Щелочные металлы — это химические элементы-металлы, находящихся в IA группе периодической системы, включая литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). Атомы данных элементов имеют один валентный электрон (находящийся на s-орбитали, поэтому щелочные металлы относятся к семейству s-элементов).
По сравнению с элементами своих периодов размеры атомов и ионов щелочных металлов наибольшие. Щелочные металлы имеют низкие значения энергии ионизации в отличие от других элементов благодаря своей электронной структуре.
У щелочных металлов наиболее сильно выражены металлические свойства. Энергия ионизации понижается с увеличением атомного номера, что связано с увеличением размера атома.
В природе в чистом виде щелочные металлы не встречаются, так как они чрезвычайно активны, однако их соединения крайне распространены.
Примеры природных соединений щелочных металлов:
Li2O*Al2O3*4SiO2 - сподумен
NaCl - галит
NaNO3 - чилийская силитра
KCl - сильвин
KCl*NaCl - сильвинит
K2CO3 - поташ
KNO3 - индийская селитра
История открытия некоторых щелочных металлов.
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите, а затем в сподумене и в лепидолите. Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1818 году. Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях».
Натрий впервые был получен английским химиком Гемфри Дэви в 1807 году электролизом твердого гидроксида натрия. Название «натрий» (natrium) происходит от арабского - натрун или от греческого - nitron и первоначально оно относилось к природной соде. Сам элемент ранее именовался содием Sodium.
С калием человечество знакомо больше двух веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г., Гемфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого кали (KOH) он получил "маленькие шарики с сильным металлическим блеском. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом". Это и был калий.
Рубидий был открыт двумя выдающимися учеными Бунзеным и Кирхгоффом. Они же авторы открытия спектрального анализа (1859 г.), немедленно применили свой метод, в качестве вспомогательного метода при химическом анализе минералов. они заинтересовались минералом лепидолитом (фторсиликат лития и алюминия) и, переработав 150 кг саксонского лепидолита, из фракции, содержащей щелочные металлы, выделили с помощью хлорплатиновой кислоты (H2PtCl6) двойные хлорплатинаты калия, цезия и рубидия. То обстоятельство, что калийные соли лучше растворяются в воде, чем рубидиевые и цезиевые, помогло исследователям отделить последние от калиевых солей. При спектроскопическом анализе остатка после удаления калия обнаружились две новые красные линии в красной части спектра. Эти линии Бунзен и Кирхгофф правильно отнесли к новому металлу, который назвали рубидием (лат. rubidus - красный) из-за цвета его спектральных линий. Получить рубидий в виде металла Бунзену удалось в 1863 г.
Цезий — это первый элемент, открытый благодаря спектроскопии. В 1860 году, изучая спектр свечения образца минеральной воды из Шварцшильда, Роберт Бунзен и Густав Кирхгофф обнаружили в нем яркие синие линии. Порождающий их элемент назвали цезием от латинского caesius, что можно перевести как "небесно-голубой".
Физические свойства.
Все щелочные металлы — это мягкие вещества, серебристого цвета. Свежесрезанная поверхность их обладает характерным блеском.
Кристаллическая решетка щелочных металлов в твёрдом состоянии — металлическая. Следовательно, щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Кипят и плавятся при низких температурах. Они имеют также небольшую плотность.
Так как щелочные металы чрезвычайно активны в физическом плане, все их хранят в запаяных сосудах под слоем керосина (литий под вазелином), чтобы сохранить от воздействия факторов внешней среды.
Интересный факт: Нельзя тушить щелочные металлы водой, поскольку реакция сопровождается взрывом.
Некоторые способы получения щелочных металлов.
1. Литий получают в промышленности электролизом расплава хлорида лития:
2LiCl (расплав) = 2Li + Cl2
2. Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия:
2NaCl (расплав) → 2Na + Cl2
3. Натрий можно получить и востановлением соды (старый метод).
Na2CO3 + 2C = 2Na + 3CO
4. Калий получают электролизом расплавов солей или расплава гидроксида калия.
2KCl (расплав) = 2K + Cl2
4KOH (расплав) = 4K + O2↑ + 2H2O
5. Метод Грейсхейма
2KF + CaC2 = CaF2 + 2C + 2K
аналогично:
2KCl + CaC2 = CaCl2 + 2C + 2K
2CsCl + CaC2 = CaCl2 + 2C + 2Cs
Химические свойства щелочных металлов.
1. Горение.
При взаимодействии с кислородом каждый щелочной металл проявляет свою уникальность. При горении на воздухе литий образует оксид, натрий – преимущественно пероксид, калий и остальные металлы – надпероксид.
4Li + O2 = 2Li2O
2Na + O2 = Na2O2
K + O2 = KO2
2. Взаимодействие с галогенами.
Щелочные металлы легко реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
2K + I2 = 2KI
2Na + Cl2 = 2NaCl
2Li + Br2 = 2LiBr
3. Взаимодействие с серой с образованием сульфидов:
2Na + S = Na2S
2K + S = K2S
4. Щелочные металы активно реагируют с фосфором
3Na + P = Na3P
3K + P = K3P
5. Щелочные металы очень активно реагируют с водородом
2Na + H2 = 2NaH
2Li + H2 = 2LiH
6. С азотом реагируют при повышеной температуре, все кроме лития. Литий это вообще единственный метал, который может реагировать с азотом при нормальных условиях.
6Li + N2 = 2Li3N
6Na + N2 = 2Na3N
7. Взаимодействуют с углеродом с образованием карбидов:
2K + 2C = K2C2
8. Взаимодействуют с водой (причем скорость реакции щелочного метала с водой увеличивается от лития к цезию).
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
2K + 2H2O = 2KOH + H2
9. Щелочные металлы бурно взаимодействуют с минеральными кислотами c образованием соли и водорода.
2Na + 2HCl = 2NaCl + H2
6K + 2H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2
10. Взаимодействуют с кислотами окислителями. При этом образуется соль, продукт востановления кислоты и вода. Например:
8Na + 5H2SO4(конц.) = 4Na2SO4 + H2S + 4H2O
8Na + 10HNO3 (конц) = N2O + 8NaNO3 + 5H2O
10Na + 12HNO3 (разб) = N2 +10NaNO3 + 6H2O
8Na + 10HNO3 (оч. разб) = 8NaNO3 + NH4NO3 + 3H2O
11. Взаимодействуют с ацетиленом, так как он проявляет свойства слабой кислоты:
Н ─C≡С─Н + 2Na = Na─C≡C─Na + H2
Н─C≡С─Н + 2К = К─C≡C─К + H2
12. Взаимодействуют с фенолом. При этом образуются соли фенолята и водорода:
2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2
13. Взаимодействуют со спиртами. При этом образуются соли алкоголята и водород:
2СН3ОН + 2Na = 2CH3ONa + H2
2С2Н5ОН + 2К = 2C2H5OК + H2
14. Взаимодействуют с карбоновыми кислотами, так же как с минеральными
2СH3COOH + 2Na = 2CH3COONa + H2
15. Щелочные металлы реагируют с галогеналканами (реакция Вюрца).
2CH3Cl + 2Na = CH3-CH3 + 2NaCl
Качественная реакция на щелочные металлы.
Щелочные металлы в составе солей можно обнаружить так называемой реакцией на окрашивание пламени. При этом цвет пламени солей содержащих:
Li — карминно-красный
Na — желтый
K — фиолетовый
Rb — буро-красный
Cs — фиолетово-красный
Применение некоторых щелочных металлов:
1. Литий востребован в источниках тока, для производства подшипниковых сплавов и литийорганических соединений, как катализатор в химпроме.
2. Натрий применяется в газоразрядных лампах, в металлургии; как теплоноситель в атомной индустрии; в химической индустрии в процессах органического синтеза.
3. Калий и натрий применяются в воздухо-восстановительных системах на подводных лодках, в автономных противогазах и дыхательных аппаратах.
4. Рубидий входит в состав болеутоляющих, снотворных, успокаивающих препаратов. Применяется в телевизионных трубках, оптических приборах, низкотемпературных источниках тока.
5. Цезий применяется в источниках тока, энергоемких аккумуляторах, счетчиках радиоактивных частиц. Изотопы цезия используются для стерилизации пищевой тары, медицинских инструментов, мясных продуктов, лекарств; они входят в состав некоторых лекарств, применяются для радиотерапии опухолей.
Несколько интересных фактов о щелочных металлах:
1. Несмотря на то что это металлы, они настолько мягкие, что некоторые из них можно резать обычным ножом. Например, натрий и калий легко поддаются резке.
2. Щелочные металлы имеют низкую плотность. Литий, натрий и калий настолько легкие, что могут плавать на воде.
3. Щелочные металлы играют важную роль в биологических процессах. Калий и натрий необходимы для работы нервной системы и мышц.
4. Некоторые изотопы щелочных металлов, такие как калий-40, радиоактивны и играют роль в геологическом датировании.
5. Щелочные металлы, особенно литий, имеют большое значение в астрофизике, включая изучение звезд и галактик.