Неорганическая химия

 Главная   Общая  Неорганическая  Органическая  Физическая  Поиск реакции 

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Общая характеристика

К щелочным металлам относятся s-элементы I-ой группы Периодической системы - литий, натрий, калий, рубидий,цезий и франций. .

Литий имеет два стабильных изотопа -6Li (мольная доля в естественном элементе 0,073) и 7Li (0,927), натрий - один изотоп 23Na, калий - 39К (0,931) и 41К (0,069). Изотоп калия с массовым числом 40 (40К, мольная доля 0,0002) - радиоактивный, -распад. У рубидия два стабильных изотопа - 85Rb (0,7215) и 87Rb (0,2785), у цезия - один 133Cs. Франций стабильных изотопов не имеет, массовое число наиболее долгоживущего - 223.

Все щелочные металлы - электронные аналоги, внешний уровень имеет строение ns1. По сравнению с элементами других подгрупп соответствующего периода щелочные металлы имеют наиболее низкие энергии ионизации и наибольшие радиусы атомов и ионов. В группе энергия ионизации уменьшается от лития к цезию, а радиус атома наоборот, возрастает. В соединениях проявляют степень окисления +1 и в свободном виде на Земле не встречаются. Мольная доля лития в земной коре 0,0002, натрия - 0,024 (один из наиболее распространенных элементов), калия 0,014, рубидия - 0,00007. Содержание цезия около 10-10, франций получен только искусственно.

Важнейшие минералы щелочных металлов - NaCl -каменная соль, или галит, Na2SO4*10H2O - глауберова соль или мирабилит, Na2B2O7*10H2O - бура, Na3AlF6 -криолит, KCl - сильвин, NaCl*KCl - сильвинит, KCl*MgCl2*6H2O - карналлит, KCl*MgSO4*3H20 - каинит.

Простые вещества.

Все щелочные металлы не имеют аллотропных и полиморфных модификаций и образуют по одному простому веществу.

Физические свойства.

В виде простых веществ - мягкие, серебристо белые металлы, цезий имеет золотисто-желтый цвет. Плотности лития, натрия и калия меньше плотности воды ( 1 г/см3), температура плавления плавно уменьшается от лития (180оС) к цезию (28оС). Так же изменятся и температура кипения - от 1337оС у лития до 668оС у цезия. Твердость щелочных металлов мала - они легко режутся ножом.

В видимой области спектра в парах щелочные металлы имеют интенсивные линии излучения: натрий - желтую, литий - карминово-красную, калий - фиолетовую, рубидий - красную, цезий - голубую. Это позволяет распозновать эти металлы с помощью пламенной фотометрии.

Химические свойства

Щелочные металлы исключительно реакционноспособны и проявляют сильные восстановительные свойства. Уже при комнатной температуре они реагируют со многими неметаллами. С кислородом литий образует оксид:

4Li + O2 = 2Li2O

Остальные щелочные металлы образуют пероксиды и надпероксиды (супероксиды), например:

2Na + O2 = Na2O2
2K + 2O2 = K2O4

В атмосфере фтора и хлора щелочные металлы самовоспламеняются, образуя галогениды:

Na + Cl2 = 2NaCl

С жидким бромом литий и натрий реагируют замедленно, остальные - о взрывом. С иодом взаимодействие протекает спокойно.

С водородом щелочные металлы реагируют при нагревании (200-400oC), при этом образуютсяионные гидриды:

2Na + Н2 = 2NaН

разлагающиеся водой с выделением водорода:

2NaН + 2Н2О = 2NaОН + Н2

С азотом щелочные металлы реагируют при нагревании, образуя нитриды состава Ме3N. Литий реагирует с азотом воздуха уже при комнатной температуре, покрываясь слоем красноватого нитрида:

6Li + N2 = 2Li3N

Щелочные металлы реагируют с водой:

2Ме + 2Н2О = 2МеОН + Н2

литий - спокойно, натрий - энергично, калий и остальные - со взрывом - воспламеняется выделяющийся водород. Рубидий и цезий реагируют не только с жидкой водой, но и со льдом.

С кислотами щелочные металлы образуют соли, часто эти реакции сопровождаются взрывами.

Со спиртами щелочные металлы реагируют спокойно, часто для завершения реакции необходимо нагревание:

2Ме + С2Н5ОН = 2С2Н5ОМе + Н2

При взаимодействии лития и натрия с алюминие, оловом, ртутью образуются интерметаллические соединения. Широко распространена амальгама натрия NanHgm. Между собой щелочные металлы образуют сплавы, широкое применение имеет сплав натрия и калия, обладающий высокой теплоемкостью.

Получение щелочных металлов

Основным способом получения щелочных металлов является электролиз расплавов их соединений. Для получения лития электролизу подвергают расплав эвтектическуй смеси хлоридов лития и калия. Натрий получают электролизом расплава хлорида или гидроксида, калий - электролизом расплава смеси хлоридов натрия и калия. Смеси солей используют для понижения температуры электролиза. Реакции электролиза хлоридов и гидроксидов в общем виде выглядят так:

2МеCl = 2Ме + Cl2
4МеOH = 4Ме + 2Н2О + О2

Кромe электролиза щелочные металлы можно получить и восстановлением оксидов и гидроксидов, например оксид лития восстанавливают кремнием при нагревании:

2Li2O + Si = Li + SiO2

Расплавленный гидроксид калия восстанавливают жидким натрием:

KOH + Na = NаOH + K

Гидроксиды рубидия и цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме при нагревании:

RbOH + Ca = Rb + CaO
CsOH + Ca = Cs + CaO

Хранят щелочные металлы в атмосфере инертного газа, под слоем сухого керосина или обезвоженного масла. Большие количества щелочных металлов хранят в герметичной железной таре (бочке).

Применение

Щелочные металлы используют в качестве восстановителей, в качестве жидких теплоносителей, например, в ядерных реакторах, в органическом синтезе. Литий применяется производстве сплавов в качестве легирующей добавки. Пары натрия используют для наполнения газоразрядных ламп уличного освещения, которые дают свет с оранжевым оттенком.

СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Гидриды

Гидриды щелочных металлов - соединения с ионным типом связи, сильные восстановители. Водой разлагаются с выделением водорода

2МеН + 2Н2О = 2МеОН + Н2

При нагревании в вакууме разлагаются:

2МеН = 2Ме + Н2

пр этом устойчивость гидридов уменьшается от лития к цезию. Рaсплавы гидридов проводят электрический ток.

Гидриды лития и натрия испльзуют для получения алюмогидридов, гидрид алюминия вводится в реакцию в виде эфирного раствора:

NaН + AlН3 = Na[AlH4]

Алюмогидриды лития и натрия используются в качестве восстановителей, напримеp, в органическом синтезе.

Карбиды

Карбиды щелочных металлов имеют состав Ме2С2 . Бесцветные кристаллические вещества. Обладают высокой химической активностью. При непосредственном взаимодействии простых веществ образуется толькр карбид лития, остальные - при взаимодействии металла и ацетилена.Водой разлагаются с выделением ацетилена:

Ме2С2 + 2Н2О = 2МеОН + С2Н2

Нитриды

Из нитридов щелочных металлов наиболее устойчив гидрид лития, который медленно образуется при взаимодействии с азотом уже при комнтной температуре и быстро - при 250oC. Водой нитрид лития разлагается с выделением аммиака:

Li3N + 3Н2О = 3LiОН + NН3

Нитриды остальных щелочных металлов получают при взаимодействии паров металла с азотом в тлеющем электрическом разряде.

При взаимодействии расплавленных щелочных металлов с аммиаком образуются амиды, например:

2Na + 2NН3 = 2NaNН2 + Н2

В жидком аммиаке щелочные металлы растворяются, образуя темно-синие, хорошо проводящие электрический ток растворы.

Оксиды, пероксиды, озониды

При сгорании при атмосферном давлении литий дает только оксид Li2O , натрий - пероксид Na2O2 , остальные - надпероксиды Ме2O4 или МеO2 . Оксид натрия можно получить только косвенным путем, например:

Na2O2 + 2Na = 2Na2O
2NaОН(твердый) + 2Na = 2Na2O + Н2
5NaN3 + 2NaNО3 = 3Na2O + 8N2

Оксиды щелочных металлов обладают высокой реакионной способностью, проявляют сильно выраженные основные свойства, энергично взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды.

Пероксиды и надпероксиды - твердые вещеста, сильные окислители. При контакте с водой разлагаются:

Na2O2 + 2Н2О = 2NaOН + Н2O2
2NaO2 + 2Н2О = 2NaOН + Н2O2 + O2

Озониды натрия, калия, рубидия и цезия получают действием озона на твердые гидроксиды:

4МеOН + 4О3 = 4МеО3 + 2Н2О + O2

Озониды еще более сильные окислители, чем пероксиды и надпероксиды. Бурно реагируют с водой и разбавленной серной кислотой:

4МеO3 + 2Н2О = 4МеOН + 5O2
4КO3 + 2Н24 = 2R24 + 2Н2О + 5O2

Гидроксиды

Твердые, бесцветные, гигроскопические, хорошо растворимые в воде вещества. Растворение в воде сопровождаетсявыделением большого количества теплоты. В водном растворе почти полностью диссоциированы, сильные основания. Часто гидроксиды щелочных металлов называют едкими щелочами. Термически устойчивы до температур более 1000oC

Едкие щелочи жадно поглощают из воздуха водяные пары и углекислый газ, превращаясь в сиропообразную массу.Расплавы едких щелочей разрушают стекло и платину, поэтому щелочи плавят в железных тиглях.

Получают щелочи электролизом водных растворов хлоридов:

2NaСl + 2Н2О = 2NaOН + Н2 + Cl2

или обменными реациями карбоната металла и гидроксида кальция:

Rb2CO3 + Ca(OН)2 = 2RbOН + CaCO3

Наиболее широкое применение находит гидроксид натрия - для осушения газов, в органическом синтезе, в производстве искусственного волокна.



    © Короленко М.В., 2009-2016                      *7690*20*76*

          Индекс цитирования          Эта страница помогла? Покажите ее друзьям!