Периодической системы Д.И. Менделеева

Элементы I группы главной подгруппы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, их объединяют под общим названием щелочные металлы, так как их гидроксиды являются хорошо растворимыми сильными основаниями – щелочами.

Названия некоторых элементов происходят от названия минералов. Например, элемент натрий Na получил своё имя от арабского слова «Натрун» (перевод – сода, карбонат натрия Na₂CO₃); Элемент литий Li был назван с использованием греческого слова «литос», т.е. камень; название элемента калий является производным от арабского названия поташа (К₂СО₃) – «Аль-кали».

Атомы всех щелочных металлов, как и атомы водорода, имеют на валентной орбитали один единственный элемент. Например:

№11 Nа 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ S

№19 К 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

Валентность щелочных металлов равна I. В соединениях щелочные металлы проявляют единственную степень окисления +1, отдавая 1ē.

Nа - 1ē =Nа⁺

при этом щелочные металлы проявляют восстановительные свойства, с ростом порядкового номера элемента увеличивается плотность и снижается t_кип и t_плав, так как уменьшается прочность металлической связи.

Нахождение в природе

Li содержится в нескольких минералах (сподумен LiAl[Si₂O₆], лепидолит KLi_{1, 5}Al_{1, 5}(AlSi3O10)(OHF)₂, амблигонит LiAl(РО₄)F и др.), пепле некоторых растений (в пепле табака до 0, 5%).

Nа – шестой элемент по распространенности в земной коре, где он находится только в виде соединений. Nа входит в состав минералов – галит (каменная соль) NаСl, мирабилит Nа₂SO₄*10 Н₂O. Много мирабилита добывается в заливе Кара-Богаз-Гол в Каспийском море. Сульфат Nа впервые был получен Глаубером действием серной кислоты на хлорид натрия:

2NаСl + Н₂SO₄= Nа₂SO₄ + 2 НСl

Остаток твердого вещества после окончания реакции Глаубер растворил в воде и оставил для кристаллизации Nа₂SO₄*10 Н₂O (глауберова соль).

Калий седьмой элемент по распространенности в земной коре. Содержится в минералах: сильвинитксе NаСl, карналлит КСl*MgCl₂*6Н₂O, в морской воде, растениях и живых организмах. В 1 литре морской воды содержится 0, 38 г ионов К⁺.

Рубидий и цезий – спутники калия в воде минеральных источников, соляных пластов и минералах.

Франций Fr – радиоактивный элемент, наиболее долгоживущий изотоп ²²³Fr (период полураспада 22 мин).

Получение и применение

Щелочные металлы получают электролизом расплава солей (Li, Nа, К) – промышленный способ. Рубидий и цезий получают их хлоридов или дихроматов нагреванием с кальцием в вакууме.

2CsСl + Са = СаСl₂ + 2Cs

Литий используется как компонент подшипниковых сплавов, как сырье для производства металлорганических катализаторов.

Натрий используется в качестве наполнителя натриевых газоразрядных ламп, осушителя эфира и др. органических растворителей (только безгалогенных), для получения Nа₂O₂ и тд.

Рубидий и цезий используют в фотоэлементах.

Физические и химические свойства

Элементы IА-подгруппы очень легкие, очень мягкие металлы (за исключением Li все щелочные металлы режутся ножом). От Li к Cs уменьшается твердость щелочных металлов. Металлические (основные) свойства возрастают с увеличением порядкового номера. Эти металлы окрашивает пламя: Li – темно-красная, Nа – желтая, К – сине-фиолетовая – Rb-Cs.

Самые реакционно-способные из всех металлов. На воздухе очень быстро теряют свой серебристый блеск, Rb и Cs воспламеняются на воздухе. Очень бурно и с большим экзотермическим эффектом реагируют с водой.

При контакте с водой металлический натрий (или др.) окисляется, выделяется водород, а в растворе образуется NaOH:

2Na+2 Н₂O=2 NaOH+ Н₂

Эта реакция сопровождается большим тепловыделением, так что натрий плавится. При этом плотность сплавленного металла меньше плотности воды, поэтому капелька расплавленного натрия бегает по поверхности воды: ее подталкивают пузырьки выделяющегося водорода то в одну, то в другую сторону; лопающиеся пузырьки водорода и создают звуковой эффект реакции.

Образующийся в реакции с K, Rb и Cs водород вспыхивает (возможно вспыхивание и при реакции с Na). Поэтому щелочные металлы хранят под слоем керосина.

По сравнению с Na и другими металлами литий является менее химически активным элементом. Это связанно с тем, что валентный 2s- ē лития значительно ближе к ядру и более прочно с ним связан. Взаимодействия лития с Н₂O протекает более спокойно, чем с другими металлами.

При сгорании на воздухе (180⁰) только литий образует оксид:

4 Li+О₂=2 Li₂О

Na превращается в пероксид натрия: используется для отбеливания тканей, для регенерации кислорода,

2 Na+ О₂= Na₂О₂,

2Na₂О₂+СО₂=2 Na₂СО₃+ О₂

А K, Rb и Cs образуют надпероксиды:

К+ О₂=КО₂

Оксид натрия получают нагреванием пероксида или гидроксиды натрия с металлическим натрия:

Na₂О₂+2 Na=2 Na₂О

2 NaOH+2 Na=2 Na₂О+Н₂

Щелочные металлы взаимодействуют с водородом с образованием гидридов:

2Li+Н₂=2LiН

Гидрид Li может служить твердым источником газообразного водорода, так как он легко реагирует с водой

LiН+Н₂O=LiОН+Н₂

В атмосфере хлора натрий образует хлорид Na (общее название галогениды):

2Na+ Сl₂=2 NaСl

При нагревании щелочных металлов с серой образуются сульфиды Ме₂S.

Особенностью Li является его реакция с азотом при комнатной температуре с образованием нитрида Li:

6 Li+N₂=2 Li₃N

(другие металлы реагирует с N₂ только при нагревании).

С углеродом непосредственно взаимодействует тоже только Li:

2 Li+2С= Li₂С₂

Бинарные соединения взаимодействуют с водой

Li₃N+3 Н₂O=3 LiОН+NH₃

Na₂С₂+ 2Н₂O=2 NaОН+С₂Н₂

В общем виде:

МеF+ Н₂O HF+МеОН,

Ме₂S+ Н₂O МеНS+МеОН,

Ме₂О₂+2Н₂O=Н₂O₂+2МеОН,

МеО₂+2 Н₂O= Н₂O₂+О₂+2МеОН.

Гидроксид Na (едкий натр, каустическая сода, каустик).

Получение в промышленности:

1. Электролиз раствора NaСl:

2 NaСl+2 Н₂O ^эл→ 2 NaОН+Н₂+ Сl₂

2. Известковый способ (старый способ)- обработка карбоната Na в водном растворе гашеной известью:

Na₂СО₃+Са(ОН)₂=2 NaOH+ СаСО₃

Осадок СаСО₃ отфильтровывают, а фильтрат выпаривают, затем сухую щелочь переплавляют.

Гидроксид Na вытесняет при нагревании NН₃ из солей аммония:

NaOH+ NН₄Сl= NН₃+ Н₂O+ NaСl

Гидроксид Na легко разрушает поверхность алюминия и цинка, с трудом - поверхность Pb и Sn, на большинство других металлов NaOH не действует.

Применение NaOH: для получения различных натриевых солей, в производстве целлюлозы, искусственных волокон, мыла, моющих средств, красителей и т.д.

Карбонат натрия Nа₂СО₃ (кальцинированная сода, Nа₂СО₃∙ 10 Н₂O – кристаллическая сода).

Получение: В насыщенный раствор NaСl пропускают газообразный аммиак и диоксид углерода

NН₃+ Н₂O+СО₂+ NaСl= NaНСО₃+ NН₄Сl

Выпавший осадок малорастворимого NaНСО₃ отфильтровывают и обезвоживают:

2 NaНСО₃= Nа₂СО₃+ Н₂O+СО₂

Nа₂СО₃ используется для производства стекла, мыла и моющих средств, эмалей, для устранения жесткости воды, обезжиривания металлов.

Гидрокарбонат натрия применяют в качестве компонента моющих и огнетушащих средств, искусственных минеральных вод и лимонадов, как источник СО₂ в хлебопекарной промышленности, а так же как лекарственный препарат.

Сульфит натрия (Nа₂SО₃ ), гидросульфит (NаНSО₃) используется в качестве отбеливающего, дезинфицирующего и консервирующего средств.

Нитрит натрия (NаNО₂) – ядовит, применяется как средство для придания естественной окраски вареным мясным изделиям при их подсаливании (NaСl с 0, 4% NаNО₂ сохраняет красный цвет вареного мяса вследствие образования NO с миоглобином – входит в состав мышц животных и человека).

Хлорид натрия NaСl. В организме человека (в крови и тканях) содержится 150 – 300 грамм NaСl, ежедневное восполнение составляет 10 – 15грамм, острая токсическая доза – 5г/кг. В крови содержится 0, 9% NaСl, такую же концентрацию NaСl создают в физиологическом растворе, который используется как временная замена плазмы крови. Для получения других соединений натрия и хлора используется как консервирующее средство, охлаждающая смесь NaСl со льдом в отношении 3, 5: 1 обеспечивает температуру до -21^оС.

Карбонат калия К₂СО₃ используется для получения фотографических проявителей, как химический разрыхлитель теста в производства хлебобулочных изделий, пряников.