Щелочные металлы

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску
Группа → 1
↓ Период
2 Шаблон:Элемент периодической системы
3 Шаблон:Элемент периодической системы
4 Шаблон:Элемент периодической системы
5 Шаблон:Элемент периодической системы
6 Шаблон:Элемент периодической системы
7 Шаблон:Элемент периодической системы

Щелочны́е мета́ллы — элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы I группы)[1]: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Гипотетический 119-й элемент унуненний в случае своего открытия, согласно строению своей внешней электронной оболочки, также будет отнесён к щелочным металлам. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами.

Общая характеристика щелочных металлов

В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1. Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия — самый низкий) и электроотрицательности (ЭО). Как следствие, в большинстве соединений щелочные металлы присутствуют в виде однозарядных катионов. Однако существуют и соединения, где щелочные металлы представлены анионами (см. Алкалиды).

Некоторые атомные и физические свойства щелочных металлов

Атомный
номер
Название,
символ
Число природных изотопов Атомная масса Энергия ионизации, кДж·моль−1 Сродство к электрону, кДж·моль−1 ЭО Шаблон:Math, кДж·моль−1 Металл. радиус, нм Ионный радиус (КЧ 6), нм Шаблон:Math,
°C
Шаблон:Math,
°C
Плотность,
г/см³
Шаблон:Math, кДж·моль−1 Шаблон:Math, кДж·моль−1 Шаблон:Math, кДж·моль−1
3 Литий Li 2 6,941(2) 520,2 59,8 0,98 106,5 0,152 0,076 180,6 1342 0,534 2,93 148 162
11 Натрий Na 1 22,989768(6) 495,8 52,9 0,93 73,6 0,186 0,102 97,8 883 0,968 2,64 99 108
19 Калий К 2+1а 39,0983(1) 418,8 46,36 0,82 57,3 0,227 0,138 63,07 759 0,856 2,39 79 89,6
37 Рубидий Rb 1+1а 85,4687(3) 403,0 46,88 0,82 45,6 0,248 0,152 39,5 688 1,532 2,20 76 82
55 Цезий Cs 1 132,90543(5) 375,7 45,5 0,79 44,77 0,265 0,167 28,4 671 1,90 2,09 67 78,2
87 Франций Fr 2а (223) 380 (44,0) 0,7 0,180 20 690 1,87 2 65

а Радиоактивные изотопы: 40K, Шаблон:Nobr; 87Rb, Шаблон:Nobr; 223Fr, Шаблон:Nobr; 224Fr, Шаблон:Nobr.

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Многие минералы содержат в своём составе щелочные металлы. Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмосиликата калия K2[Al2Si6O16], аналогичный минерал, содержащий натрий — альбит — имеет состав Na2[Al2Si6O16]. В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве — соли калия — сильвин KCl, сильвинит Шаблон:Nobr, карналлит Шаблон:Nobr, полигалит K2SO4·MgSO4·CaSO4·2H2O.

Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, и иногда даже и азоту (Li) их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

Взаимодействие с водой

Важное свойство щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий:

𝟤 𝖫𝗂+𝟤 𝖧𝟤𝖮𝟤 𝖫𝗂𝖮𝖧+ 𝖧𝟤

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

Взаимодействие с кислородом

Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

  • Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава:
𝟦 𝖫𝗂+ 𝖮𝟤𝟤 𝖫𝗂𝟤𝖮
𝟤 𝖭𝖺+ 𝖮𝟤 𝖭𝖺𝟤𝖮𝟤
  • В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:
𝖪+ 𝖮𝟤 𝖪𝖮𝟤
𝖱𝖻+ 𝖮𝟤 𝖱𝖻𝖮𝟤
𝖢𝗌+ 𝖮𝟤 𝖢𝗌𝖮𝟤

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

𝟤 𝖭𝖺+𝟤 𝖭𝖺𝖮𝖧𝟤 𝖭𝖺𝟤𝖮+ 𝖧𝟤
𝟤 𝖭𝖺+ 𝖭𝖺𝟤𝖮𝟤𝟤 𝖭𝖺𝟤𝖮
𝟥 𝖪+ 𝖪𝖮𝟤𝟤 𝖪𝟤𝖮

Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион Шаблон:Nobr и надпероксид-ион Шаблон:Nobr.

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой увеличивается в ряду от Li до Cs:

Формула
кислородного соединения
Цвет
Li2O Белый
Na2O Белый
K2O Желтоватый
Rb2O Жёлтый
Cs2O Оранжевый
Na2O2 Светло-
жёлтый
KO2 Оранжевый
RbO2 Тёмно-
коричневый
CsO2 Жёлтый

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

𝖫𝗂𝟤𝖮+ 𝖧𝟤𝖮𝟤 𝖫𝗂𝖮𝖧
𝖪𝟤𝖮+ 𝖲𝖮𝟥 𝖪𝟤𝖲𝖮𝟦
𝖭𝖺𝟤𝖮+𝟤 𝖧𝖭𝖮𝟥𝟤 𝖭𝖺𝖭𝖮𝟥+ 𝖧𝟤𝖮

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

𝖭𝖺𝟤𝖮𝟤+𝟤 𝖭𝖺𝖨+𝟤 𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦 𝖨𝟤+𝟤 𝖭𝖺𝟤𝖲𝖮𝟦+𝟤 𝖧𝟤𝖮

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

𝖭𝖺𝟤𝖮𝟤+𝟤 𝖧𝟤𝖮𝟤 𝖭𝖺𝖮𝖧+ 𝖧𝟤𝖮𝟤
𝟤 𝖪𝖮𝟤+𝟤 𝖧𝟤𝖮𝟤 𝖪𝖮𝖧+ 𝖧𝟤𝖮𝟤+ 𝖮𝟤

Взаимодействие с другими веществами

Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов:

𝟤 𝖭𝖺+ 𝖧𝟤𝟤 𝖭𝖺𝖧
𝟤 𝖭𝖺+ 𝖢𝗅𝟤𝟤 𝖭𝖺𝖢𝗅
𝟤 𝖪+ 𝖲 𝖪𝟤𝖲
𝟨 𝖫𝗂+ 𝖭𝟤𝟤 𝖫𝗂𝟥𝖭
𝟤 𝖫𝗂+𝟤 𝖢 𝖫𝗂𝟤𝖢𝟤

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) щелочные металлы реагируют с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных — аминах и амидах:

𝟤 𝖭𝖺+𝟤 𝖭𝖧𝟥𝟤 𝖭𝖺𝖭𝖧𝟤+ 𝖧𝟤

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

𝖪𝖭𝖧𝟤+ 𝖧𝟤𝖮 𝖪𝖮𝖧+ 𝖭𝖧𝟥

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

𝟤 𝖭𝖺+𝟤 𝖢𝖧𝟥𝖢𝖧𝟤𝖮𝖧𝟤 𝖢𝖧𝟥𝖢𝖧𝟤𝖮𝖭𝖺+ 𝖧𝟤
𝟤 𝖭𝖺+𝟤 𝖢𝖧𝟥𝖢𝖮𝖮𝖧𝟤 𝖢𝖧𝟥𝖢𝖮𝖮𝖭𝖺+ 𝖧𝟤

Качественное определение щелочных металлов

Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

Окраска пламени щелочными металлами
и их соединениями

Щелочной металл Цвет пламени
Li Карминно-красный
Na Жёлтый
K Фиолетовый
Rb Буро-красный
Cs Фиолетово-красный

Получение щелочных металлов

Электролиз расплавов галогенидов

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

𝟤 𝖫𝗂𝖢𝗅𝟤 𝖫𝗂+ 𝖢𝗅𝟤
катод: 𝖫𝗂++e𝖫𝗂
анод: 𝟤𝖢𝗅2e𝖢𝗅𝟤

Электролиз расплавов гидроксидов

Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

𝟦 𝖭𝖺𝖮𝖧𝟦 𝖭𝖺+𝟤 𝖧𝟤𝖮+ 𝖮𝟤
катод: 𝖭𝖺++e𝖭𝖺
анод: 𝟦𝖮𝖧4e𝟤𝖧𝟤𝖮+𝖮𝟤

Восстановление из галогенидов

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

𝟤 𝖬𝖢𝗅+ 𝖢𝖺𝟤 𝖬+ 𝖢𝖺𝖢𝗅𝟤

Чтобы реакция пошла в нужную сторону, образующийся свободный щелочной металл (M) должен удаляться путём отгонки. Аналогично возможно восстановление цирконием из хромата.

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

Соединения щелочных металлов

Гидроксиды

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

𝟤 𝖭𝖺𝖢𝗅+𝟤 𝖧𝟤𝖮 𝖧𝟤+ 𝖢𝗅𝟤+𝟤 𝖭𝖺𝖮𝖧
катод: 2 𝖧++2 e 𝖧𝟤
анод: 2 𝖢𝗅2 e 𝖢𝗅𝟤

Прежде щёлочь получали реакцией обмена:

𝖭𝖺𝟤𝖢𝖮𝟥+ 𝖢𝖺(𝖮𝖧)𝟤 𝖢𝖺𝖢𝖮𝟥+𝟤 𝖭𝖺𝖮𝖧

Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена содой Na2CO3.

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

𝟤 𝖫𝗂𝖮𝖧+ 𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦 𝖫𝗂𝟤𝖲𝖮𝟦+𝟤 𝖧𝟤𝖮
𝟤 𝖪𝖮𝖧+ 𝖢𝖮𝟤 𝖪𝟤𝖢𝖮𝟥+ 𝖧𝟤𝖮
𝖪𝖮𝖧+ 𝖠𝗅(𝖮𝖧)𝟥 𝖪[𝖠𝗅(𝖮𝖧)𝟦]

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

𝟤 𝖫𝗂𝖮𝖧 𝖫𝗂𝟤𝖮+ 𝖧𝟤𝖮

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

Соли

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2CO3. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века. Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26—30 °C. При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой:

𝖭𝖺𝖢𝗅+ 𝖭𝖧𝟥+ 𝖢𝖮𝟤+ 𝖧𝟤𝖮 𝖭𝖺𝖧𝖢𝖮𝟥+ 𝖭𝖧𝟦𝖢𝗅

Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO3, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:

𝟤 𝖭𝖧𝟦𝖢𝗅+ 𝖢𝖺(𝖮𝖧)𝟤𝟤 𝖭𝖧𝟥+ 𝖢𝖺𝖢𝗅𝟤+𝟤 𝖧𝟤𝖮

Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

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

𝟤 𝖭𝖺𝖧𝖢𝖮𝟥 𝖭𝖺𝟤𝖢𝖮𝟥+ 𝖢𝖮𝟤+ 𝖧𝟤𝖮

Основной потребитель соды — стекольная промышленность.

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

𝟤 𝖪𝖮𝖧+ 𝖢𝖮𝟤 𝖪𝟤𝖢𝖮𝟥+ 𝖧𝟤𝖮

Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

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

Безопасность

Все щелочные металлы проявляют высокую активность при взаимодействии с водой, кислородом, галогенами и другими соединениями. Особенно опасны взаимодействия с водой, так как продуктами реакций являются едкие щёлочи, а также происходит огромное выделение энергии, сопровождаемое огненной вспышкой (в случае с калием) или взрывом (в случае с рубидием или цезием). Поэтому необходимо соблюдать правила безопасности при работе с ними. Работа должна проводиться исключительно в перчатках из латекса, также необходимо надевать защитные очки. В экспериментах используют только небольшие количества, манипуляции с которыми производят при помощи щипцов; в случае непрореагировавших остатков щелочных металлов (например, натрия или калия), применяют утилизацию в обезвоженном спирте. Рубидий и цезий ввиду чрезвычайно высокой химической активности (взрывоопасные) практически не применяют в опытах. Хранят щелочные металлы под слоем керосина в герметически закрытых сосудах. Нельзя тушить щелочные металлы водой, поскольку реакция сопровождается взрывом. Остатки щелочных металлов ликвидируют этиловым спиртом.

Литература

Примечания

Шаблон:Примечания

См. также

Шаблон:Навигация

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Щелочные металлы Шаблон:Периодическая система элементов Шаблон:Группы химических элементов