Щелочны?е мета?ллы
? 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
.
В
Периодической системе
они следуют сразу за
инертными газами
, поэтому особенность строения
атомов
щелочных металлов заключается в том, что они содержат один
электрон
на внешнем энергетическом уровне: их
электронная конфигурация
ns
1
. Очевидно, что
валентные электроны
щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что
атому
энергетически выгодно отдать
электрон
и приобрести конфигурацию
инертного газа
. Поэтому для всех щелочных металлов характерны
восстановительные
свойства
. Это подтверждают низкие значения их
потенциалов ионизации
(
потенциал ионизации
атома цезия ? 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
|
Δ
H
дисс
, кДж·моль
?1
|
Металл. радиус, нм
|
Ионный радиус (КЧ 6), нм
|
t
пл
,
°C
|
t
кип
,
°C
|
Плотность
,
г/см³
|
Δ
H
пл
, кДж·моль
?1
|
Δ
H
кип
, кДж·моль
?1
|
Δ
H
обр
, 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+1
а
|
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+1
а
|
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
|
2
а
|
(223)
|
380
|
(44,0)
|
0,7
|
?
|
?
|
0,180
|
20
|
690
|
1,87
|
2
|
65
|
?
|
|
|
|
а
Радиоактивные изотопы:
40
K,
T
1/2
= 1,277·10
9
лет
;
87
Rb,
T
1/2
= 4,75·10
10
лет
;
223
Fr,
T
1/2
= 21,8 мин
;
224
Fr,
T
1/2
= 3,33 мин
.
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.
-
Литий
-
Натрий
-
Калий
-
Рубидий
-
Цезий
Многие
минералы
содержат в своём составе щелочные металлы. Например,
ортоклаз
, или
полевой шпат
, состоит из алюмосиликата калия K
2
[Al
2
Si
6
O
16
], аналогичный минерал, содержащий натрий ?
альбит
? имеет состав Na
2
[Al
2
Si
6
O
16
]. В морской
воде
содержится
хлорид натрия
NaCl, а в почве ?
соли
калия ?
сильвин
KCl,
сильвинит
NaCl·KCl
,
карналлит
KCl·MgCl
2
·6H
2
O
,
полигалит
K
2
SO
4
·MgSO
4
·CaSO
4
·2H
2
O.
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.
Важное свойство щелочных металлов ? их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без
взрыва
) реагирует с водой литий:
При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.
Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.
- Только литий сгорает на воздухе с образованием
оксида
стехиометрического состава:
- В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном
надпероксиды
:
Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:
Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения
радиуса
катиона
щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион
О
2?
2
и надпероксид-ион
O
?
2
.
Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых
озонидов
состава ЭО
3
. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой увеличивается в ряду от
Li
до
Cs
:
Формула
кислородного соединения
|
Цвет
|
Li
2
O
|
Белый
|
Na
2
O
|
Белый
|
K
2
O
|
Желтоватый
|
Rb
2
O
|
Жёлтый
|
Cs
2
O
|
Оранжевый
|
Na
2
O
2
|
Светло-
жёлтый
|
KO
2
|
Оранжевый
|
RbO
2
|
Тёмно-
коричневый
|
CsO
2
|
Жёлтый
|
Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими
основным оксидам
: они реагируют с водой,
кислотными оксидами
и
кислотами
:
Пероксиды
и
надпероксиды
проявляют свойства сильных
окислителей
:
Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:
Щелочные металлы реагируют со многими
неметаллами
. При нагревании они соединяются с
водородом
с образованием
гидридов
, с
галогенами
,
серой
,
азотом
,
фосфором
,
углеродом
и
кремнием
с образованием, соответственно,
галогенидов
,
сульфидов
,
нитридов
,
фосфидов
,
карбидов
и
силицидов
:
При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя
интерметаллиды
. Активно (со взрывом) щелочные металлы реагируют с
кислотами
.
Щелочные металлы растворяются в жидком
аммиаке
и его производных ?
аминах
и
амидах
:
При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет
электрон
, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием
щёлочи
и аммиака:
Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами
спиртами
(с образованием
алкоголятов
) и
карбоновыми кислотами
(с образованием
солей
):
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
|
Для получения щелочных металлов используют в основном
электролиз
расплавов
их
галогенидов
, чаще всего ?
хлоридов
, образующих природные
минералы
:
- катод
:
- анод
:
Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их
гидроксидов
:
- катод:
- анод:
Щелочной металл может быть восстановлен из соответствующего
хлорида
или
бромида
кальцием
,
магнием
,
кремнием
и др.
восстановителями
при нагревании под вакуумом до 600?900 °C:
Чтобы реакция пошла в нужную сторону, образующийся свободный щелочной металл (M) должен удаляться путём отгонки. Аналогично возможно восстановление
цирконием
из
хромата
.
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.
Для получения
гидроксидов
щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство
гидроксида натрия
электролизом концентрированного водного раствора
поваренной соли
:
- катод
:
- анод
:
Прежде
щёлочь
получали реакцией обмена:
Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена
содой
Na
2
CO
3
.
Гидроксиды щелочных металлов ? белые
гигроскопичные
вещества, водные растворы которых являются сильными
основаниями
. Они участвуют во всех
реакциях
, характерных для оснований ? реагируют с кислотами,
кислотными
и
амфотерными оксидами
,
амфотерными гидроксидами
:
Гидроксиды щелочных металлов при нагревании
возгоняются
без разложения, за исключением
гидроксида лития
, который так же, как гидроксиды металлов
главной подгруппы II группы
, при прокаливании разлагается на
оксид
и
воду
:
Гидроксид натрия
используется для изготовления
мыла
,
синтетических моющих средств
, искусственного волокна, органических соединений, например
фенола
.
Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является
сода Na
2
CO
3
. Основное количество соды во всём мире производят по
методу Сольве
, предложенному ещё в начале XX века. Суть метода состоит в следующем: водный раствор
NaCl
, к которому добавлен аммиак, насыщают
углекислым газом
при температуре 26?30 °C. При этом образуется
малорастворимый
гидрокарбонат
натрия
, называемый
питьевой содой
:
Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO
3
?
, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. После отделения питьевой соды раствор, содержащий
хлорид аммония
, нагревают с
известью
и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:
Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является
хлорид кальция
, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.
При прокаливании гидрокарбоната натрия получается
кальцинированная
, или
стиральная
,
сода Na
2
CO
3
и
диоксид углерода
, используемый в процессе получения
гидрокарбоната натрия
:
Основной потребитель
соды
? стекольная промышленность.
В отличие от малорастворимой
кислой соли
NaHCO
3
,
гидрокарбонат калия KHCO
3
хорошо растворим в воде, поэтому
карбонат калия
, или
поташ
, K
2
CO
3
получают действием углекислого газа на раствор
гидроксида калия
:
Поташ
используют в производстве
стекла
и жидкого мыла.
Литий ? единственный щелочной
металл
, для которого не получен гидрокарбонат. Причина этого явления в очень маленьком радиусе
иона
лития, который не позволяет ему удерживать довольно крупный ион HCO
?
3
.
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.
- Ахметов Н. С.
Общая и неорганическая химия. ?
М.
: Высшая школа, 2001. ?
ISBN 5-06-003363-5
.
- Лидин Р. А.
Справочник по общей и неорганической химии. ?
М.
: КолосС, 2008. ?
ISBN 978-5-9532-0465-1
.
- Некрасов Б. В.
Основы общей химии. ?
М.
: Лань, 2004. ?
ISBN 5-8114-0501-4
.
- Спицын В. И.
,
Мартыненко Л. И.
Неорганическая химия. ?
М.
: МГУ, 1991, 1994.
- Турова Н. Я.
Неорганическая химия в таблицах. Учебное пособие. ?
М.
: ЧеРо, 2002. ?
ISBN 5-88711-168-2
.
- Ерёмина Е. А., Рыжова О. Н.
Глава 14. Щелочные металлы
// Справочник школьника по химии. ?
М.
: Экзамен, 2009. ? С. 224?231. ? 512 с. ?
5000 экз.
?
ISBN 978-5-377-01472-0
.
- Кузьменко Н. Е. , Ерёмин В. В., Попков В. А.
Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. ?
М.
: Экзамен, 1997?2001.
- Лидин Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А.
Справочник по неорганической химии. ?
М.
: Химия, 1987.
- Врублевский А.И. Основы химии
Ссылки на внешние ресурсы
|
---|
| |
---|
В библиографических каталогах
|
---|
|
|
|
---|
|
Литий
Li
Атомный номер: 3
Атомная масса: 6,941
Темп. плавления: 453,85 К
Темп. кипения: 1615 К
Плотность: 0,534 г/см³
Электроотрицательность: 0,98
|
Натрий
Na
Атомный номер: 11
Атомная масса: 22,98976928
Темп. плавления: 371,15 К
Темп. кипения: 1156 К
Плотность: 0,97 г/см³
Электроотрицательность: 0,96
|
Калий
K
Атомный номер: 19
Атомная масса: 39,0983
Темп. плавления: 336,58 К
Темп. кипения: 1032 К
Плотность: 0,86 г/см³
Электроотрицательность: 0,82
|
Рубидий
Rb
Атомный номер: 37
Атомная масса: 85,4678
Темп. плавления: 312,79 К
Темп. кипения: 961 К
Плотность: 1,53 г/см³
Электроотрицательность: 0,82
|
Цезий
Cs
Атомный номер: 55
Атомная масса: 132,9054519
Темп. плавления: 301,59 К
Темп. кипения: 944 К
Плотность: 1,93 г/см³
Электроотрицательность: 0,79
|
Франций
Fr
Атомный номер: 87
Атомная масса: (223)
Темп. плавления: ~300 К
Темп. кипения: ~950 К
Плотность: 1,87 г/см³
Электроотрицательность: 0,7
|
|