами спорщики докрасна накалены. Но никто из присутствующих не желал раздеться и даже сделать глоток воды, чтобы охладить пыл, т.к. все знали, чем это чревато для многих: кислород (О2) в воздухе, да еще и вода (H2O) в стакане – гиблое дело.
Председательствующий на семинаре, видя, что спор становится неуправляемым и вряд ли его можно остановить цивилизованным способом, взял себя в руки и громко крикнул: «Всем молчать. »
В зале установилась мертвая тишина. Даже можно было услышать полет мухи (если бы, конечно, она присутствовала в зале). У членов семинара отвисли челюсти от неожиданности. Все замерли в позах марионеток, т.е. застыли на своих местах. Председательствующий сам испугался ничуть не меньше остальных. Все ждали и думали: «Что же будет дальше. »
А произошло вот что…
«Господа! – начал председатель. – Мы собрались здесь не для того, чтобы корчить из себя знатоков и хвастаться, кто с кем и когда создал корпорации “Оksid”, “Peroksid” и “Nadperoksid”. Мы собрались не для того, чтобы устраивать дискуссии и кулачные бои, а для того, чтобы все как одна дружная семья оценили нынешнюю ситуацию в мире и подумали, как и чем можем помочь друг другу в создавшихся условиях. Это – раз. Во-вторых, мы с планеты ПСХЭ – Периодическая система химических элементов – четко и ясно должны понять: Вселенная под угрозой. Начался всемирный финансовый кризис. Стало трудно жить не только нам, но и людям с дружественной планеты Земля (на нашем с вами языке эта планета называется Tellus)! Многие оказываются безработными, выброшенными на улицу. Страдают не единичные богатые личности – финансовые олигархи, а рабочие – самый многочисленный класс. Наша цель – реально помочь тем людям, которые оказались ненужными “элементами”.
В-третьих, оглянитесь и посмотрите, на кого вы похожи. Забываете, где вы находитесь и где воспитывались… Ведете себя неадекватно. Как уличные беспризорники, готовы передрать друг другу глотку, из-за всякой…
Мы находимся не на заседании Госдумы РФ или Верховной Рады Украины… Мы – всемирно признанные и уважаемые элементы щелочных металлов: мистер Ли – это щелочной металл Li (литий), мистер На – Na (натрий), мистер Ка – K (калий), мистер эР Би – Rb (рубидий), мистер Си эС – Cs (цезий) и мистер эФ эР – Fr (франций). Все мы из Ia группы главной подгруппы таблицы Д.И.Менделеева! А раз так, всегда должны быть первыми, всегда вместе и всегда – главными! Мы должны быть на высоте! Мы – цивилизованные “люди”! Мы присутствуем в природе в разных соединениях. Многие элементы из нас необходимы человеку, чтобы удовлетворить его потребности, а не для извлечения прибыли некоторых индивидуумов.
Итак, сегодня нам спорить и устраивать драки никак нельзя! Время не ждет! Мы, щелочные металлы, как химические элементы, живущие в одном доме и в одном подъезде, хотя и на разных этажах, должны жить дружно. Наша сегодняшняя задача: имея самые активные восстановительные способности, стараться всячески помочь людям и поддерживать их в трудную минуту, восстанавливать их на прежних рабочих местах, чтобы им было всегда комфортно и уютно. Мы должны служить народу, повышать его благосостояние.
Мы знаем и о том, что новое качество, новое вещество образуется не путем механического приращения групп атомов. Оно появляется лишь в результате взаимодействия составных частей наших молекул и взаимного влияния наших атомов. Мы четко и ясно должны представлять и то, как, вооружившись имеющимися знаниями о веществах, направлять их в нужное русло: получать новые вещества, которых еще нет в природе или которые представлены в ограниченном количестве, раскрыть весь наш потенциал восстановления, нужный для развития народного хозяйства и для жизни на Земле.
Повторяю, что мы должны жить дружно не только в своей I группе, но и уметь налаживать дружественные отношения с человечеством, принося ему пользу во имя процветания и мира на планете Земля. Надо быть всегда в нужное время в нужном месте. »
Председательствующий оглядел зал и закончил речь словами, перефразируя немецкого поэта-сатирика Себастьяна Бранта:
«Алхимия примером не служит
Тому, как плутни с дурью дружат…»
Спорщикам-ораторам было стыдно за свои поступки. То краснея, то бледнея от сказанного, все начали тихо занимать свои места. Семинар начался …
* IUPAC – ИЮПАК, Международный союз теоретической и прикладной химии.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns 1 . В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.
Физические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).
В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.
Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.
Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки
Получение щелочных металлов
Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:
Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:
Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:
Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:
KOH + Na = K + NaOH
Химические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:
Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):
Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.). Например:
Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:
Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:
3Na + AlCl3 = 3NaCl + Al
Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.
Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:
Качественные реакции
Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li + окрашивает пламя в красный цвет, Na + — в желтый, а K + , Rb + , Cs + — в фиолетовый.
Примеры решения задач
Найдем количество вещества хлора:
Исходя из уравнения реакции, количество вещества натрия равно:
v(Na) = 0,3/2 =0,15 моль
Найдем массу натрия, выделившегося на катоде:
m(Na) = 0,15?23 = 3,45г
Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
1. Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:
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.
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.
Исследователи из Республики Чехия заявляют, что следует пересмотреть механизм, лежащий в основе бурного взаимодействия натрия с водой, зачастую протекающего со взрывом. Они предполагают, что активное протекание реакции и «прыжки» щелочного металла могут объясняться не воспламенением выделяющегося водорода, как предполагалось ранее, а значительной неустойчивостью заряда в структуре металла.
Взаимодействие щелочных металлов с водой является излюбленным демонстрационным экспериментом многих преподавателей, демонстрирующих волшебную силу химии школьникам или студентам. Чаще всего результат такого опыта объясняется горением выделяющегося в процессе реакции водорода, однако Павел Юнгвирт (Pavel Jungwirth) с коллегами считает такое объяснение неудовлетворительным.
Исследователь заявляет, что одним из важных условий протекания реакции со взрывом является эффективность смешения реагентов. Так, например, характер взрыва дымного пороха сильно зависит от степени измельчения всех образующих его компонентов и того, насколько тщательно смешаны растертые в порошок селитра, сера и уголь. Юнгвирт подчеркивает, что при взаимодействии натрия с водой происходит одновременное выделение водорода и паров воды, которые могут выступать в роли защитного буфера, разделяющего реагенты; таким образом, должно было бы наблюдаться самопроизвольное гашение реакции, и растворение натрия в воде должно было бы протекать мирно, без известных свето-шумовых эффектов.
Дополнительной аргументацией в пользу своих доводов Юнгвирт называет то обстоятельство, что даже при проведении демонстрационных лекционных экспериментов в системе натрий/вода в ряде случаев взрыва не происходит, что, очевидно, указывает на важность того, как реагенты должны контактировать друг с другом для того, чтобы взрыв произошел.
Для детального изучения феномена Юнгвирт с коллегами помещал небольшую каплю калий-натриевого сплава в воду и наблюдал за взрывом с помощью высокоскоростной камеры, способной регистрировать 10000 кадров в секунду – такой подход позволял исследователям наблюдать за взаимодействием щелочных металлов с водой с четырехсоткратным замедлением по сравнению с реальным протеканием этого процесса.
Было обнаружено, что через 300 микросекунд контакта сплава с водой из капли «прорастали» дендриты металла, перфорировавшие слой паров вокруг металла. Эти иголки, которыми как дикобраз обрастал кусок металла, обеспечивали увеличение площади поверхности металла и позволяли ему быстрее реагировать с окружающей водой. Юнгвирт заявляет, что причиной столь быстрого расширения металла является зарядовое распределение.
Чешский ученый говорит, что, конечно же, учителя и преподаватели говорят своим слушателям о том, что в ходе реакции натрия с водой электроны покидают металл и переходят в воду. Тем не менее, из слов Юнгвирта становится ясно: вряд ли в учебной аудитории можно услышать о том, что после потери металлом электронов кристалл металла приобретает существенный положительный заряд.
С помощью методов молекулярной динамики исследователи продемонстрировали, что в результате накопления существенного положительного заряда металлическая кристаллическая решетка сплава в значительной степени теряет устойчивость. В результате такой дестабилизации происходит «кулоновский взрыв» (coulomb explosion), ответственный за увеличение площади поверхности образца металла, взаимодействующего с водой. Исследователи из Чехии заявляют, что именно это расширение и приводит к бурной реакции металла с водой.
Нейл Бурн (Neil Bourne), директор Национального центра исследования веществ в экстремальных условиях, отмечает, что результаты новой работы весьма интересны, поскольку в ней пытаются пересмотреть устоявшиеся концепции. Тем не менее, Бурн советует чешским коллегам для более надежного доказательства своих взглядов использовать дополнительные методы. Также он задается вопросом – какое влияние могут оказать результаты работы на оптимизацию условий существующих промышленных химических процессов.
Юнгвирт парирует, подчёркивая, что задачей исследователей не всегда является повышение эффективности промышленных технологий. Он добавляет, что был бы счастлив, если бы школьные учителя и вузовские преподаватели узнали о результатах работы и в следующий раз дополнили бы демонстрационный эксперимент правильным, на его взгляд, объяснением.
Источник >>>
–PAGE_BREAK–Простое вещество литий
В виде простого вещества литий – мягкий серебристо-белый металл (т. пл. 179.°C, т. кип. 1370°C). Из металлов он самый легкий (пл. 0,534 г/см3).
Литий высоко химически активен. С кислородом и азотом взаимодействует уже при обычных условиях, поэтому на воздухе тотчас окисляется, образуя темно-серый налет продуктов взаимодействия (Li2O, Li3N). При температуре выше 200°C загорается. В атмосфере фтора и хлора, а так же в парах брома и йода самовоспламеняется при обычных условиях. При нагревании непосредственно соединяется с серой, углем, водородом и другими неметаллами. Будучи накален, горит в CO2.
С металлами литий образует интерметаллические соединения. С магнием, алюминием, цинком и с некоторыми другими металлами, кроме того, образует ограниченные твердые растворы. Заметно отличается атомным радиусом от остальных щелочных металлов, дает с ними эвтектические смеси.
Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Например, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.
Литий по химической активности уступает некоторым металлам, хотя значение его стандартного электродного потенциала наиболее отрицательное (E
°
298= -3,01 в). Это обусловлено большой энергией гидратации иона Li+, что обеспечивает смещение равновесия
Li(т)oLi+(p) + e-
в сторону ионизации металла в значительно большей степени, чем это имеет место у остальных щелочных металлов. Для слабо сольватирующих растворителей (например, в расплавах солей) значение его электродного потенциала соответствует его меньшей химической активности в ряду щелочных металлов.
Литий энергично разлагает воду, выделяя из нее водород; еще легче взаимодействует с кислотами.
Литий получают электролизом расплава эвтектической смеси LiCl – KCl. Его хранят под слоем вазелина или парафина в запаянных сосудах.
Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Литий, кроме того, используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах. Натрий
Атомный и ионный радиус натрия Na (1s22s22p63s1) значительно больше, чем лития, и признаки металлического элемента у натрия выражены сильнее. В этом отношении он уступает лишь элемента подгруппы калия.
Натрий – один из наиболее распространенных элементов на Земле (2,0 ат. %). Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве.
Важнейшие минералы натрия: NaCl (каменная соль, галит), Na2SO4?10H2O (мирабилит, глауберова соль), Na3AlF6 (криолит), Na2B4O7?10H2O (бура) и др. В сочетании с другими элементами он входит в состав многих природных силикатов и алюмосиликатов. Огромное количество солей натрия находится в гидросфере. Абсолютное содержание натрия в морской воде около 1,5?1016m.
Соединения натрия содержатся в растительных и животных организмах, в последнем случае главным образом в виде NaCl. В крови человека ионы Na+составляют 0,32%, в костях 0,6%, в мышечной ткани 0,6 – 1,5%.
Натрий – наиболее употребительный их щелочных металлов. Его получают в больших количествах электролизом расплава NaCl с добавками CaCl2, KCl и другими для понижения температуры плавления.
Это мягкий металл, легко реагирующий с водой, окисляющийся кислородом и другими элементами-окислителями – галогенами, халькогенами т.д. Хранят натрий в запаянных сосудах, а небольшое количество – под слоем керосина.
Применяется натрий в металлотермии и как активный восстановитель в органическом синтезе. Так же его используют в газоразрядных лампах и химических источниках тока.
Натрий является одним из важных элементов, входящих в состав живых организмов, в частности массовая доля ионов Na+ в плазме крови составляет около 0,3%.
Тяжелые щелочные металлы – калий, рубидий и цезий – еще более реакционноспособны, чем натрий. Все они со вспышкой реагируют с неметаллическими элементами, разлагают воду и многие другие вещества. Хранят их как и натрий, в запаянных сосудах.
Подобно натрию калий является биогенным элементом, особенно существенным в физиологии растений, которые получают его из почвы. При интенсивной агротехнике естественный круговорот калия нарушается и его необходимо вводить в почву в виде калийных удобрений.
Из тяжелых щелочных металлов техническое применение находит только цезий, который благодаря малому потенциалу ионизации используется для создания фоточувствительных слоев в вакуумных фотоэлементах.
Простое вещество натрий
В виде простого вещества натрий – легкий (пл. 0,97 г/см3), мягкий серебристо-белый металл со сравнительно невысокими температурами плавления (98°C) и кипения (883°C).
По химическим свойствам это активнейший металл. На воздухе тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты окисления. При обычной температуре самовоспламеняется в атмосфере фтора и хлора. При небольшом подогревании энергично взаимодействует с жидким бромом, серой, йодом, водородом и др.
С многими металлами натрий образует интерметаллические соединения. Например, с оловом он дает ряд соединений: NaSn6, NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na2Sn, Na3Sn и др. С некоторыми металлами дает твердые растворы. Эвтектический сплав 24% Na и 76%K представляет собой жидкость (температура кристаллизации –12,6°C).
Натрий используется в металлотермии. Металлический натрий и его жидкий сплав с калием используется в органическом синтезе. Как восстановитель часто применяется амальгама натрия. Натрий используется также в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках, в клапанах авиационных двигателей, в химических производствах, где требуется равномерный обогрев в пределах 450 – 650°C.
Натрий получают электролизом расплавленного NaCl и реже NaOH. При производстве натрия из NaCl (т. пл. 800°C) температуру плавления электролита снижают (до 575 – 585°C) добавкой KCl, CaCl2, NaF или других солей. Натрий хранят в запаянных сосудах или под керосином.
продолжение
–PAGE_BREAK–Элементы подгруппы калия
Калий K, Рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr – полные электронные аналоги. Хотя у атомов щелочных металлов число валентных электронов одинаково, свойства элементов подгруппы калия отличаются от свойств натрия и, особенно, лития. Это обусловлено заметным различием величины радиусов их атомов и ионов. Кроме того, у лития в предвнешнем квантовом слое 2 электрона, а у элементов подгруппы калия – 8. В таблице 1-2 приложения I приведены сведения о литии, натрии и элементах подгруппы калия.
Элементы подгруппы калия – наиболее типичные металлические элементы – катионогены. При этом с повышением порядкового номера этот признак у элементов усиливается. Для них наиболее характерны соединения с преимущественно ионным типом связи. Вследствие незначительного поляризирующего действия ионов (малый заряд, устойчивость электронной структуры, большие размеры), комплексообразование для K+, Rb+, Cs+, Fr+нехарактерно; даже кристаллогидраты для них почти неизвестны.
Наиболее важными минералами калия являются: сильвин KCl,сильвинит NaCl?KCl,карналлит KCl?MgCl2?6H2O, каинит KCl?MgSO4?3H2O.
Рубидий и цезий содержатся в минералах калия. Франций радиоактивен, стабильных изотопов не имеет. Он открыт в 1939г. в продуктах радиоактивного распада урана (4?10-28г. на 1 грамм природного урана). Его получают искусственно. Наиболее долгоживущий изотоп 212Fr (T1/2 = 20мин) образуется при облучении урана протонами:
238U (p, 6p21n)212Fr
Вследствие малого периода полураспада изотопов сколько-нибудь заметных количеств франция накопить не удается, поэтому его свойства изучены недостаточно.
Простые вещества подгруппы калия
В виде простых веществ калий и его аналоги – блестящие серебристо-белые (за исключением золотисто-желтого цезия) металлы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (как Li иNa). Основные физические константы этих элементов приведены в таблице 1-3 приложения I.
Как видно из приведенных данных, плотность K, Rb и Cs невелика, температуры плавления и кипения невысокие. Эти металлы очень мягки и легко режутся ножом. Существенно, что от лития к натрию и далее к калию значения большинства констант меняются довольно резко.
Калий и его аналоги – исключительно реакционноспособные металлы. На воздухе калий тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия; цезий и рубидий самовоспламеняются. В атмосфере фтора и хлора эти металлы самовоспламеняются при обычных условиях. Взаимодействие их с жидким бромом сопровождается сильным взрывом. При нагревании они легко взаимодействуют с серой, водородом и др. металлами. С металлами они образуют большей частью интерметаллические соединения.
Калий и его аналоги располагаются в самом начале ряда напряжений. Взаимодействие калия с водой сопровождается самовоспламенением выделяющегося водорода, а взаимодействие рубидия и цезия – даже взрывом.
Рассматриваемые металлы при нагревании и освещении сравнительно легко теряют электроны. Эта способность делает их ценными материалами для изготовления фотоэлементов.
В технике калий получают натрийтермическим методом из расплавленного гидроксида или хлорида, рубидий и цезий – методами металлотермии и термическим разложением соединений. Калий и его аналоги хранят в запаянных сосудах. Калий, кроме того, можно сохранять в керосине. Соединения с водородом
Щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водородом, образуя гидриды MH. Наиболее характерна эта реакция для лития:
2Li + H2 = 2LiH
В отличие от соединений сp-элементами, в которых водород находится в положительной степени окисления, в гидридах щелочных металлов он присутствует в степени окисления –1, образуя гидридный анион H. В отсутствие воды гидрид лития не реагирует с кислородом и галогенами, но вода немедленно его разлагает:
LiH + H2O = LiOH + H2
В этой реакции протон выступает в роли окислителя, а гидридный анион – восстановителя:
H+ + H- = H2
Гидриды остальных щелочных металлов менее устойчивы и более реакционноспособны. Их свойства определяются свойствами гидридного аниона, т.е. они являются сильными восстановителями. Соединения с кислородом
Несмотря на то, что щелочные металлы во всех своих соединениях находятся в единственной степени окисления +1, каждый из них образует несколько бинарных соединений с кислородом. Кроме нормальных оксидов существуют пероксиды, супероксиды и озониды щелочных металлов.
Образование таких соединений обусловлено в большей мере свойствами кислорода, чем свойствам щелочных металлов.
Особенности элементов первой группы в образовании соединений с кислородом заключаются в том, что относительно большие однозарядные ионы обладают малым поляризующим действием и не дестабилизируют молекулярные ионы кислорода. При горении в кислороде получаются оксид лития, пероксид натрия и супероксиды остальных металлов:
2Li + 1/2O2 = Li2O 2Na + O2 = Na2O2 K + O2 = KO2
Пероксид лития может быть получен косвенным путем.
Оксиды получают из продуктов сгорания, нагревая их с соответствующим металлом:
Na2O2 + 2Na = 2Na2O2 KO2 + 3K = 2K2O
При взаимодействии калия, рубидия и цезия с озоном образуются озониды:
K + O2 = KO3
Большинство соединений с кислородом окрашено. Оксиды лития и натрия бесцветны, но уже Na2O2 имеет светло-желтую окраску, KO2 – оранжевого, RbO2 – темно-коричневого цвета.
Естественно, что нормальные оксиды щелочных металлов практически не проявляют ни окислительных, ни восстановительных свойств, тогда как остальные соединения являются сильными окислителями. Большая часть органических веществ (эфир, уксусная кислота, древесные опилки, хлопок) реагируют с Na2O2 или KO2 со вспышкой или со взрывом.
Пероксид натрия получают в промышленности в больших количествах путем сжигания металлического натрия в токе воздуха. При взаимодействии его с водой идет реакция гидролиза:
O22- + H2O = OH- + HO2-
Водные растворы пероксида натрия – достаточно сильные окислители и широко используются для отбеливания органических средств – древесной массы, тканей, меха.
Смесь пероксида натрия с супероксида калия применяется в изолирующих дыхательных аппаратах, так как в этом случае число молей выделившегося кислорода может быть равно числу молей поглощенного CO2:
Na2O2 + CO2 = Na2CO3 + 1/2O2
2KO2 + CO2 = K2CO3 + 3/2O2
При соотношении Na2O2: KO2 = 1: 2 поглощение CO2 происходит без изменения общего давления.
продолжение
–PAGE_BREAK–
По химическим свойствам это активнейший металл. На воздухе тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты окисления. При обычной температуре самовоспламеняется в атмосфере фтора и хлора. При небольшом подогревании энергично взаимодействует с жидким бромом, серой, йодом, водородом и др.
С многими металлами натрий образует интерметаллические соединения. Например, с оловом он дает ряд соединений: NaSn6, NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na2Sn, Na3Sn и др. С некоторыми металлами дает твердые растворы. Эвтектический сплав 24% Na и 76% K представляет собой жидкость (температура кристаллизации –12,6 C).
Натрий используется в металлотермии. Металлический натрий и его жидкий сплав с калием используется в органическом синтезе. Как восстановитель часто применяется амальгама натрия. Натрий используется также в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках, в клапанах авиационных двигателей, в химических производствах, где требуется равномерный обогрев в пределах 450 – 650 C.
Натрий получают электролизом расплавленного NaCl и реже NaOH. При производстве натрия из NaCl (т. пл. 800C) температуру плавления электролита снижают (до 575 – 585 C) добавкой KCl, CaCl2, NaF или других солей. Натрий хранят в запаянных сосудах или под керосином.
Элементы подгруппы калия
Калий K, Рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr – полные электронные аналоги. Хотя у атомов щелочных металлов число валентных электронов одинаково, свойства элементов подгруппы калия отличаются от свойств натрия и, особенно, лития. Это обусловлено заметным различием величины радиусов их атомов и ионов. Кроме того, у лития в предвнешнем квантовом слое 2 электрона, а у элементов подгруппы калия – 8. В таблице 1-2 приложения I приведены сведения о литии, натрии и элементах подгруппы калия.
Элементы подгруппы калия – наиболее типичные металлические элементы – катионогены. При этом с повышением порядкового номера этот признак у элементов усиливается. Для них наиболее характерны соединения с преимущественно ионным типом связи. Вследствие незначительного поляризирующего действия ионов (малый заряд, устойчивость электронной структуры, большие размеры), комплексообразование для K + , Rb + , Cs + , Fr + нехарактерно; даже кристаллогидраты для них почти неизвестны.
Рубидий и цезий содержатся в минералах калия. Франций радиоактивен, стабильных изотопов не имеет. Он открыт в 1939г. в продуктах радиоактивного распада урана (410 -28 г. на 1 грамм природного урана). Его получают искусственно. Наиболее долгоживущий изотоп 212 Fr (T1/2= 20мин) образуется при облучении урана протонами:
Вследствие малого периода полураспада изотопов сколько-нибудь заметных количеств франция накопить не удается, поэтому его свойства изучены недостаточно.
Простые вещества подгруппы калия
В виде простых веществ калий и его аналоги – блестящие серебристо-белые (за исключением золотисто-желтого цезия) металлы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (как Li и Na). Основные физические константы этих элементов приведены в таблице 1-3 приложения I.
Как видно из приведенных данных, плотность K, Rb и Cs невелика, температуры плавления и кипения невысокие. Эти металлы очень мягки и легко режутся ножом. Существенно, что от лития к натрию и далее к калию значения большинства констант меняются довольно резко.
Калий и его аналоги – исключительно реакционноспособные металлы. На воздухе калий тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия; цезий и рубидий самовоспламеняются. В атмосфере фтора и хлора эти металлы самовоспламеняются при обычных условиях. Взаимодействие их с жидким бромом сопровождается сильным взрывом. При нагревании они легко взаимодействуют с серой, водородом и др. металлами. С металлами они образуют большей частью интерметаллические соединения.
Калий и его аналоги располагаются в самом начале ряда напряжений. Взаимодействие калия с водой сопровождается самовоспламенением выделяющегося водорода, а взаимодействие рубидия и цезия – даже взрывом.
Рассматриваемые металлы при нагревании и освещении сравнительно легко теряют электроны. Эта способность делает их ценными материалами для изготовления фотоэлементов.
В технике калий получают натрийтермическим методом из расплавленного гидроксида или хлорида, рубидий и цезий – методами металлотермии и термическим разложением соединений. Калий и его аналоги хранят в запаянных сосудах. Калий, кроме того, можно сохранять в керосине.
Соединения с водородом
Щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водородом, образуя гидриды MH. Наиболее характерна эта реакция для лития:
В отличие от соединений с p-элементами, в которых водород находится в положительной степени окисления, в гидридах щелочных металлов он присутствует в степени окисления –1, образуя гидридный анион H. В отсутствие воды гидрид лития не реагирует с кислородом и галогенами, но вода немедленно его разлагает:
В этой реакции протон выступает в роли окислителя, а гидридный анион – восстановителя:
Гидриды остальных щелочных металлов менее устойчивы и более реакционноспособны. Их свойства определяются свойствами гидридного аниона, т.е. они являются сильными восстановителями.
Соединения с кислородом
Несмотря на то, что щелочные металлы во всех своих соединениях находятся в единственной степени окисления +1, каждый из них образует несколько бинарных соединений с кислородом. Кроме нормальных оксидов существуют пероксиды, супероксиды и озониды щелочных металлов.
Образование таких соединений обусловлено в большей мере свойствами кислорода, чем свойствам щелочных металлов.
Особенности элементов первой группы в образовании соединений с кислородом заключаются в том, что относительно большие однозарядные ионы обладают малым поляризующим действием и не дестабилизируют молекулярные ионы кислорода. При горении в кислороде получаются оксид лития, пероксид натрия и супероксиды остальных металлов:
Пероксид лития может быть получен косвенным путем.
Оксиды получают из продуктов сгорания, нагревая их с соответствующим металлом:
При взаимодействии калия, рубидия и цезия с озоном образуются озониды:
Большинство соединений с кислородом окрашено. Оксиды лития и натрия бесцветны, но уже Na2O2 имеет светло-желтую окраску, KO2 – оранжевого, RbO2 – темно-коричневого цвета.
Естественно, что нормальные оксиды щелочных металлов практически не проявляют ни окислительных, ни восстановительных свойств, тогда как остальные соединения являются сильными окислителями. Большая часть органических веществ (эфир, уксусная кислота, древесные опилки, хлопок) реагируют с Na2O2 или KO2 со вспышкой или со взрывом.
Пероксид натрия получают в промышленности в больших количествах путем сжигания металлического натрия в токе воздуха. При взаимодействии его с водой идет реакция гидролиза:
Водные растворы пероксида натрия – достаточно сильные окислители и широко используются для отбеливания органических средств – древесной массы, тканей, меха.
Смесь пероксида натрия с супероксида калия применяется в изолирующих дыхательных аппаратах, так как в этом случае число молей выделившегося кислорода может быть равно числу молей поглощенного CO2:
При соотношении Na2O2 : KO2 = 1 : 2 поглощение CO2 происходит без изменения общего давления.
Все бинарные соединения элементов I группы с кислородом реагируют с водой, образуя гидроксиды. Например:
Гидроксиды щелочных металлов, называемые щелочами, в воде хорошо растворимы и практически полностью диссоциированы:
NaOH ( кр) = Na + (p-p) + OH – (p-p)
В чистом виде это твердые бесцветные вещества, плавящиеся без разложения при 300 – 500 C. Только гидроксид лития при нагревании выше Тпл = 445 C теряет воду:
Твердые гидроксиды и их концентрированные растворы сильно гигроскопичны, они жадно поглощают влагу и используются для осушения газов, не обладающих кислотными свойствами, в частности аммиака. Уже при обычных условиях твердые щелочи легко реагируют с «кислотами» газами – CO2, SO2, NO2, галогенами, галогено- и халькогеноводородами. Поэтому щелочи широко используются для поглощения таких газов и очистки от них кислорода, водорода, азота.
В силу этих причин как твердые щелочи, так и их растворы следует хранить в плотно закрытой посуде.
Наибольшее применение находит NaOH – едкий натр, который в громадных количествах получают в промышленности электролизом раствора хлорида натрия. Он широко применяется при производстве целлюлозы, искусственного шелка, при рафинировании жидких растительных масел и нефти, в мыловаренной промышленности, при синтезе красителей и в других химических производствах.
Растворы щелочных металлов
При обсуждении свойств типичных металлов – галогенов, серы, фосфора – неоднократно упоминалась их способность растворяться в некоторых растворителях, из которых затем они могут быть выведены в неизменном виде. Такими растворителями для неметаллов являются малополярные вещества вроде CS2, CCl4 или бензола. По мере перехода от молекулярных кристаллов к атомным и металлическим способность растворяться без химических реакций постепенно уменьшается, и простые вещества элементов IV и III группы переходят в раствор только в результате химического превращения.
В случае щелочных металлов связи в металлических кристаллах, осуществляемые единственным валентным электроном, настолько слабы, что появляется возможность их разрушения в результате молекулярных, а не химических, в полном смысле этого слова, взаимодействий.
Так, в отсутствие следов железа все щелочные металлы достаточно хорошо растворимы в жидком аммиаке. При этом образуются голубые или синие растворы, из которых металлы могут быть выведены в неизменном виде после испарения аммиака. Подобным же образом натрий и другие металлы могут быть растворены в некоторых органических растворителях – аминах и эфирах. Все эти растворы обладают хорошей электропроводимостью, что говорит о ионной природе растворенных частиц. Различными методами доказано, что во всех случаях имеет место равновесие:
Как катион металла, так и электрон сильно сольватируются молекулами растворителя; например, в аммиаке образуются ионы Na(NH3)4 + , и это приводит к общему выигрышу энергии при растворении.
Очевидно, что сольватированные электроны в заметных количествах не могут существовать в растворах, содержащих протоны, так как непременно должна идти реакция
или, иначе, обмен электроном между атомом металла и протоном:
В водных растворах этот процесс количественно характеризуется стандартным восстановительным потенциалом. Для щелочных металлов Ek практически одинаковы и равны –2,9В. Такие большие отрицательные значения E говорят о том, что ни при каких условиях щелочные металлы не могут существовать с водой и любыми водными растворами, а значит, не могут быть восстановлены из водного раствора.
Действительно, все щелочные металлы энергично, во многих случаях со взрывом, реагируют с водой и растворами кислот. Со щелочными растворами, в которых концентрация протонов мала, реакции идут более спокойно. Натрий, брошенный на поверхность воды, немедленно плавится за счет теплоты реакции, а иногда поджигает выделяющийся водород:
Калий всегда реагирует с водой со вспышкой или со взрывом.
Соли щелочных металлов
Во всех своих соединениях щелочные металлы существуют в виде однозарядных катионов. Это относиться как к бинарным соединениям – галогенидам, халькогенидам, нитридам, карбидам, так и к солям со сложными многоатомными анионами.
Электростатические взаимодействия в ионных кристаллических решетках, содержащих однозарядные катионы, не очень велики, и энергии гидратации ионов оказываются вполне соизмеримы с ними. Поэтому, за редкими исключениями, соли щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Хуже других растворимы фториды, карбонат и фосфат лития и перхлораты калия, рубидия и цезия.
При сильном нагревании солей, особенно при внесении их в пламя горящего водорода или бытового газа, происходит ряд процессов приводящих к появлению характерной окраски пламени.
Соли щелочных металлов находят самое широкое применение как в лабораторной практике, так и в различных областях промышленности и медицины.
Особенно широко используются карбонат и гидрокарбонат натрия, известные под общим названием сода. В технике и в быту различают кристаллическую соду Na2CO310H2O, кальцинированную соду – безводный карбонат Na2CO3 и питьевую соду – NaHCO3. Кроме того, следует упомянуть, что термин каустическая сода или каустик используется в технике для обозначения NaOH.
Основные потребители соды – стекольное, мыловаренное, бумажное, текстильное производство. Сода служит исходным продуктом для получения других солей натрия. Питьевая сода широко применяется в медицине. В лабораторной практике сода используется для нейтрализации кислот при несчастных случаях.
Таблица 1-1. Физико-химические свойства щелочных металлов
Энергия ионизации атомов I1,
Сродство атомов к электрону,
Энтальпия атомизации, кДж/моль
Температура плавления, C
Температура кипения, C
Таблица 1-2. Основные сведения о щелочных металлах
Радиус иона Э + , А
Энергия ионизации, Эв
Содержание в земной
Таблица 1-3. Основные физические константы щелочных металлов
Плотность, г/см 3 Список использованной литературыН. С. Ахметов «Неорганическая химия», Москва изд. Высшая школа 1975г.
В. В. Пасынков «Материалы электронной техники», Москва изд. Высшая школа 1980г.
Ю. В. Ходаков, В. Л. Василевский «Металлы», Москва изд. Просвещение 1966г.
А. В. Суворов, А. Б. Никольский «Общая химия», Санкт-Петербург изд. Химия 1995г.
С. И. Венецкий «Рассказы о металлах», Москва изд. Металлургия 1986г.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Если в шутку, то можно и сказку!
В большом семиэтажном доме, в подъезде щелочных металлов, на втором этаже жил Литий – самый легкий и беззаботный металл. Он, как и все щелочные металлы, очень активно взаимодействовал с Кислородом, неметаллами, Водородом и Водой. Как и все, защищался от Кислорода, но носил не керосиновую, а вазелиновую шубу, так как был очень легким и всплывал в керосине.
Но все же Литий не был во всех отношениях похожим на своих собратьев: он был добр, щедр и прост. Он с охотой отдавал свои электроны и Кислороду, и Азоту, и многим другим элементам. Из-за этих-то особенностей Литий страдал, так как другие щелочные металлы, особенно такие хитрые как Калий и Натрий, не давали ему прохода. Дело было в том, что когда щелочные металлы горели в кислороде, каждые два их атома отдавали одной молекуле Кислорода два своих электрона – каждому атому по одному. Остальные электроны они припрятывали до поры до времени. Литий же был честен – отдавал молекуле Кислорода в два раза больше электронов, чем остальные металлы: на четыре атома Лития – четыре электрона. Да и с Азотом Литий взаимодействовал спокойно, при обычной температуре, не то что другие – при нагревании.
И решили Натрий и Калий допытаться у Лития: почему он так поступает? Нет ли в его поведении каких-либо скрытых выгод?
Спрашивает Натрий: “Почему ты, брат Литий, все свои электроны Кислороду отдаешь? Не лучше ли делать так, как мы? ” Отвечал Литий: “Я всегда рад помочь другим, не то что вы – жадничаете. Я рад, что в моем оксиде Кислород имеет свою обычную степень окисления -2, не то что -1 в ваших странных, ни на что не похожих пероксидах” Сказал так и ушел восвояси. Долго стояли Натрий и Калий в раздумье, но так ничего и не поняли. И сейчас с Кислородом продолжают пероксиды образовывать.
§ 14. Щелочные металлы Строение и свойства атомов. Щелочные металлы — это элементы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Франций — редкий радиоактивный элемент.
На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат по одному электрону, находящемуся на сравнительно большом удалении от ядра. Они легко отдают этот электрон, поэтому являются очень сильными восстановителями. Во всех своих соединениях щелочные металлы проявляют степень окисления + 1. Восстановительные свойства их усиливаются при переходе от Li к Cs, что связано с увеличением радиусов их атомов. Это наиболее типичные представители металлов: металлические свойства выражены у них особенно ярко.
Щелочные металлы — простые вещества. Серебристо-белые мягкие вещества (режутся ножом), с характерным блеском на свежесрезанной поверхности (рис. 48). Рис. 48.
Хранение щелочных металлов и их физические свойства
Все они лёгкие и легкоплавкие, причём, как правило, плотность их возрастает от лития к цезию, а температура плавления, наоборот, уменьшается (рис. 49). Рис. 49.
Плотности и температуры плавления щелочных металлов
Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов М, запишем в общем виде уравнения реакций щелочных металлов с неметаллами — водородом, хлором и серой:
При взаимодействии с кислородом натрий образует не оксид, а пероксид:
И только литий образует оксид при взаимодействии с кислородом: Рис. 50.
Взаимодействие натрия с водой и собирание водорода методом вытеснения воздуха
Как вы уже знаете, все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой, образуя щёлочи и восстанавливая воду до водорода (рис. 50 и 51): Рис. 51.
Взаимодействие калия с водой
Скорость взаимодействия щелочного металла с водой будет увеличиваться от лития к цезию (почему?). Соединения щелочных металлов. В свободном виде в природе щелочные металлы не встречаются из-за своей исключительно высокой химической активности. Некоторые их природные соединения, в частности соли натрия и калия, довольно широко распространены, они содержатся во многих минералах, растениях, природных водах.
Рассмотрим основные соединения щелочных металлов на примере соединений натрия и калия — наиболее важных представителей этой группы элементов.
Оксиды М2O — твёрдые вещества. Имеют ярко выраженные основные свойства: взаимодействуют с водой, кислотами и кислотными оксидами (запишите уравнения соответствующих реакций).
Оксиды натрия Na2O и калия К2O получают, прокаливая пероксиды с соответствующими металлами, например:
Гидроксиды МОН — твёрдые белые вещества. Очень гигроскопичны. Хорошо растворяются в воде с выделением большого количества теплоты. Их относят к щелочам, они проявляют ярко выраженные свойства сильных растворимых оснований: взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, солями, амфотерными оксидами и гидроксидами (запишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионной формах). Гидроксиды щелочных металлов образуются при взаимодействии щелочных металлов или их оксидов с водой (запишите уравнения соответствующих реакций).
Гидроксид натрия NaOH в технике известен под названиями едкий натр, каустическая сода, каустик. Техническое название гидроксида калия КОН — едкое кали.
Оба гидроксида — NaOH и КОН — разъедают ткани и бумагу, поэтому их называют также едкими щелочами.
Едкий натр применяют в больших количествах для очистки нефтепродуктов, в бумажной и текстильной промышленности, для производства мыла и волокон.
Едкое кали дороже и применяется реже. Основная область его применения — производство жидкого мыла.
Соли щелочных металлов — твёрдые кристаллические вещества ионного строения. Почти все соли натрия и калия растворимы в воде. Наиболее важные их соли — карбонаты, сульфаты и хлориды.
Na2CO3 — карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na2CO3 • 10Н2O, известный под названием кристаллическая сода, которую применяют в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.
Вам в быту более известна кислая соль — гидрокарбонат натрия NaHCO3 (пищевая сода), которую применяют в пищевой промышленности, в медицине.
К2СO3 — карбонат калия, техническое название — поташ, используют в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.
Na2SO4 • 10H2O — кристаллогидратат сульфата натрия, техническое название — глауберова соль, применяют для производства соды и стекла и в качестве слабительного средства.
NaCl — хлорид натрия, или поваренная соль, хорошо известен вам из курса 8 класса. Хлорид натрия является важнейшим сырьём в химической промышленности, широко применяется в быту (рис. 52). Рис. 52.
Применение хлорида натрия:
1—5 — производство химических веществ (соляной кислоты 1, гидроксида натрия 2, хлора 3, натрия 4, соды 5); 6 — для консервирования;
7 — приправа к пище; 8 — производство мыла
Ионы натрия и калия очень важны для живых организмов: Na+ — главный внеклеточный ион, содержится в крови и лимфе, а К+ — основной внутриклеточный ион. Они выполняют разные функции в организме, но предпочитают «работать» вместе. Соотношение концентраций этих ионов регулирует давление крови в живом организме; обеспечивает перемещение растворов солей из корней в листья растений.
Калий поддерживает работу сердечной мышцы, поэтому нехватка калия в организме отрицательно сказывается на здоровье человека. Калий необходим растениям, при его недостатке снижается интенсивность фотосинтеза.
Взрослый человек должен в сутки потреблять с пищей 3,5 г калия. С помощью соединений калия можно устранять отёки. В этом случае нужно увеличить потребление калия до 5 г в сутки.
Больше всего калия содержат курага, соя, фасоль, зелёный горошек, чернослив, изюм и некоторые другие продукты (рис. 53). Рис. 53.
Калий поступает в организм человека с продуктами питания: 1 — чернослив; 2 — курага; 3 — фасоль; 4 — горох; 5 — соевые бобы
Соли калия широко используют в сельском хозяйстве в качестве калийных удобрений.
Соли натрия, как и сам натрий, окрашивают пламя в жёлтый цвет, а калий и его соли — в розово-фиолетовый. Проведём лабораторный опыт. Лабораторный опыт № 14
Окрашивание пламени солями щелочных металлов
<< Неорганическая химия
Взаимодействие щелочных металлов с водой
Описание.
Щелочные металлы: литий, натрий, калий – очень активны. На воздухе они реагируют с кислородом и водяными парами, поэтому их хранят под слоем керосина. Литий - самый легкий из всех металлов, он легче керосина. Извлечем кусочек лития из керосина, очистим его. Литий достаточно твердый по сравнению с другими щелочными металлами и с трудом режется ножом. Поместим кусочек лития в чашку Петри, наполненную водой. Литий энергично реагирует с водой с выделением водорода и образованием щелочи - гидроксида лития. При добавлении капли раствора фенолфталеина в чашку Петри появляется малиновая окраска. Натрий - более мягкий металл, легко режется ножом. Срез натрия - серебристо-белый, быстро тускнеет на воздухе. Кусочек натрия помещаем на поверхность воды. Попадая в воду, натрий плавится и начинает быстро двигаться по поверхности воды, подгоняемый пузырьками выделяющегося водорода. Кусочек натрия уменьшается на глазах. В процессе реакции также образуется щелочь - гидроксид натрия. С калием нужно обращаться очень осторожно. На воздухе он может самовозгораться. Кусочек калия поместим в чашку Петри с водой. Калий так энергично реагирует с водой, что выделяющийся в реакции водород загорается. В целях безопасности чашку Петри следует накрыть стеклянной пластинкой. Из трех щелочных металлов наиболее активным является калий.
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.
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 МЕТАЛЛЫ 3% 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.
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.
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).
Не успели занять свои места, как вдруг неожиданно разгорелся между ними спор: кому тяжело живется в нынешних условиях, когда начался глобальный экономический кризис, а кому наоборот – созданы все условия для процветания.
Мистер Ли упорно начал доказывать, что он обладает высоким потенциалом восстановления и не боится экономического кризиса, что среди присутствующих ему равных нет. «Я создал фирму под названием «Oksid», так что могу поделиться своим опытом», – говорил оратор.
Такого поворота событий вряд ли кто из присутствующих ожидал. Все были возмущены поведением выскочки и хвастуна мистера Ли. В спор вмешался мистер На. Начал со слов, что его уважают не хуже мистера Ли, и он не позволит относиться к присутствующим неуважительно. «Замечу, что мой потенциал восстановления чуть больше, чем у некоторых “мистеров-премистеров”. У меня уже давно сложились с химическими элементами дружеские отношения. Чтобы не быть голословным, приведу пример. С господином Oxygenium мы создали корпорацию “Peroksid”».
Из зала были слышны выкрики мистера Кa: «А мы… А мы… с господином Oxygenium успели преумножить наши отношения и создали более солидную корпорацию – “Nadperoksid”, так что у меня больше шансов выйти из кризиса, чем у всяк…» Но тут, не дав договорить, его прервал мистер эр Би: «По- думайте только, какие они “oksidцы-рeroksidцы”…» Но и этот господин не успел закончить свою речь. В спор вмешались мистер Си эС и мистер эФ эР.
Обстановка в зале накалялась, ситуация обострилась, споры не затихали. У всех нервы были напряжены до предела, а сами спорщики докрасна накалены. Но никто из присутствующих не желал раздеться и даже сделать глоток воды, чтобы охладить пыл, т.к. все знали, чем это чревато для многих: кислород (О2) в воздухе, да еще и вода (H2O) в стакане – гиблое дело.
Председательствующий на семинаре, видя, что спор становится неуправляемым и вряд ли его можно остановить цивилизованным способом, взял себя в руки и громко крикнул: «Всем молчать. »
В зале установилась мертвая тишина. Даже можно было услышать полет мухи (если бы, конечно, она присутствовала в зале). У членов семинара отвисли челюсти от неожиданности. Все замерли в позах марионеток, т.е. застыли на своих местах. Председательствующий сам испугался ничуть не меньше остальных. Все ждали и думали: «Что же будет дальше. »
А произошло вот что…
«Господа! – начал председатель. – Мы собрались здесь не для того, чтобы корчить из себя знатоков и хвастаться, кто с кем и когда создал корпорации “Оksid”, “Peroksid” и “Nadperoksid”. Мы собрались не для того, чтобы устраивать дискуссии и кулачные бои, а для того, чтобы все как одна дружная семья оценили нынешнюю ситуацию в мире и подумали, как и чем можем помочь друг другу в создавшихся условиях. Это – раз. Во-вторых, мы с планеты ПСХЭ – Периодическая система химических элементов – четко и ясно должны понять: Вселенная под угрозой. Начался всемирный финансовый кризис. Стало трудно жить не только нам, но и людям с дружественной планеты Земля (на нашем с вами языке эта планета называется Tellus)! Многие оказываются безработными, выброшенными на улицу. Страдают не единичные богатые личности – финансовые олигархи, а рабочие – самый многочисленный класс. Наша цель – реально помочь тем людям, которые оказались ненужными “элементами”.
В-третьих, оглянитесь и посмотрите, на кого вы похожи. Забываете, где вы находитесь и где воспитывались… Ведете себя неадекватно. Как уличные беспризорники, готовы передрать друг другу глотку, из-за всякой…
Мы находимся не на заседании Госдумы РФ или Верховной Рады Украины… Мы – всемирно признанные и уважаемые элементы щелочных металлов: мистер Ли – это щелочной металл Li (литий), мистер На – Na (натрий), мистер Ка – K (калий), мистер эР Би – Rb (рубидий), мистер Си эС – Cs (цезий) и мистер эФ эР – Fr (франций). Все мы из Ia группы главной подгруппы таблицы Д.И.Менделеева! А раз так, всегда должны быть первыми, всегда вместе и всегда – главными! Мы должны быть на высоте! Мы – цивилизованные “люди”! Мы присутствуем в природе в разных соединениях. Многие элементы из нас необходимы человеку, чтобы удовлетворить его потребности, а не для извлечения прибыли некоторых индивидуумов.
Итак, сегодня нам спорить и устраивать драки никак нельзя! Время не ждет! Мы, щелочные металлы, как химические элементы, живущие в одном доме и в одном подъезде, хотя и на разных этажах, должны жить дружно. Наша сегодняшняя задача: имея самые активные восстановительные способности, стараться всячески помочь людям и поддерживать их в трудную минуту, восстанавливать их на прежних рабочих местах, чтобы им было всегда комфортно и уютно. Мы должны служить народу, повышать его благосостояние.
Мы знаем и о том, что новое качество, новое вещество образуется не путем механического приращения групп атомов. Оно появляется лишь в результате взаимодействия составных частей наших молекул и взаимного влияния наших атомов. Мы четко и ясно должны представлять и то, как, вооружившись имеющимися знаниями о веществах, направлять их в нужное русло: получать новые вещества, которых еще нет в природе или которые представлены в ограниченном количестве, раскрыть весь наш потенциал восстановления, нужный для развития народного хозяйства и для жизни на Земле.
Повторяю, что мы должны жить дружно не только в своей I группе, но и уметь налаживать дружественные отношения с человечеством, принося ему пользу во имя процветания и мира на планете Земля. Надо быть всегда в нужное время в нужном месте. »
Председательствующий оглядел зал и закончил речь словами, перефразируя немецкого поэта-сатирика Себастьяна Бранта:
«Алхимия примером не служит
Тому, как плутни с дурью дружат…»
Спорщикам-ораторам было стыдно за свои поступки. То краснея, то бледнея от сказанного, все начали тихо занимать свои места. Семинар начался …
* IUPAC – ИЮПАК, Международный союз теоретической и прикладной химии.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns 1 . В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.
Физические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).
В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.
Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.
Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки
Получение щелочных металлов
Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:
Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:
Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:
Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:
KOH + Na = K + NaOH
Химические свойства щелочных металлов
Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:
Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):
Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.). Например:
Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:
Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:
3Na + AlCl3 = 3NaCl + Al
Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.
Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:
Качественные реакции
Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li + окрашивает пламя в красный цвет, Na + — в желтый, а K + , Rb + , Cs + — в фиолетовый.
Примеры решения задач
Найдем количество вещества хлора:
Исходя из уравнения реакции, количество вещества натрия равно:
v(Na) = 0,3/2 =0,15 моль
Найдем массу натрия, выделившегося на катоде:
m(Na) = 0,15?23 = 3,45г
Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
1. Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:
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.
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.
Исследователи из Республики Чехия заявляют, что следует пересмотреть механизм, лежащий в основе бурного взаимодействия натрия с водой, зачастую протекающего со взрывом. Они предполагают, что активное протекание реакции и «прыжки» щелочного металла могут объясняться не воспламенением выделяющегося водорода, как предполагалось ранее, а значительной неустойчивостью заряда в структуре металла.
Взаимодействие щелочных металлов с водой является излюбленным демонстрационным экспериментом многих преподавателей, демонстрирующих волшебную силу химии школьникам или студентам. Чаще всего результат такого опыта объясняется горением выделяющегося в процессе реакции водорода, однако Павел Юнгвирт (Pavel Jungwirth) с коллегами считает такое объяснение неудовлетворительным.
Исследователь заявляет, что одним из важных условий протекания реакции со взрывом является эффективность смешения реагентов. Так, например, характер взрыва дымного пороха сильно зависит от степени измельчения всех образующих его компонентов и того, насколько тщательно смешаны растертые в порошок селитра, сера и уголь. Юнгвирт подчеркивает, что при взаимодействии натрия с водой происходит одновременное выделение водорода и паров воды, которые могут выступать в роли защитного буфера, разделяющего реагенты; таким образом, должно было бы наблюдаться самопроизвольное гашение реакции, и растворение натрия в воде должно было бы протекать мирно, без известных свето-шумовых эффектов.
Дополнительной аргументацией в пользу своих доводов Юнгвирт называет то обстоятельство, что даже при проведении демонстрационных лекционных экспериментов в системе натрий/вода в ряде случаев взрыва не происходит, что, очевидно, указывает на важность того, как реагенты должны контактировать друг с другом для того, чтобы взрыв произошел.
Для детального изучения феномена Юнгвирт с коллегами помещал небольшую каплю калий-натриевого сплава в воду и наблюдал за взрывом с помощью высокоскоростной камеры, способной регистрировать 10000 кадров в секунду – такой подход позволял исследователям наблюдать за взаимодействием щелочных металлов с водой с четырехсоткратным замедлением по сравнению с реальным протеканием этого процесса.
Было обнаружено, что через 300 микросекунд контакта сплава с водой из капли «прорастали» дендриты металла, перфорировавшие слой паров вокруг металла. Эти иголки, которыми как дикобраз обрастал кусок металла, обеспечивали увеличение площади поверхности металла и позволяли ему быстрее реагировать с окружающей водой. Юнгвирт заявляет, что причиной столь быстрого расширения металла является зарядовое распределение.
Чешский ученый говорит, что, конечно же, учителя и преподаватели говорят своим слушателям о том, что в ходе реакции натрия с водой электроны покидают металл и переходят в воду. Тем не менее, из слов Юнгвирта становится ясно: вряд ли в учебной аудитории можно услышать о том, что после потери металлом электронов кристалл металла приобретает существенный положительный заряд.
С помощью методов молекулярной динамики исследователи продемонстрировали, что в результате накопления существенного положительного заряда металлическая кристаллическая решетка сплава в значительной степени теряет устойчивость. В результате такой дестабилизации происходит «кулоновский взрыв» (coulomb explosion), ответственный за увеличение площади поверхности образца металла, взаимодействующего с водой. Исследователи из Чехии заявляют, что именно это расширение и приводит к бурной реакции металла с водой.
Нейл Бурн (Neil Bourne), директор Национального центра исследования веществ в экстремальных условиях, отмечает, что результаты новой работы весьма интересны, поскольку в ней пытаются пересмотреть устоявшиеся концепции. Тем не менее, Бурн советует чешским коллегам для более надежного доказательства своих взглядов использовать дополнительные методы. Также он задается вопросом – какое влияние могут оказать результаты работы на оптимизацию условий существующих промышленных химических процессов.
Юнгвирт парирует, подчёркивая, что задачей исследователей не всегда является повышение эффективности промышленных технологий. Он добавляет, что был бы счастлив, если бы школьные учителя и вузовские преподаватели узнали о результатах работы и в следующий раз дополнили бы демонстрационный эксперимент правильным, на его взгляд, объяснением.
Источник >>>
–PAGE_BREAK–Простое вещество литий
В виде простого вещества литий – мягкий серебристо-белый металл (т. пл. 179.°C, т. кип. 1370°C). Из металлов он самый легкий (пл. 0,534 г/см3).
Литий высоко химически активен. С кислородом и азотом взаимодействует уже при обычных условиях, поэтому на воздухе тотчас окисляется, образуя темно-серый налет продуктов взаимодействия (Li2O, Li3N). При температуре выше 200°C загорается. В атмосфере фтора и хлора, а так же в парах брома и йода самовоспламеняется при обычных условиях. При нагревании непосредственно соединяется с серой, углем, водородом и другими неметаллами. Будучи накален, горит в CO2.
С металлами литий образует интерметаллические соединения. С магнием, алюминием, цинком и с некоторыми другими металлами, кроме того, образует ограниченные твердые растворы. Заметно отличается атомным радиусом от остальных щелочных металлов, дает с ними эвтектические смеси.
Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Например, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.
Литий по химической активности уступает некоторым металлам, хотя значение его стандартного электродного потенциала наиболее отрицательное (E
°
298= -3,01 в). Это обусловлено большой энергией гидратации иона Li+, что обеспечивает смещение равновесия
Li(т)oLi+(p) + e-
в сторону ионизации металла в значительно большей степени, чем это имеет место у остальных щелочных металлов. Для слабо сольватирующих растворителей (например, в расплавах солей) значение его электродного потенциала соответствует его меньшей химической активности в ряду щелочных металлов.
Литий энергично разлагает воду, выделяя из нее водород; еще легче взаимодействует с кислотами.
Литий получают электролизом расплава эвтектической смеси LiCl – KCl. Его хранят под слоем вазелина или парафина в запаянных сосудах.
Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Литий, кроме того, используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах.
Натрий
Атомный и ионный радиус натрия Na (1s22s22p63s1) значительно больше, чем лития, и признаки металлического элемента у натрия выражены сильнее. В этом отношении он уступает лишь элемента подгруппы калия.
Натрий – один из наиболее распространенных элементов на Земле (2,0 ат. %). Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве.
Важнейшие минералы натрия: NaCl (каменная соль, галит), Na2SO4?10H2O (мирабилит, глауберова соль), Na3AlF6 (криолит), Na2B4O7?10H2O (бура) и др. В сочетании с другими элементами он входит в состав многих природных силикатов и алюмосиликатов. Огромное количество солей натрия находится в гидросфере. Абсолютное содержание натрия в морской воде около 1,5?1016m.
Соединения натрия содержатся в растительных и животных организмах, в последнем случае главным образом в виде NaCl. В крови человека ионы Na+составляют 0,32%, в костях 0,6%, в мышечной ткани 0,6 – 1,5%.
Натрий – наиболее употребительный их щелочных металлов. Его получают в больших количествах электролизом расплава NaCl с добавками CaCl2, KCl и другими для понижения температуры плавления.
Это мягкий металл, легко реагирующий с водой, окисляющийся кислородом и другими элементами-окислителями – галогенами, халькогенами т.д. Хранят натрий в запаянных сосудах, а небольшое количество – под слоем керосина.
Применяется натрий в металлотермии и как активный восстановитель в органическом синтезе. Так же его используют в газоразрядных лампах и химических источниках тока.
Натрий является одним из важных элементов, входящих в состав живых организмов, в частности массовая доля ионов Na+ в плазме крови составляет около 0,3%.
Тяжелые щелочные металлы – калий, рубидий и цезий – еще более реакционноспособны, чем натрий. Все они со вспышкой реагируют с неметаллическими элементами, разлагают воду и многие другие вещества. Хранят их как и натрий, в запаянных сосудах.
Подобно натрию калий является биогенным элементом, особенно существенным в физиологии растений, которые получают его из почвы. При интенсивной агротехнике естественный круговорот калия нарушается и его необходимо вводить в почву в виде калийных удобрений.
Из тяжелых щелочных металлов техническое применение находит только цезий, который благодаря малому потенциалу ионизации используется для создания фоточувствительных слоев в вакуумных фотоэлементах.
Простое вещество натрий
В виде простого вещества натрий – легкий (пл. 0,97 г/см3), мягкий серебристо-белый металл со сравнительно невысокими температурами плавления (98°C) и кипения (883°C).
По химическим свойствам это активнейший металл. На воздухе тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты окисления. При обычной температуре самовоспламеняется в атмосфере фтора и хлора. При небольшом подогревании энергично взаимодействует с жидким бромом, серой, йодом, водородом и др.
С многими металлами натрий образует интерметаллические соединения. Например, с оловом он дает ряд соединений: NaSn6, NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na2Sn, Na3Sn и др. С некоторыми металлами дает твердые растворы. Эвтектический сплав 24% Na и 76%K представляет собой жидкость (температура кристаллизации –12,6°C).
Натрий используется в металлотермии. Металлический натрий и его жидкий сплав с калием используется в органическом синтезе. Как восстановитель часто применяется амальгама натрия. Натрий используется также в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках, в клапанах авиационных двигателей, в химических производствах, где требуется равномерный обогрев в пределах 450 – 650°C.
Натрий получают электролизом расплавленного NaCl и реже NaOH. При производстве натрия из NaCl (т. пл. 800°C) температуру плавления электролита снижают (до 575 – 585°C) добавкой KCl, CaCl2, NaF или других солей. Натрий хранят в запаянных сосудах или под керосином.
продолжение
–PAGE_BREAK–Элементы подгруппы калия
Калий K, Рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr – полные электронные аналоги. Хотя у атомов щелочных металлов число валентных электронов одинаково, свойства элементов подгруппы калия отличаются от свойств натрия и, особенно, лития. Это обусловлено заметным различием величины радиусов их атомов и ионов. Кроме того, у лития в предвнешнем квантовом слое 2 электрона, а у элементов подгруппы калия – 8. В таблице 1-2 приложения I приведены сведения о литии, натрии и элементах подгруппы калия.
Элементы подгруппы калия – наиболее типичные металлические элементы – катионогены. При этом с повышением порядкового номера этот признак у элементов усиливается. Для них наиболее характерны соединения с преимущественно ионным типом связи. Вследствие незначительного поляризирующего действия ионов (малый заряд, устойчивость электронной структуры, большие размеры), комплексообразование для K+, Rb+, Cs+, Fr+нехарактерно; даже кристаллогидраты для них почти неизвестны.
Наиболее важными минералами калия являются: сильвин KCl,сильвинит NaCl?KCl,карналлит KCl?MgCl2?6H2O, каинит KCl?MgSO4?3H2O.
Рубидий и цезий содержатся в минералах калия. Франций радиоактивен, стабильных изотопов не имеет. Он открыт в 1939г. в продуктах радиоактивного распада урана (4?10-28г. на 1 грамм природного урана). Его получают искусственно. Наиболее долгоживущий изотоп 212Fr (T1/2 = 20мин) образуется при облучении урана протонами:
238U (p, 6p21n)212Fr
Вследствие малого периода полураспада изотопов сколько-нибудь заметных количеств франция накопить не удается, поэтому его свойства изучены недостаточно.
Простые вещества подгруппы калия
В виде простых веществ калий и его аналоги – блестящие серебристо-белые (за исключением золотисто-желтого цезия) металлы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (как Li иNa). Основные физические константы этих элементов приведены в таблице 1-3 приложения I.
Как видно из приведенных данных, плотность K, Rb и Cs невелика, температуры плавления и кипения невысокие. Эти металлы очень мягки и легко режутся ножом. Существенно, что от лития к натрию и далее к калию значения большинства констант меняются довольно резко.
Калий и его аналоги – исключительно реакционноспособные металлы. На воздухе калий тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия; цезий и рубидий самовоспламеняются. В атмосфере фтора и хлора эти металлы самовоспламеняются при обычных условиях. Взаимодействие их с жидким бромом сопровождается сильным взрывом. При нагревании они легко взаимодействуют с серой, водородом и др. металлами. С металлами они образуют большей частью интерметаллические соединения.
Калий и его аналоги располагаются в самом начале ряда напряжений. Взаимодействие калия с водой сопровождается самовоспламенением выделяющегося водорода, а взаимодействие рубидия и цезия – даже взрывом.
Рассматриваемые металлы при нагревании и освещении сравнительно легко теряют электроны. Эта способность делает их ценными материалами для изготовления фотоэлементов.
В технике калий получают натрийтермическим методом из расплавленного гидроксида или хлорида, рубидий и цезий – методами металлотермии и термическим разложением соединений. Калий и его аналоги хранят в запаянных сосудах. Калий, кроме того, можно сохранять в керосине.
Соединения с водородом
Щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водородом, образуя гидриды MH. Наиболее характерна эта реакция для лития:
2Li + H2 = 2LiH
В отличие от соединений сp-элементами, в которых водород находится в положительной степени окисления, в гидридах щелочных металлов он присутствует в степени окисления –1, образуя гидридный анион H. В отсутствие воды гидрид лития не реагирует с кислородом и галогенами, но вода немедленно его разлагает:
LiH + H2O = LiOH + H2
В этой реакции протон выступает в роли окислителя, а гидридный анион – восстановителя:
H+ + H- = H2
Гидриды остальных щелочных металлов менее устойчивы и более реакционноспособны. Их свойства определяются свойствами гидридного аниона, т.е. они являются сильными восстановителями.
Соединения с кислородом
Несмотря на то, что щелочные металлы во всех своих соединениях находятся в единственной степени окисления +1, каждый из них образует несколько бинарных соединений с кислородом. Кроме нормальных оксидов существуют пероксиды, супероксиды и озониды щелочных металлов.
Образование таких соединений обусловлено в большей мере свойствами кислорода, чем свойствам щелочных металлов.
Особенности элементов первой группы в образовании соединений с кислородом заключаются в том, что относительно большие однозарядные ионы обладают малым поляризующим действием и не дестабилизируют молекулярные ионы кислорода. При горении в кислороде получаются оксид лития, пероксид натрия и супероксиды остальных металлов:
2Li + 1/2O2 = Li2O 2Na + O2 = Na2O2 K + O2 = KO2
Пероксид лития может быть получен косвенным путем.
Оксиды получают из продуктов сгорания, нагревая их с соответствующим металлом:
Na2O2 + 2Na = 2Na2O2 KO2 + 3K = 2K2O
При взаимодействии калия, рубидия и цезия с озоном образуются озониды:
K + O2 = KO3
Большинство соединений с кислородом окрашено. Оксиды лития и натрия бесцветны, но уже Na2O2 имеет светло-желтую окраску, KO2 – оранжевого, RbO2 – темно-коричневого цвета.
Естественно, что нормальные оксиды щелочных металлов практически не проявляют ни окислительных, ни восстановительных свойств, тогда как остальные соединения являются сильными окислителями. Большая часть органических веществ (эфир, уксусная кислота, древесные опилки, хлопок) реагируют с Na2O2 или KO2 со вспышкой или со взрывом.
Пероксид натрия получают в промышленности в больших количествах путем сжигания металлического натрия в токе воздуха. При взаимодействии его с водой идет реакция гидролиза:
O22- + H2O = OH- + HO2-
Водные растворы пероксида натрия – достаточно сильные окислители и широко используются для отбеливания органических средств – древесной массы, тканей, меха.
Смесь пероксида натрия с супероксида калия применяется в изолирующих дыхательных аппаратах, так как в этом случае число молей выделившегося кислорода может быть равно числу молей поглощенного CO2:
Na2O2 + CO2 = Na2CO3 + 1/2O2
2KO2 + CO2 = K2CO3 + 3/2O2
При соотношении Na2O2: KO2 = 1: 2 поглощение CO2 происходит без изменения общего давления.
продолжение
–PAGE_BREAK–
По химическим свойствам это активнейший металл. На воздухе тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты окисления. При обычной температуре самовоспламеняется в атмосфере фтора и хлора. При небольшом подогревании энергично взаимодействует с жидким бромом, серой, йодом, водородом и др.
С многими металлами натрий образует интерметаллические соединения. Например, с оловом он дает ряд соединений: NaSn6, NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na2Sn, Na3Sn и др. С некоторыми металлами дает твердые растворы. Эвтектический сплав 24% Na и 76% K представляет собой жидкость (температура кристаллизации –12,6 C).
Натрий используется в металлотермии. Металлический натрий и его жидкий сплав с калием используется в органическом синтезе. Как восстановитель часто применяется амальгама натрия. Натрий используется также в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках, в клапанах авиационных двигателей, в химических производствах, где требуется равномерный обогрев в пределах 450 – 650 C.
Натрий получают электролизом расплавленного NaCl и реже NaOH. При производстве натрия из NaCl (т. пл. 800C) температуру плавления электролита снижают (до 575 – 585 C) добавкой KCl, CaCl2, NaF или других солей. Натрий хранят в запаянных сосудах или под керосином.
Элементы подгруппы калия
Калий K, Рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr – полные электронные аналоги. Хотя у атомов щелочных металлов число валентных электронов одинаково, свойства элементов подгруппы калия отличаются от свойств натрия и, особенно, лития. Это обусловлено заметным различием величины радиусов их атомов и ионов. Кроме того, у лития в предвнешнем квантовом слое 2 электрона, а у элементов подгруппы калия – 8. В таблице 1-2 приложения I приведены сведения о литии, натрии и элементах подгруппы калия.
Элементы подгруппы калия – наиболее типичные металлические элементы – катионогены. При этом с повышением порядкового номера этот признак у элементов усиливается. Для них наиболее характерны соединения с преимущественно ионным типом связи. Вследствие незначительного поляризирующего действия ионов (малый заряд, устойчивость электронной структуры, большие размеры), комплексообразование для K + , Rb + , Cs + , Fr + нехарактерно; даже кристаллогидраты для них почти неизвестны.
Рубидий и цезий содержатся в минералах калия. Франций радиоактивен, стабильных изотопов не имеет. Он открыт в 1939г. в продуктах радиоактивного распада урана (410 -28 г. на 1 грамм природного урана). Его получают искусственно. Наиболее долгоживущий изотоп 212 Fr (T1/2 = 20 мин) образуется при облучении урана протонами:
Вследствие малого периода полураспада изотопов сколько-нибудь заметных количеств франция накопить не удается, поэтому его свойства изучены недостаточно.
Простые вещества подгруппы калия
В виде простых веществ калий и его аналоги – блестящие серебристо-белые (за исключением золотисто-желтого цезия) металлы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (как Li и Na). Основные физические константы этих элементов приведены в таблице 1-3 приложения I.
Как видно из приведенных данных, плотность K, Rb и Cs невелика, температуры плавления и кипения невысокие. Эти металлы очень мягки и легко режутся ножом. Существенно, что от лития к натрию и далее к калию значения большинства констант меняются довольно резко.
Калий и его аналоги – исключительно реакционноспособные металлы. На воздухе калий тотчас окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия; цезий и рубидий самовоспламеняются. В атмосфере фтора и хлора эти металлы самовоспламеняются при обычных условиях. Взаимодействие их с жидким бромом сопровождается сильным взрывом. При нагревании они легко взаимодействуют с серой, водородом и др. металлами. С металлами они образуют большей частью интерметаллические соединения.
Калий и его аналоги располагаются в самом начале ряда напряжений. Взаимодействие калия с водой сопровождается самовоспламенением выделяющегося водорода, а взаимодействие рубидия и цезия – даже взрывом.
Рассматриваемые металлы при нагревании и освещении сравнительно легко теряют электроны. Эта способность делает их ценными материалами для изготовления фотоэлементов.
В технике калий получают натрийтермическим методом из расплавленного гидроксида или хлорида, рубидий и цезий – методами металлотермии и термическим разложением соединений. Калий и его аналоги хранят в запаянных сосудах. Калий, кроме того, можно сохранять в керосине.
Соединения с водородом
Щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водородом, образуя гидриды MH. Наиболее характерна эта реакция для лития:
В отличие от соединений с p-элементами, в которых водород находится в положительной степени окисления, в гидридах щелочных металлов он присутствует в степени окисления –1, образуя гидридный анион H. В отсутствие воды гидрид лития не реагирует с кислородом и галогенами, но вода немедленно его разлагает:
В этой реакции протон выступает в роли окислителя, а гидридный анион – восстановителя:
Гидриды остальных щелочных металлов менее устойчивы и более реакционноспособны. Их свойства определяются свойствами гидридного аниона, т.е. они являются сильными восстановителями.
Соединения с кислородом
Несмотря на то, что щелочные металлы во всех своих соединениях находятся в единственной степени окисления +1, каждый из них образует несколько бинарных соединений с кислородом. Кроме нормальных оксидов существуют пероксиды, супероксиды и озониды щелочных металлов.
Образование таких соединений обусловлено в большей мере свойствами кислорода, чем свойствам щелочных металлов.
Особенности элементов первой группы в образовании соединений с кислородом заключаются в том, что относительно большие однозарядные ионы обладают малым поляризующим действием и не дестабилизируют молекулярные ионы кислорода. При горении в кислороде получаются оксид лития, пероксид натрия и супероксиды остальных металлов:
Пероксид лития может быть получен косвенным путем.
Оксиды получают из продуктов сгорания, нагревая их с соответствующим металлом:
При взаимодействии калия, рубидия и цезия с озоном образуются озониды:
Большинство соединений с кислородом окрашено. Оксиды лития и натрия бесцветны, но уже Na2O2 имеет светло-желтую окраску, KO2 – оранжевого, RbO2 – темно-коричневого цвета.
Естественно, что нормальные оксиды щелочных металлов практически не проявляют ни окислительных, ни восстановительных свойств, тогда как остальные соединения являются сильными окислителями. Большая часть органических веществ (эфир, уксусная кислота, древесные опилки, хлопок) реагируют с Na2O2 или KO2 со вспышкой или со взрывом.
Пероксид натрия получают в промышленности в больших количествах путем сжигания металлического натрия в токе воздуха. При взаимодействии его с водой идет реакция гидролиза:
Водные растворы пероксида натрия – достаточно сильные окислители и широко используются для отбеливания органических средств – древесной массы, тканей, меха.
Смесь пероксида натрия с супероксида калия применяется в изолирующих дыхательных аппаратах, так как в этом случае число молей выделившегося кислорода может быть равно числу молей поглощенного CO2:
При соотношении Na2O2 : KO2 = 1 : 2 поглощение CO2 происходит без изменения общего давления.
Все бинарные соединения элементов I группы с кислородом реагируют с водой, образуя гидроксиды. Например:
Гидроксиды щелочных металлов, называемые щелочами, в воде хорошо растворимы и практически полностью диссоциированы:
NaOH ( кр) = Na + (p-p) + OH – (p-p)
В чистом виде это твердые бесцветные вещества, плавящиеся без разложения при 300 – 500 C. Только гидроксид лития при нагревании выше Тпл = 445 C теряет воду:
Твердые гидроксиды и их концентрированные растворы сильно гигроскопичны, они жадно поглощают влагу и используются для осушения газов, не обладающих кислотными свойствами, в частности аммиака. Уже при обычных условиях твердые щелочи легко реагируют с «кислотами» газами – CO2, SO2, NO2, галогенами, галогено- и халькогеноводородами. Поэтому щелочи широко используются для поглощения таких газов и очистки от них кислорода, водорода, азота.
В силу этих причин как твердые щелочи, так и их растворы следует хранить в плотно закрытой посуде.
Наибольшее применение находит NaOH – едкий натр, который в громадных количествах получают в промышленности электролизом раствора хлорида натрия. Он широко применяется при производстве целлюлозы, искусственного шелка, при рафинировании жидких растительных масел и нефти, в мыловаренной промышленности, при синтезе красителей и в других химических производствах.
Растворы щелочных металлов
При обсуждении свойств типичных металлов – галогенов, серы, фосфора – неоднократно упоминалась их способность растворяться в некоторых растворителях, из которых затем они могут быть выведены в неизменном виде. Такими растворителями для неметаллов являются малополярные вещества вроде CS2, CCl4 или бензола. По мере перехода от молекулярных кристаллов к атомным и металлическим способность растворяться без химических реакций постепенно уменьшается, и простые вещества элементов IV и III группы переходят в раствор только в результате химического превращения.
В случае щелочных металлов связи в металлических кристаллах, осуществляемые единственным валентным электроном, настолько слабы, что появляется возможность их разрушения в результате молекулярных, а не химических, в полном смысле этого слова, взаимодействий.
Так, в отсутствие следов железа все щелочные металлы достаточно хорошо растворимы в жидком аммиаке. При этом образуются голубые или синие растворы, из которых металлы могут быть выведены в неизменном виде после испарения аммиака. Подобным же образом натрий и другие металлы могут быть растворены в некоторых органических растворителях – аминах и эфирах. Все эти растворы обладают хорошей электропроводимостью, что говорит о ионной природе растворенных частиц. Различными методами доказано, что во всех случаях имеет место равновесие:
Как катион металла, так и электрон сильно сольватируются молекулами растворителя; например, в аммиаке образуются ионы Na(NH3)4 + , и это приводит к общему выигрышу энергии при растворении.
Очевидно, что сольватированные электроны в заметных количествах не могут существовать в растворах, содержащих протоны, так как непременно должна идти реакция
или, иначе, обмен электроном между атомом металла и протоном:
В водных растворах этот процесс количественно характеризуется стандартным восстановительным потенциалом. Для щелочных металлов Ek практически одинаковы и равны –2,9В. Такие большие отрицательные значения E говорят о том, что ни при каких условиях щелочные металлы не могут существовать с водой и любыми водными растворами, а значит, не могут быть восстановлены из водного раствора.
Действительно, все щелочные металлы энергично, во многих случаях со взрывом, реагируют с водой и растворами кислот. Со щелочными растворами, в которых концентрация протонов мала, реакции идут более спокойно. Натрий, брошенный на поверхность воды, немедленно плавится за счет теплоты реакции, а иногда поджигает выделяющийся водород:
Калий всегда реагирует с водой со вспышкой или со взрывом.
Соли щелочных металлов
Во всех своих соединениях щелочные металлы существуют в виде однозарядных катионов. Это относиться как к бинарным соединениям – галогенидам, халькогенидам, нитридам, карбидам, так и к солям со сложными многоатомными анионами.
Электростатические взаимодействия в ионных кристаллических решетках, содержащих однозарядные катионы, не очень велики, и энергии гидратации ионов оказываются вполне соизмеримы с ними. Поэтому, за редкими исключениями, соли щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Хуже других растворимы фториды, карбонат и фосфат лития и перхлораты калия, рубидия и цезия.
При сильном нагревании солей, особенно при внесении их в пламя горящего водорода или бытового газа, происходит ряд процессов приводящих к появлению характерной окраски пламени.
Соли щелочных металлов находят самое широкое применение как в лабораторной практике, так и в различных областях промышленности и медицины.
Особенно широко используются карбонат и гидрокарбонат натрия, известные под общим названием сода. В технике и в быту различают кристаллическую соду Na2CO310H2O, кальцинированную соду – безводный карбонат Na2CO3 и питьевую соду – NaHCO3. Кроме того, следует упомянуть, что термин каустическая сода или каустик используется в технике для обозначения NaOH.
Основные потребители соды – стекольное, мыловаренное, бумажное, текстильное производство. Сода служит исходным продуктом для получения других солей натрия. Питьевая сода широко применяется в медицине. В лабораторной практике сода используется для нейтрализации кислот при несчастных случаях.
Таблица 1-1. Физико-химические свойства щелочных металлов
Энергия ионизации атомов I1,
Сродство атомов к электрону,
Энтальпия атомизации, кДж/моль
Температура плавления, C
Температура кипения, C
Таблица 1-2. Основные сведения о щелочных металлах
Радиус иона Э + , А
Энергия ионизации, Эв
Содержание в земной
Таблица 1-3. Основные физические константы щелочных металлов
Плотность, г/см 3
Список использованной литературыН. С. Ахметов «Неорганическая химия», Москва изд. Высшая школа 1975г.
В. В. Пасынков «Материалы электронной техники», Москва изд. Высшая школа 1980г.
Ю. В. Ходаков, В. Л. Василевский «Металлы», Москва изд. Просвещение 1966г.
А. В. Суворов, А. Б. Никольский «Общая химия», Санкт-Петербург изд. Химия 1995г.
С. И. Венецкий «Рассказы о металлах», Москва изд. Металлургия 1986г.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Если в шутку, то можно и сказку!
В большом семиэтажном доме, в подъезде щелочных металлов, на втором этаже жил Литий – самый легкий и беззаботный металл. Он, как и все щелочные металлы, очень активно взаимодействовал с Кислородом, неметаллами, Водородом и Водой. Как и все, защищался от Кислорода, но носил не керосиновую, а вазелиновую шубу, так как был очень легким и всплывал в керосине.
Но все же Литий не был во всех отношениях похожим на своих собратьев: он был добр, щедр и прост. Он с охотой отдавал свои электроны и Кислороду, и Азоту, и многим другим элементам. Из-за этих-то особенностей Литий страдал, так как другие щелочные металлы, особенно такие хитрые как Калий и Натрий, не давали ему прохода. Дело было в том, что когда щелочные металлы горели в кислороде, каждые два их атома отдавали одной молекуле Кислорода два своих электрона – каждому атому по одному. Остальные электроны они припрятывали до поры до времени. Литий же был честен – отдавал молекуле Кислорода в два раза больше электронов, чем остальные металлы: на четыре атома Лития – четыре электрона. Да и с Азотом Литий взаимодействовал спокойно, при обычной температуре, не то что другие – при нагревании.
И решили Натрий и Калий допытаться у Лития: почему он так поступает? Нет ли в его поведении каких-либо скрытых выгод?
Спрашивает Натрий: “Почему ты, брат Литий, все свои электроны Кислороду отдаешь? Не лучше ли делать так, как мы? ” Отвечал Литий: “Я всегда рад помочь другим, не то что вы – жадничаете. Я рад, что в моем оксиде Кислород имеет свою обычную степень окисления -2, не то что -1 в ваших странных, ни на что не похожих пероксидах” Сказал так и ушел восвояси. Долго стояли Натрий и Калий в раздумье, но так ничего и не поняли. И сейчас с Кислородом продолжают пероксиды образовывать.
§ 14. Щелочные металлы
Строение и свойства атомов. Щелочные металлы — это элементы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Франций — редкий радиоактивный элемент.
На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат по одному электрону, находящемуся на сравнительно большом удалении от ядра. Они легко отдают этот электрон, поэтому являются очень сильными восстановителями. Во всех своих соединениях щелочные металлы проявляют степень окисления + 1. Восстановительные свойства их усиливаются при переходе от Li к Cs, что связано с увеличением радиусов их атомов. Это наиболее типичные представители металлов: металлические свойства выражены у них особенно ярко.
Щелочные металлы — простые вещества. Серебристо-белые мягкие вещества (режутся ножом), с характерным блеском на свежесрезанной поверхности (рис. 48).
Рис. 48.
Хранение щелочных металлов и их физические свойства
Все они лёгкие и легкоплавкие, причём, как правило, плотность их возрастает от лития к цезию, а температура плавления, наоборот, уменьшается (рис. 49).
Рис. 49.
Плотности и температуры плавления щелочных металлов
Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов М, запишем в общем виде уравнения реакций щелочных металлов с неметаллами — водородом, хлором и серой:
При взаимодействии с кислородом натрий образует не оксид, а пероксид:
И только литий образует оксид при взаимодействии с кислородом:
Рис. 50.
Взаимодействие натрия с водой и собирание водорода методом вытеснения воздуха
Как вы уже знаете, все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой, образуя щёлочи и восстанавливая воду до водорода (рис. 50 и 51):
Рис. 51.
Взаимодействие калия с водой
Скорость взаимодействия щелочного металла с водой будет увеличиваться от лития к цезию (почему?).
Соединения щелочных металлов. В свободном виде в природе щелочные металлы не встречаются из-за своей исключительно высокой химической активности. Некоторые их природные соединения, в частности соли натрия и калия, довольно широко распространены, они содержатся во многих минералах, растениях, природных водах.
Рассмотрим основные соединения щелочных металлов на примере соединений натрия и калия — наиболее важных представителей этой группы элементов.
Оксиды М2O — твёрдые вещества. Имеют ярко выраженные основные свойства: взаимодействуют с водой, кислотами и кислотными оксидами (запишите уравнения соответствующих реакций).
Оксиды натрия Na2O и калия К2O получают, прокаливая пероксиды с соответствующими металлами, например:
Гидроксиды МОН — твёрдые белые вещества. Очень гигроскопичны. Хорошо растворяются в воде с выделением большого количества теплоты. Их относят к щелочам, они проявляют ярко выраженные свойства сильных растворимых оснований: взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, солями, амфотерными оксидами и гидроксидами (запишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионной формах). Гидроксиды щелочных металлов образуются при взаимодействии щелочных металлов или их оксидов с водой (запишите уравнения соответствующих реакций).
Гидроксид натрия NaOH в технике известен под названиями едкий натр, каустическая сода, каустик. Техническое название гидроксида калия КОН — едкое кали.
Оба гидроксида — NaOH и КОН — разъедают ткани и бумагу, поэтому их называют также едкими щелочами.
Едкий натр применяют в больших количествах для очистки нефтепродуктов, в бумажной и текстильной промышленности, для производства мыла и волокон.
Едкое кали дороже и применяется реже. Основная область его применения — производство жидкого мыла.
Соли щелочных металлов — твёрдые кристаллические вещества ионного строения. Почти все соли натрия и калия растворимы в воде. Наиболее важные их соли — карбонаты, сульфаты и хлориды.
Na2CO3 — карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na2CO3 • 10Н2O, известный под названием кристаллическая сода, которую применяют в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.
Вам в быту более известна кислая соль — гидрокарбонат натрия NaHCO3 (пищевая сода), которую применяют в пищевой промышленности, в медицине.
К2СO3 — карбонат калия, техническое название — поташ, используют в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.
Na2SO4 • 10H2O — кристаллогидратат сульфата натрия, техническое название — глауберова соль, применяют для производства соды и стекла и в качестве слабительного средства.
NaCl — хлорид натрия, или поваренная соль, хорошо известен вам из курса 8 класса. Хлорид натрия является важнейшим сырьём в химической промышленности, широко применяется в быту (рис. 52).
Рис. 52.
Применение хлорида натрия:
1—5 — производство химических веществ (соляной кислоты 1, гидроксида натрия 2, хлора 3, натрия 4, соды 5); 6 — для консервирования;
7 — приправа к пище; 8 — производство мыла
Ионы натрия и калия очень важны для живых организмов: Na+ — главный внеклеточный ион, содержится в крови и лимфе, а К+ — основной внутриклеточный ион. Они выполняют разные функции в организме, но предпочитают «работать» вместе. Соотношение концентраций этих ионов регулирует давление крови в живом организме; обеспечивает перемещение растворов солей из корней в листья растений.
Калий поддерживает работу сердечной мышцы, поэтому нехватка калия в организме отрицательно сказывается на здоровье человека. Калий необходим растениям, при его недостатке снижается интенсивность фотосинтеза.
Взрослый человек должен в сутки потреблять с пищей 3,5 г калия. С помощью соединений калия можно устранять отёки. В этом случае нужно увеличить потребление калия до 5 г в сутки.
Больше всего калия содержат курага, соя, фасоль, зелёный горошек, чернослив, изюм и некоторые другие продукты (рис. 53).
Рис. 53.
Калий поступает в организм человека с продуктами питания: 1 — чернослив; 2 — курага; 3 — фасоль; 4 — горох; 5 — соевые бобы
Соли калия широко используют в сельском хозяйстве в качестве калийных удобрений.
Соли натрия, как и сам натрий, окрашивают пламя в жёлтый цвет, а калий и его соли — в розово-фиолетовый. Проведём лабораторный опыт.
Лабораторный опыт № 14
Окрашивание пламени солями щелочных металлов
<< Неорганическая химия Взаимодействие щелочных металлов с водой Описание. Щелочные металлы: литий, натрий, калий – очень активны. На воздухе они реагируют с кислородом и водяными парами, поэтому их хранят под слоем керосина. Литий - самый легкий из всех металлов, он легче керосина. Извлечем кусочек лития из керосина, очистим его. Литий достаточно твердый по сравнению с другими щелочными металлами и с трудом режется ножом. Поместим кусочек лития в чашку Петри, наполненную водой. Литий энергично реагирует с водой с выделением водорода и образованием щелочи - гидроксида лития. При добавлении капли раствора фенолфталеина в чашку Петри появляется малиновая окраска. Натрий - более мягкий металл, легко режется ножом. Срез натрия - серебристо-белый, быстро тускнеет на воздухе. Кусочек натрия помещаем на поверхность воды. Попадая в воду, натрий плавится и начинает быстро двигаться по поверхности воды, подгоняемый пузырьками выделяющегося водорода. Кусочек натрия уменьшается на глазах. В процессе реакции также образуется щелочь - гидроксид натрия. С калием нужно обращаться очень осторожно. На воздухе он может самовозгораться. Кусочек калия поместим в чашку Петри с водой. Калий так энергично реагирует с водой, что выделяющийся в реакции водород загорается. В целях безопасности чашку Петри следует накрыть стеклянной пластинкой. Из трех щелочных металлов наиболее активным является калий.