Чем взаимодействуют щелочные металлы. Щелочные металлы - химические и биогенные элементы

Из всей периодической системы большая часть элементов представляет группу металлов. амфотерные, переходные, радиоактивные - их очень много. Все металлы играют огромную роль не только в природе и биологической жизни человека, но и в различных отраслях промышленности. Не зря ведь XX век был назван "железным".

Металлы: общая характеристика

Все металлы объединяются общими химическими и физическими свойствами, по которым их легко отличить от неметаллических веществ. Так, например, строение кристаллической решетки позволяет им быть:

• проводниками электрического тока;
• хорошими теплопроводниками;
• ковкими и пластичными;
• прочными и блестящими.

Конечно, среди них есть и различия. Одни металлы блестят серебристым цветом, другие - более матовым белым, третьи - вообще красным и желтым. Также отличия есть и в показателях тепло- и электропроводности. Однако все равно эти параметры - общие для всех металлов, в то время как у неметаллов больше различий, нежели схожести.

По химической природе все металлы - восстановители. В зависимости от условий реакции и конкретных веществ могут выступать и в роли окислителей, однако редко. Способны образовывать многочисленные вещества. Химические соединения металлов встречаются в природе в огромном количестве в составе руды или полезных ископаемых, минералов и прочих пород. Степень всегда положительная, может быть постоянной (алюминий, натрий, кальций) или переменной (хром, железо, медь, марганец).

Многие из них получили широкое распространение в качестве строительных материалов, используются в самых разных отраслях науки и техники.

Химические соединения металлов

Среди таковых следует назвать несколько основных классов веществ, которые являются продуктами взаимодействия металлов с другими элементами и веществами.

1. Оксиды, гидриды, нитриды, силициды, фосфиды, озониды, карбиды, сульфиды и прочие - бинарные соединения с неметаллами, чаще всего относятся к классу солей (кроме оксидов).
2. Гидроксиды - общая формула Ме +х (ОН) х.
3. Соли. Соединения металлов с кислотными остатками. Могут быть разными:

• средние;
• кислые;
• двойные;
• основные;
• комплексные.

4. Соединения металлов с органическими веществами - металлорганические структуры.

5. Соединения металлов друг с другом - сплавы, которые получаются разными способами.

Варианты соединения металлов

Вещества, в которых одновременно могут находиться два разных металла и более, подразделяются на:

• сплавы;
• двойные соли;
• комплексные соединения;
• интерметаллиды.

Способы соединения металлов между собой также варьируются. Например, для получения сплавов используют метод расплавления, смешения и затвердевания полученного продукта.

Интерметаллиды образуются в результате прямых химических реакций между металлами, нередко происходящих со взрывом (например, цинк и никель). Для таких процессов нужны особые условия: температура очень высокая, давление, вакуумность, отсутствие кислорода и прочие.

Сода, соль, каустик - все это соединения щелочных металлов в природе. Они существуют в чистом виде, формируя залежи, либо входят в состав продуктов сгорания тех или иных веществ. Иногда их получают лабораторным способом. Но всегда эти вещества важны и ценны, так как окружают человека и формируют его быт.

Соединения щелочных металлов и их применение не ограничиваются только натрием. Также распространены и популярны в отраслях хозяйства такие соли, как:

• хлорид калия;
• (нитрат калия);
• карбонат калия;
• сульфат.

Все они являются ценными минеральными удобрениями, используемыми в сельском хозяйстве.

Щелочноземельные металлы - соединения и их применение

К данной категории относятся элементы второй группы главной подгруппы системы химических элементов. Их постоянная степень окисления +2. Это активные восстановители, легко вступающие в химические реакции с большинством соединений и простых веществ. Проявляют все типичные свойства металлов: блеск, ковкость, тепло и электропроводность.

Самыми важными и распространенными из них являются магний и кальций. Бериллий проявляет амфотерность, барий и радий относятся к редким элементам. Все они способны формировать следующие типы соединений:

• интерметаллические;
• оксиды;
• гидриды;
• бинарные соли (соединения с неметаллами);
• гидроксиды;
• соли (двойные, комплексные, кислые, основные, средние).

Рассмотрим самые важные соединения с практической точки зрения и их области применения.

Соли магния и кальция

Такие соединения щелочноземельных металлов, как соли, имеют важное значение для живых организмов. Ведь именно соли кальция являются источником этого элемента в организме. А без него невозможно нормальное формирование скелета, зубов, рогов у животных, копыт, волос и шерстного покрова и так далее.

Так, самой распространенной солью щелочноземельного металла кальция является карбонат. Его другие названия:

• мрамор;
• известняк;
• доломит.

Используется не только как поставщик ионов кальция в живой организм, но и как стройматериал, сырье для химических производств, в косметической промышленности, стекольной и так далее.

Такие соединения щелочноземельных металлов, как сульфаты, тоже имеют важное значение. Например, сульфат бария (медицинское название "баритовая каша") используется в рентгенодиагностике. Сульфат кальция в виде кристаллогидрата - это гипс, который содержится в природе. Он используется в медицине, строительстве, штамповке слепков.

Фосфоры из щелочноземельных металлов

Эти вещества известны еще со Средних веков. Раньше их называли люминофорами. Это название встречается и сейчас. По своей природе данные соединения - это сульфиды магния, стронция, бария, кальция.

При определенной обработке они способны проявлять фосфоресцирующие свойства, причем свечение очень красивое, от красного до ярко-фиолетового. Это применяется при изготовлении дорожных знаков, спецодежды и прочих вещей.

Комплексные соединения

Вещества, которые включают в себя два и более разных элементов металлической природы, - комплексные соединения металлов. Чаще всего они представляют собой жидкости, обладающие красивыми и разноцветными окрасками. Используются в аналитической химии для качественного определения ионов.

Такие вещества способны образовывать не только щелочные и щелочноземельные металлы, но и все остальные. Бывают гидроксокомплексы, аквакомплексы и другие.

Щелочные металлы — группа неорганических веществ, простых элементов таблицы Менделеева. Все они обладают похожим атомным строением и соответственно, похожими свойствами. В группу входят калий, натрий, литий, цезий, рубидий, франций и теоретически описанный, но еще не синтезированный элемент унуне́нний. Первые пять веществ существуют в природе, франций — искусственно созданный, радиоактивный элемент. Свое название щелочные металлы получили из-за способности образовывать щелочи в реакции с водой.

Вся элементы группы химически активны, поэтому на Земле встречаются только в составе различных минералов, например, каменной, калийной, поваренной соли, буры, полевого шпата, морской воды, подземных рассолов, чилийской селитры . Франций часто сопутствует урановым рудам; рубидий и цезий — минералам с натрием и калием.

Свойства

Все представители группы — мягкие металлы, их можно резать ножом, сгибать руками. Внешне — блестящие, белого цвета (кроме цезия). Цезий отливает золотистым блеском. Легкие: натрий и калий легче воды, литий всплывает даже в керосине. Классические металлы с хорошей электро- и теплопроводностью. Горят, придают пламени характерный цвет, являющийся одним из аналитических способов определить тип металла. Легкоплавкие, самым «тугоплавким» является литий (+180,5 °С). Цезий тает прямо в руках при температуре +28,4 °С.

Активность в группе увеличивается по мере роста атомной массы: Li →Cs. Обладают восстановительными свойствами, в том числе в реакции с водородом. Проявляют валентность -1. Бурно реагируют с водой (все кроме лития — со взрывом); с кислотами, кислородом. Взаимодействуют с неметаллами, спиртами, водным аммиаком и его производными, карбоновыми кислотами, многими металлами.

Калий и натрий являются биогенными элементами, участвуют в водно-солевом и кислотно-щелочном балансе человеческого организма, необходимы для нормальной циркуляции крови и функционирования многих энзимов. Калий важен для растений.

В нашем организме есть и рубидий. Его нашли в крови, костях, головном мозге, легких. Он оказывает противовоспалительное, противоаллергическое действие, притормаживает реакции нервной системы, усиливает иммунитет, положительно влияет на состав крови.

Меры предосторожности

Щелочные металлы очень опасны, способны воспламеняться и взрываться просто от контакта с водой или воздухом. Многие реакции протекают бурно, поэтому работать с ними допускается только после тщательного инструктажа, с применением всех мер предосторожностей, в защитной маске и защитных очках.

Растворы калия, натрия и лития в воде являются сильными щелочами (гидроксиды калия , натрия, лития); контакт с кожей приводит к глубоким болезненным ожогам. Попадание щелочей, даже низкой концентрации, в глаза может привести к слепоте. Реакции с кислотами, аммиаком, спиртами проходят с выделением пожаро- и взрывоопасного водорода.

Щелочные металлы хранят под слоем керосина или вазелина в герметичных емкостях. Манипуляции с чистыми реактивами проводят в аргоновой атмосфере.

Следует тщательно следить за утилизацией остатков после опытов со щелочными металлами. Все остатки металлов предварительно должны быть нейтрализованы.

Применение

Щелочные металлы легко реагируют с неметаллами:

2K + I 2 = 2KI

2Na + H 2 = 2NaH

6Li + N 2 = 2Li 3 N (реакция идет уже при комнатной температуре)

2Na + S = Na 2 S

2Na + 2C = Na 2 C 2

В реакциях с кислородом каждый щелочной металл проявляет свою индивидуальность: при горении на воздухе литий образует оксид, натрий – пероксид, калий – надпероксид.

4Li + O 2 = 2Li 2 O

2Na + O 2 = Na 2 O 2

K + O 2 = KO 2

Получение оксида натрия:

10Na + 2NaNO 3 = 6Na 2 O + N 2

2Na + Na 2 O 2 = 2Na 2 O

2Na + 2NaOН = 2Na 2 O + Н 2

Взаимодействие с водой приводит к образованию щелочи и водорода.

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

Взаимодействие с кислотами:

2Na + 2HCl = 2NaCl + H 2

8Na + 5H 2 SO 4(конц.) = 4Na 2 SO 4 + H 2 S + 4H 2 O

2Li + 3H 2 SO 4(конц.) = 2LiHSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

8Na + 10HNO 3 = 8NaNO 3 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

При взаимодействии с аммиаком образуются амиды и водород:

2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2

Взаимодействие с органическими соединениями:

Н ─ C ≡ С ─ Н + 2Na → Na ─ C≡C ─ Na + H 2

2CH 3 Cl + 2Na → C 2 H 6 + 2NaCl

2C 6 H 5 OH + 2Na → 2C 6 H 5 ONa + H 2

2СН 3 ОН + 2Na → 2 CH 3 ONa + H 2

2СH 3 COOH + 2Na → 2CH 3 COOONa + H 2

Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами. Ион Li + окрашивает пламя в кармино-красный цвет, ион Na + – в желтый, К + – в фиолетовый

Соединения щелочных металлов

Оксиды.

Оксиды щелочных металлов типичные основные оксиды. Вступают в реакции с кислотными и амфотерными оксидами, кислотами, водой.

3Na 2 O + P 2 O 5 = 2Na 3 PO 4

Na 2 O + Al 2 O 3 = 2NaAlO 2

Na 2 O + 2HCl = 2NaCl + H 2 O

Na 2 O + 2H + = 2Na + + H 2 O

Na 2 O + H 2 O = 2NaOH

Пероксиды .

2Na 2 O 2 + CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2

Na 2 O 2 + CO = Na 2 CO 3

Na 2 O 2 + SO 2 = Na 2 SO 4

2Na 2 O + O 2 = 2Na 2 O 2

Na 2 O + NO + NO 2 = 2NaNO 2

2Na 2 O 2 = 2Na 2 O + O 2

Na 2 O 2 + 2H 2 O (хол.) = 2NaOH + H 2 O 2

2Na 2 O 2 + 2H 2 O (гор.) = 4NaOH + O 2

Na 2 O 2 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O 2

2Na 2 O 2 + 2H 2 SO 4 (разб. гор.) = 2Na 2 SO 4 + 2H 2 O + O 2

2Na 2 O 2 + S = Na 2 SO 3 + Na 2 O

5Na 2 O 2 + 8H 2 SO 4 + 2KMnO 4 = 5O 2 + 2MnSO 4 + 8H 2 O + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4

Na 2 O 2 + 2H 2 SO 4 + 2NaI = I 2 + 2Na 2 SO 4 + 2H 2 O

Na 2 O 2 + 2H 2 SO 4 + 2FeSO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + Na 2 SO 4 + 2H 2 O

3Na 2 O 2 + 2Na 3 = 2Na 2 CrO 4 + 8NaOH + 2H 2 O

Основания (щелочи).

2NaOH (избыток) + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 (избыток) = NaHCO 3

SO 2 + 2NaOH (избыток) = Na 2 SO 3 + H 2 O

SiO 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O

2NaOH + Al 2 O 3 2NaAlO 2 + H 2 O

2NaOH + Al 2 O 3 + 3H 2 O = 2Na

NaOH + Al(OH) 3 = Na

2NaOH + 2Al + 6Н 2 О = 2Na + 3Н 2

2KOH + 2NO 2 + O 2 = 2KNO 3 + H 2 O

KOH + KHCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O

2NaOH + Si + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2

3KOH + P 4 + 3H 2 O = 3KH 2 PO 2 + PH 3

2KOH (холодный) + Cl 2 = KClO + KCl + H 2 O

6KOH (горячий) + 3Cl 2 = KClO 3 + 5KCl + 3H 2 O

6NaOH + 3S = 2Na 2 S + Na 2 SO 3 + 3H 2 O

2NaNO 3 2NaNO 2 + O 2

NaHCO 3 + HNO 3 = NaNO 3 + CO 2 + H 2 O

NaI → Na + + I –

на катоде: 2Н 2 О + 2e → H 2 + 2OH – 1

на аноде: 2I – – 2e → I 2 1

2Н 2 О + 2I – H 2 + 2OH – + I 2

2H 2 O + 2NaI H 2 + 2NaOH + I 2

2NaCl 2Na + Cl 2

на катоде на аноде

2Na 2 HPO 4 Na 4 P 2 O 7 + H 2 O

KNO 3 + 4Mg + 6H 2 O = NH 3 + 4Mg(OH) 2 + KOH

4KClO 3 KCl + 3KClO 4

2KClO 3 2KCl + 3O 2

KClO 3 + 6HCl = KCl + 3Cl 2 + 3H 2 O

Na 2 SO 3 + S = Na 2 S 2 O 3

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + S↓ + SO 2 + H 2 O

2NaI + Br 2 = 2NaBr + I 2

2NaBr + Cl 2 = 2NaCl + Br 2

I A группа.

1. Над поверхностью налитого в колбу раствора едкого натра пропускали электрические разряды, при этом воздух в колбе окрашивался в бурый цвет, который исчезает через некоторое время. Полученный раствор осторожно выпарили и установили, что твердый остаток представляет собой смесь двух солей. При нагревании этой смеси выделяется газ и остается единственное вещество. Напишите уравнения описанных реакций.

2. Вещество, выделяющееся на катоде при электролизе расплава хлорида натрия, сожгли в кислороде. Полученный продукт поместили в газометр, наполненный углекислым газом. Образовавшееся вещество добавили в раствор хлорида аммония и раствор нагрели. Напишите уравнения описанных реакций.

3) Азотную кислоту нейтрализовали пищевой содой, нейтральный раствор осторожно выпарили и остаток прокалили. Образовавшееся вещество внесли в подкисленный серной кислотой раствор перманганата калия, при этом раствор обесцветился. Азотсодержащий продукт реакции поместили в раствор едкого натра и добавили цинковую пыль, при этом выделился газ с резким запахом. Напишите уравнения описанных реакций.

4) Вещество, полученное на аноде при электролизе раствора иодида натрия с инертными электродами, внесли в реакцию с калием. Продукт реакции нагрели с концентрированной серной кислотой, и выделившийся газ пропустили через горячий раствор хромата калия. Напишите уравнения описанных реакций

5) Вещество, полученное на катоде при электролизе расплава хлорида натрия, сожгли в кислороде. Поученный продукт последовательно обработали сернистым газом и раствором гидроксида бария. Напишите уравнения описанных реакций

6) Белый фосфор растворяется в растворе едкого кали с выделением газа с чесночным запахом, который самовоспламеняется на воздухе. Твердый продукт реакции горения прореагировал с едким натром в таком соотношении, что в образовавшемся веществе белого цвета содержится один атом водорода; при прокаливании последнего вещества образуется пирофосфат натрия. Напишите уравнения описанных реакций

7) Неизвестный металл сожгли в кислороде. Продукт реакции, взаимодействует с углекислым газом, образует два вещества: твердое, которое взаимодействует с раствором соляной кислоты с выделением углекислого газа, и газообразное простое вещество, поддерживающее горение. Напишите уравнения описанных реакций.

8) Через избыток раствора едкого кали пропустили бурый газ в присутствии большого избытка воздуха. В образовавшийся раствор добавили магниевую стружку и нагрели, выделившимся газом нейтрализовали азотную кислоту. Полученный раствор осторожно выпарили, твердый продукт реакции прокалили. Напишите уравнения описанных реакций.

9) При термическом разложении соли А в присутствии диоксида марганца образовались бинарная соль Б и газ, поддерживающий горение и входящий в состав воздуха; при нагревании этой соли без катализатора образуются соль Б и соль высшей кислородсодержащей кислоты. При взаимодействии соли А с соляной кислотой выделяется желто-зеленый газ (простое вещество) и образуется соль Б. Соль Б окрашивает пламя в фиолетовый цвет, при ее взаимодействии с раствором нитрата серебра выпадает осадок белого цвета. Напишите уравнения описанных реакций.

10) К нагретой концентрированной серной кислотой добавили медную стружку и выделившийся газ пропустили через раствор едкого натра (избыток). Продукт реакции выделили, растворили в воде и нагрели с серой, которая в результате проведения реакции растворилась. В полученный раствор добавили разбавленную серную кислоту. Напишите уравнения описанных реакций.

11) Поваренную соль обработали концентрированной серной кислотой. Полученную соль обработали гидроксидом натрия. Полученный продукт прокалили с избытком угля. Выделившийся при этом газ прореагировал в присутствии катализатора с хлором. Напишите уравнения описанных реакций.

12) Натрий прореагировал с водородом. Продукт реакции растворили в воде, при этом образовался газ, реагирующий с хлором, а полученный раствор при нагревании прореагировал с хлором с образованием смеси двух солей. Напишите уравнения описанных реакций.

13) Натрий сожгли в избытке кислорода, полученное кристаллическое вещество поместили в стеклянную трубку и пропустили через неё углекислый газ. Газ, выходящий из трубки, собрали и сожгли в его атмосфере фосфор. Полученное вещество нейтрализовали избытком раствора гидроксида натрия. Напишите уравнения описанных реакций.

14) К раствору, полученному в результате взаимодействия пероксида натрия с водой при нагревании, добавили раствор соляной кислоты до окончания реакции. Раствор образовавшейся соли подвергли электролизу с инертными электродами. Газ, образовавшийся в результате электролиза на аноде, пропустили через суспензию гидроксида кальция. Напишите уравнения описанных реакций.

15) Через раствор гидроксида натрия пропустили сернистый газ до образования средней соли. К полученному раствору прилили водный раствор перманганата калия. Образовавшийся осадок отделили и подействовали на него соляной кислотой. Выделившийся газ пропустили через холодный раствор гидроксида калия. Напишите уравнения описанных реакций.

16) Смесь оксида кремния (IV) и металлического магния прокалили. Полученное в результате реакции простое вещество обработали концентрированным раствором гидроксида натрия. Выделившийся газ пропустили над нагретым натрием. Образовавшееся вещество поместили в воду. Напишите уравнения описанных реакций.

17) Продукт взаимодействия лития с азотом обработали водой. Полученный газ пропустили через раствор серной кислоты до прекращения химических реакций. Полученный раствор обработали раствором хлорида бария. Раствор профильтровали, а фильтрат смешали с раствором нитрата натрия и нагрели. Напишите уравнения описанных реакций.

18) Натрий нагрели в атмосфере водорода. При добавлении к полученному веществу воды наблюдали выделение газа и образование прозрачного раствора. Через этот раствор пропустили бурый газ, который был получен в результате взаимодействия меди с концентрированным раствором азотной кислоты. Напишите уравнения описанных реакций.

19) Гидрокарбонат натрия прокалили. Полученную соль растворили в воде и смешали с раствором алюминия, в результате образовался осадок и выделился бесцветный газ. Осадок обработали избытком раствора азотной кислоты, а газ пропустили через раствор силиката калия. Напишите уравнения описанных реакций.

20) Натрий сплавили с серой. Образовавшееся соединение обработали соляной кислотой, выделившийся газ нацело прореагировал с оксидом серы (IV). Образовавшееся вещество обработали концентрированной азотной кислотой. Напишите уравнения описанных реакций.

21) Натрий сожгли в избытке кислорода. Образовавшееся вещество обработали водой. Полученную смесь прокипятили, после чего в горячий раствор добавили хлор. Напишите уравнения описанных реакций.

22) Калий нагрели в атмосфере азота. Полученное вещество обработали избытком соляной кислоты, после чего к образовавшейся смеси солей добавили суспензию гидроксида кальция и нагрели. Полученный газ пропустили рад раскаленным оксидом меди (II).Напишите уравнения описанных реакций.

23) Калий сожгли в атмосфере хлора, образовавшуюся соль обработали избытком водного раствора нитрата серебра. Выпавший осадок отфильтровали, фильтрат выпарили т осторожно нагрели. Образовавшуюся соль обработали водным раствором брома. Напишите уравнения описанных реакций.

24) Литий прореагировал с водородом. Продукт реакции растворили в воде, при этом образовался газ, реагирующий с бромом, а полученный раствор при нагревании прореагировал с хлором с образованием смеси двух солей. Напишите уравнения описанных реакций.

25) Натрий сожгли на воздухе. Образовавшееся при этом твердое вещество поглощает углекислый газ с выделением кислорода и соли. Последнюю соль растворили в соляной кислоте, а к полученному при этом раствору добавили раствор нитрата серебра. При этом выпал белый осадок. Напишите уравнения описанных реакций.

26) Кислород подвергли воздействию электроразряда в озонаторе. Полученный газ пропустили через водный раствор йодида калия, при этом выделился новый газ без цвета и запаха, поддерживающий горение и дыхание. В атмосфере последнего газа сожгли натрий, а полученное при этом твердое вещество прореагировало с углекислым газом. Напишите уравнения описанных реакций.

I A группа.

1. N 2 + O 2 2NO

2NO + O 2 = 2NO 2

2NO 2 + 2NaOH = NaNO 3 + NaNO 2 + H 2 O

2NaNO 3 2NaNO 2 + O 2

2. 2NaCl 2Na + Cl 2

на катоде на аноде

2Na + O 2 = Na 2 O 2

2Na 2 O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2

Na 2 CO 3 + 2NH 4 Cl = 2NaCl + CO 2 + 2NH 3 + Н 2 О

3. NaHCO 3 + HNO 3 = NaNO 3 + CO 2 + H 2 O

2NaNO 3 2NaNO 2 + O 2

5NaNO 2 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5NaNO 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

NaNO 3 + 4Zn + 7NaOH + 6H 2 O = 4Na 2 + NH 3

4. 2H 2 O + 2NaI H 2 + 2NaOH + I 2

2K + I 2 = 2KI

8KI + 5H 2 SO 4(конц.) = 4K 2 SO 4 + H 2 S + 4I 2 + 4H 2 O

3H 2 S + 2K 2 CrO 4 + 2H 2 O = 2Cr(OH) 3 ↓ + 3S↓ + 4KOH

5. 2NaCl 2Na + Cl 2

на катоде на аноде

2Na + O 2 = Na 2 O 2

Na 2 O 2 + SO 2 = Na 2 SO 4

Na 2 SO 4 + Ba(OH) 2 = BaSO 4 ↓ + 2NaOH

6. P 4 + 3KOH + 3H 2 O = 3KH 2 PO 2 + PH 3

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

P 2 O 5 + 4NaOH = 2Na 2 HPO 4 + H 2 O

Это элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо-белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с водой, образуя щёлочи (откуда название).

Все щелочные металлы чрезвычайно активны, во всех химических реакциях проявляют восстановительные свойства, отдают свой единственный валентный электрон, превращаясь в положительно заряженный катион, проявляют единственную степень окисления +1.

Восстановительная способность увеличивается в ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.

Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.

Практически все соли растворимы в воде.

Низкие температуры плавления,

Малые значения плотностей,

Мягкие, режутся ножом

Вследствие своей активности щелочные металлы хранят под слоем керосина, чтобы преградить доступ воздуха и влаги. Литий очень легкий и в керосине всплывает на поверхность, поэтому его хранят под слоем вазелином.

Химические свойства щелочных металлов

1. Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ­

2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2 ­

2. Реакция щелочных металлов с кислородом:

4Li + O 2 → 2Li 2 O (оксид лития)

2Na + O 2 → Na 2 O 2 (пероксид натрия)

K + O 2 → KO 2 (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 + Cl 2 → 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na 2 S (сульфиды)

2Na + H 2 → 2NaH (гидриды)

6Li + N 2 → 2Li 3 N (нитриды)

2Li + 2C → Li 2 C 2 (карбиды)

4. Реакция щелочных металлов с кислотами

(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой):

2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2 ­

5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком

(образуется амид натрия):

2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2

6. Взаимодействие щелочных металлов со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ONa + H 2 ;

2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2 ;

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+CaCl 2
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:

2NaCl+CaC 2 =2Na+CaCl 2 +2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl 2 +Ca 2 SiO 4 .

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 1s 2 2s 1 . 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 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . 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 Са 2+ 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 39 К, 40 К, 41 К. Один из них 40 К ‑ 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 (39 0 C) 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 Li 3 N (до 75%) и Li 2 O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na 2 O 2) и надпероксиды (K 2 O 4 или KO 2).

Перечисленные вещества реагируют с водой:

Li 3 N + 3 H 2 O = 3 LiOH + NH 3 ;

Na 2 O 2 + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2 O 2 ;

K 2 O 4 + 2 H 2 O = 2 KOH + H 2 O 2 + O 2 .

Для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях, в изолирующих противогазах и дыхательных аппаратах боевых пловцов (подводных диверсантов) использовалась смесь «оксон»:

Na 2 O 2 +CO 2 =Na 2 CO 3 +0,5O 2 ;

K 2 O 4 + CO 2 = K 2 CO 3 + 1,5 O 2 .

В настоящее время это стандартная начинка регенерирующих патронов изолирующих противогазов для пожарных.
Щелочные металлы реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды:

Гидрид лития используется как сильный восстановитель.

Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде:

SiO 2 +2NaOH=Na 2 SiO 3 +H 2 O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 1300 0 С). Некоторые соединения натрия называют содами :

а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na 2 CO 3 ;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na 2 CO 3 . 10H 2 O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO 3 ;
г) гидроксид натрия NaOH называют каустической содой или каустиком.

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

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

• - : литий Li, натрийNa, калий К, рубидийRb, цезийCs, францийFr. Щ. м., кроме Cs, имеют серебристый металлич. блеск, Cs - золотисто-желтую окраску...

  Химическая энциклопедия

• - хим. элементы I гр. периодич. системы Менделеева: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Назв. связано со способностью образовывать сильные основания - щелочи, известные с древности...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - группа, включающая Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Смотри также: - Металлы - чистые металлы - ультрачистые металлы - тяжелые металлы - тугоплавкие металлы - редкие металлы - рассеянные металлы - радиоактивные металлы -...
• - химические элементы Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Названы так потому, что их гидрооксиды - наиболее сильные щелочи. Химически щелочные металлы - наиболее активные металлы...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - Alkali metals - .Металлы первой группы Периодической системы, а именно: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Они образуют строго щелочные гидроксиды, отсюда и их название...

  Словарь металлургических терминов

• - ПОДГРУППА IА. ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром...

  Энциклопедия Кольера

• - М. в., обладающие щелочной реакцией среды...

  Большой медицинский словарь

• - геохим. фации, выделяемые по повышенным средним значениям рН в толще ила. Характерны для больших площадей дна морей и океанов, ряда озер и некоторых лагун; могут быть названы известковыми...

  Геологическая энциклопедия

• - - магматические горн. породы, содержащие фельдшпатоиды и щелочные темноцветные силикаты - щелочные пироксены и щелочные амфиболы...

  Геологическая энциклопедия

• - Семиреченской обл., Верненского у., в Алатауских горах, в 33 в. от ст. Тарган. Ущелье так глубоко, что дневной свет длится всего несколько часов. Источники обделаны и ими пользуются киргизы...
• - или металлы щелочей и щелочных земель...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - магматические горные породы, относительно богатые щелочными металлами - натрием и калием...
• - химические элементы гл. подгруппы I группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Название получили от гидроокисей Щ. м., названных едкими щелочами...

  Большая Советская энциклопедия

• - МЕТАЛЛЫ: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Мягкие металлы, легко режутся, Rb, Cs и Fr почти пастообразны при обычных условиях...

  Современная энциклопедия

• - ЩЕЛОЧНЫЕ горные породы - магматические горные породы с повышенным содержанием щелочных металлов. Главные породообразующие минералы: полевые шпаты, фельдшпатоиды, щелочные амфиболы, пироксен...
• - химические элементы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Название от щелочей - гидроксидов щелочных металлов...

  Большой энциклопедический словарь

"ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ" в книгах

Металлы-братья