Щелочные металлы список и свойства.

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

«Литий есть самый легкий металл; он имеет удельный вес 0,59, вследствие чего плавает даже на нефти; плавится около 185°, но не улетучивается при краснокалильном жаре. Цветом он напоминает натрий и, подобно ему, имеет желтый оттенок.»

Д. И. Менделеев. Основы химии.

Когда в 1817 г. 25-летний шведский химик Юхан Август Арфведсон (1792-1841) вы-делил из минерала петалита новую «огнепостоянную щелочь до сих пор неизвестной природы» (это был гидроксид лития), его учитель, знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848), предложил назвать ее литионом, от греч. lithos - камень.

Эта щелочь, в отличие от уже известных натриевой и калиевой, впервые была обнаружена в «царстве» камней. В 1818 г. английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) получил из «литиона» новый металл, который назвал литием. Этот же греческий корень - в словах «литосфера», «литография» (оттиск с каменной формы) и др.

Литий - самый легкий из твердых веществ: его плотность всего 0,53 г/см3 (вдвое меньше, чем у воды). Получают литий электролизом расплава хлорида лития. Редкое свойство металлического лития - реакция с азотом при обычных условиях с образованием нитрида лития.

Литий все шире применяется в производстве литий-ионных аккумуляторов. В результате мировое производство лития в 2012 г. составило 37 тысяч тонн - в пять раз больше, чем в 2005 г.

Соединения лития находят применение в стекольной и керамической промышленности. Гидроксид лития - поглотитель избытка углекислого газа в кабинах космических кораблей и подводных лодок. Карбонат лития применяется в психиатрии для лечения некоторых расстройств. В среднем человеке содержится менее 1 мг лития.

Натрий

«Получение металлического натрия относится к важнейшим открытиям в химии не потому одному, что чрез то расширилось и стало более правильным понятие о простых телах, но потому особенно, что в натрии видны химические свойства, лишь слабо выраженные в других общеизвестных металлах.»

Д. И. Менделеев. Основы химии.

Русское название «натрий» (оно есть также в шведском и немецком языках) происходит от слова «натрон»: так древние египтяне называли сухую соду, которую использовали в процессе мумификации. В XVIII веке название «натрон» закрепилось за «минеральной щелочью» - едким натром. Сейчас натронной известью называют смесь едкого натра и оксида кальция (по-английски soda lime), а натрий по-английски (и во многих других языках - sodium). Слово «сода» произошло от латинского названия растения солянка (sodanum). Это прибрежное морское растение, золу которого в древности использовали при изготовлении стекла. В этой золе содержится карбонат натрия, который назвали содой. И сейчас сода - важнейшая составная часть шихты для производства большинства стекол, в том числе оконных.

Первым из людей, который увидел, как выглядит металлический натрий, был Г. Дэви, выделивший новый металл с помощью электролиза. Он же предложил название новому элементу - sodium.

Натрий - очень активный металл, он быстро окисляется на воздухе, покрываясь толстой коркой продуктов реакций с кислородом и водяными парами. Известен лекционный опыт: если маленький кусочек натрия бросить в воду, он начнет реагировать с ней, выделяя водород. В реакции выделяется много теплоты, которая расплавляет натрий, и его шарик бегает по поверхности. Вода охлаждает натрий и не дает водороду вспыхнуть, но если кусок натрия будет большим, возможно возгорание и даже взрыв.

Металлический натрий широко применяется для различных синтезов как восстановитель, а также как осушитель неводных жидкостей. Он присутствует в обладающих высокой емкостью натриево-серных аккумуляторах. Легкоплавкий сплав натрия с кали-ем, жидкий при комнатной температуре, работает теплоносителем, отводящим избыточную тепловую энергию от ядерных реакторов. Всем известен желтый цвет пламени в присутствии натрия: именно так окрашивается пламя газовой конфорки, если в него попадет мельчайшая капля соленого супа. Пары натрия светятся желтым светом в экономичных газоразрядных лампах, освещающих улицы.

Многие столетия соль была единственным средством консервации пищевых продуктов. Без поваренной соли были бы невозможны дальние морские плавания, кругосветные экспедиции и великие географические открытия. История России знает грандиозное восстание, получившее название Соляной бунт, которое началось в 1648 г. и прокатилось по всей стране. Одна из причин восстания - повышение на-лога на соль.

Когда-то натрий получали сотнями тысяч тонн в год: его использовали для получения тетраэтилсвинца, повышающего октановое число бензина. Запрет на этилированный бензин во многих странах привел к снижению производства натрия. Сейчас мировое производство натрия - около 100 тысяч тонн в год.

Минерал галит (хлорид натрия) образует громадные залежи каменной соли. Толь-ко в России ее запасы исчисляются десятками миллиардов тонн. Галит обычно содержит до 8% других солей, в основном магния и кальция. Ежегодно добывается более 280 млн тонн хлорида натрия, это одно из самых крупномасштабных производств. Когда-то в больших количествах добывали в Чили нитрат натрия, отсюда его название - чилийская селитра.

Применение находят и другие соли натрия, которых в настоящее время известно множество. Одна из самых известных - сульфат натрия. Если эта соль содержит воду, она называется глауберовой. Огромные ее количества образуются при испарении воды в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (Туркмения), а также в некоторых соляных озерах. В настоящее время растворы сульфата натрия используются в качестве аккумулятора тепла в устройствах, сохраняющих солнечную энергию, в производстве стекла, бумаги, тканей.

Натрий - жизненно важный элемент. Ионы натрия находятся в основном во внеклеточной жидкости и участвуют в механизме мышечных сокращений (недостаток натрия вызывает судороги), в поддержании водно-солевого (ионы натрия задерживают воду в организме) и кислотно-щелочного баланса (поддержание постоянного значении рН крови). Из хлорида натрия в желудке вырабатывается соляная кислота, без которой невозможно переваривание пищи. Содержание натрия в теле среднего человека - около 100 г. Натрий поступает в организм в основном в виде поваренной соли, ее суточная доза составляет 3-6 г. Одно-кратная доза более 30 г опасна для жизни.

Калий

По-арабски al-qili - зола, а также нечто прокаленное. Так же стали называть продукт, получаемый из золы растений, т. е. карбонат калия. В золе подсолнечника калия больше 30%. Без арабского артикля это слово в русском языке превратилось в «калий». Кроме русского языка и латыни (kalium), этот термин сохранился во многих европейских языках: немецком, голландском, датском, норвежском, шведском (с латинским окончанием -um), в греческом (κάλιο), а также в ряде славянских языков: сербском (калијум), македонском (калиум), словенском (kalij).

Калий - один из самых распространенных элементов в земной коре. Основные его минералы - сильвин (хлорид калия), сильвинит (смешанный хлорид калия и натрия) и карналлит (смешанный хлорид калия и магния). Сильвин, а также и нитрат калия (калийная, она же индийская селитра) в огромных количествах используются как калийные удобрения. Вместе с азотом и фосфором калий - один из трех важнейших для питания растений элементов.

Английское название элемента (potassium), как и русское название карбоната калия (поташ), заимствовано из языков германской группы; в английском, немецком и голландском ash - зола, pot - горшок, т. е. поташ - это «зола из горшка». Раньше карбонат калия получали, выпаривая в чанах вытяжку из золы; ее использовали для получения мыла. Калиевое мыло, в отличие от натриевого, жидкое. От арабского названия золы произошло название щелочи во многих европейских языках: англ. и голл. alkali, нем. Аlkali, франц. и итал. alcali и т.п. Тот же корень присутствует в слове «алкалоиды» то есть «подобные щелочи»).

Калий был первым элементом, который открыл Г. Дэви (он впервые получил также литий, барий, кальций, стронций, магний и бор). Дэви подверг электролизу влажный ку-сок гидроксида калия. При этом на его поверхности, по словам Дэви, «появлялись маленькие шарики с сильным металлическим блеском, внешне не отличавшиеся от ртути. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом и с появлением яркого пламени, другие же не сгорали, а только тускнели, и поверхность их покрывалась белой пленкой». Калий - очень активный металл. Его маленький кусочек, внесенный в воду, взрывается.

Калий - важный биоэлемент, в организме человека содержится от 160 до 250 г калия, больше, чем натрия. Ионы калия участвуют в прохождении нервных импульсов. Много калия содержат фрукты и овощи.

Гидроксид калия используется для получения мыла. Он служит электролитом в щелочных аккумуляторах - железо-никелевых, никель-металлогидридных. Раньше нитрат калия (калиевая селитра) в огромных количествах расходовался для производства черного пороха; сейчас он используется как удобрение.

Природный калий содержит 0,0117% долгоживущего радионуклида 40К с периодом полураспада 1,26 млрд лет. Этим объясняется тот факт, что калий-40 «дожил» до нашего времени с момента его синтеза в ядерных реакциях в звездах. Однако с момента образования Земли 4,5 млрд лет назад содержание 40К на планете из-за его распада снизилось в 12,5 раз! В теле человека массой 70 кг содержится примерно 20 мг 40К, или 3 · 1020 атомов, из которых каждую секунду распадается более 5000 атомов! Не исключено, что такое «внутреннее» облучение (усиленное распадом углерода-14) было одной из причин мутаций в ходе эволюции живой природы. Мировое производство металлического калия невелико: около 200 тонн в год.

Рубидий и цезий

Рубидий и цезий - первые химические элементы, от-крытые с помощью спектрального анализа. Этот метод разработали немецкие ученые и друзья - физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899), работавшие в Гейдельбергском университете. С помощью этого исключительно чувствительного метода они анализировали все попадавшиеся им вещества в надежде найти что-то новое. И в начале 1860-х гг. открыли два новых элемента. Это произошло, когда анализу подвергли сухой остаток, полученный выпариванием воды из минеральных источников курорта Бад-Дюркхайм, в 30 км от Гейдельберга. В спектре этого вещества, помимо уже известных им линий натрия, калия и лития, Кирхгоф и Бунзен заметили две слабые голубые линии. Они поняли, что эти линии принадлежат неизвестному химическому элементу, который присутствует в воде в очень малых количествах. По свету спектральных линий новый элемент

Продолжив исследования, Кирхгоф и Бунзен обнаружили в присланном им из Саксонии алюмосиликатном минерале лепидо (литиевой слюде) еще один элемент, в спектре которого выделялись темно-красные линии. Его назвали рубидием: от лат. rubidus - красный. Этот же элемент был обнаружен в минеральной воде, откуда химику Бунзену удалось его выделить. Достойно упоминания что для получения нескольких граммов соли рубидия пришлось переработать 44 тонны минеральной воды и свыше 180 кг лепидолита.

И как в конце XIX века в не менее титанической работе по выделению соли радия «компасом» для Марии Кюри служила радиоактивность, аналогичным «компасом» для Кирхгофа и Бунзена был спектроскоп.

Рубидий и цезий - типичные щелочные металлы. Это подтвердилось, когда химик Бунзен восстановлением соли рубидия получил этот элемент в виде металла. Более активный цезий удалось получить в чистом виде только в 1881 г. шведскому химику Карлу Теодору Сеттербергу (1853-1941) путем электролиза расплавленного цианида цезия. Цезий - один из самых легкоплавких металлов. В чистом виде он имеет золотистый цвет. Но получить чистый цезий непросто: на воздухе он мгновенно самовоспламеняется. Чистый рубидий плавится всего при 39,3 °С, цезий - на 10 градусов ниже, и в очень жаркий летний день образцы этих металлов в ампулах становятся жидкими.

Мировое производство металлического рубидия невелико - около 3 тонн в год. В медицине используется рубидий-87: его атомы поглощаются клетками крови, и по излучению ими быстрых электронов с помощью специального оборудования можно увидеть «узкие места» в кровеносных сосудах. Используется рубидий в элементах солнечных батарей.

В организме человека среднего возраста содержится примерно 0,7 г рубидия, а цезия - всего 0,04 мг.

Электронные переходы в атомах цезия используются в исключительно точных «атомных часах». Во всем мире сейчас более 70 таких точнейших часов - эталонов времени: ошибка составляет менее секунды за 100 миллионов лет. По цезиевым часам определена единица времени - секунда.

Было предложено использовать ионы цезия для разгона ракеты с помощью электро-реактивного двигателя. В нем ионы ускоряются в сильном электростатическом поле и выбрасываются через сопло.

Электрические ракетные двигатели при малой тяге способны работать длительное время и осуществлять полеты на большие расстояния.

Франций

Этот элемент открыла (по его радиоактивности) в 1939 г. сотрудница Института радия в Париже Маргарита Перей (1909-1975), а название ему она дала в честь своей родины в 1946 г.

Франций - сосед цезия по Периодический системе элементов. Д. И. Менделеев так и назвал не открытый тогда еще элемент - экацезием. Этот последний и самый тяжелый щелочной металл разительно отличается от всех других в его группе. Во-первых, никто никогда не видел и не увидит даже мельчайший кусочек франция. Во-вторых, у франция нет таких физических свойств, как плотность, температура плавления и кипения. Так что термин «самый тяжелый металл» можно отнести только к его атомам, но не к простому веществу. И все по-тому, что франций - искусственно полученный сильно радиоактивный элемент, самый долгоживущий его изотоп 223 Fr имеет период полураспада всего 22 минуты. А чтобы изучить физические свойства вещества, нужно иметь его в виде хотя бы самого маленького кусочка. Но для франция это невозможно.

Франций получают искусственно. И по мере синтеза его атомы быстро распадаются. Причем чем больше накоплено атомов, тем больше их распадается в единицу времени. Значит, чтобы просто поддерживать число атомов франция постоянным, их нужно синтезировать со скоростью не меньшей, чем скорость их распада. При синтезе франция в Дубне путем облучения урана мощным пучком протонов каждую секунду получался примерно миллион атомов этого элемента. При такой скорости синтеза скорость распада образца становится равной скорости его образования, когда число его атомов равно двум миллиардам. Это совершенно ничтожное количество вещества, его даже в микроскоп не видно.

Кроме того, эти атомы не собраны в кусочек металла, а распределены по поверхности урановой мишени. Так что неудивительно, что во всем земном шаре в любой момент наберется не более двух-трех десятков граммов франция, рассеянных поодиночке в радиоактивных горных породах.

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.

Что же такое щелочные металлы? Это элементы первой группы, основной подгруппы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся такие металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Они обладают рядом свойств, которые присущи этой группе.

Особенности

Эти металлы имеют небольшие значения плотностей (литий, натрий, калий легче води), низкие температуры плавления (максимальная у лития – 180,6 °C). Они мягкие, легко режутся ножом, быстро окисляются, поэтому их хранят в емкостях заполненных химически малоактивными газами или жидкостями (обычно керосин).

Все металлы данной подгруппы имеют серебристо-белый цвет. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева щелочные металлы всегда следуют за инертными газами. Инертные или благородные газы очень плохо вступают в какие-либо химические реакции, они химически неактивные газы и это объясняется тем, что их электронные оболочки полностью заполнены.

В отличие от газов у щелочных металлов появляется один неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне. Поэтому в химических реакциях эти металлы выступают донорами электронов. Они всегда имеют степень окисления +1, химически очень активны – активно реагируют с кислотами (со взрывом), бурно реагируют с водой выделяя водород и образуя щёлочи MeOH (здесь Me – металл). Активность данных металлов увеличивается от Li к Fr.

Литий — это первый элемент в группе щелочных металлов. Атомная масса — 6,941, состоит из двух природных изотопов 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %), также известно о получении искусственным путем еще двух изотопов, но продолжительность их жизни очень мала.

Интересный факт о щелочном металле — стоимость 7Li в несколько раз выше за стоимость 6Li, хотя первый более распространён. История открытия данного элемента связана с именем шведского химика И. А. Арфведсона.

Калий, наравне с натрием, играет важнейшую роль в работе клеток живых организмов, поддерживая их мембранный потенциал. В организме человека содержится около 175 граммов этого металла, и для поддержания этого запаса его нужно ежедневно пополнять примерно на 4 грамма.

В природе встречается часто, но только в составе соединений, занимает третье место по количеству содержания его в воде. При недостатке в почве, этот металл вводят в виде удобрений: хлорида калия KCl, сульфата калия K2SO4 и золы растений.

Многим известно такое вещество, как цианистый калий; но не многие знают, где его используют. А используют его для гальванического серебрения а также золочения неблагородных металлов, извлечения дорогостоящих металлов, а именно серебра и золота, из руд.

Цезий был открыт в 1860 году в целебных минеральных источниках Шварцвальдена. Атомная масса – 132,905.

Данный металл используется в таких отраслях: автоматике и электронике, в радиолокации и кино, а также в атомных реакторах и космических кораблях. Это был первый элемент, который открыли с помощью спектрального анализа.

Франций

Франций — это самый нестабильный и тяжёлый элемент среди щелочных металлов с атомной массой 223 и периодом полураспада 22 минуты. Из-за таких характеристик его было очень сложно выделить.

Это очень редкий металл которого, по подсчетам учёных, в земной коре находится всего около 500 грамм, поэтому франций исследовали на искусственно созданных образцах.

Натрий

Натрий — один из самых распространённых щелочных металлов. Из-за этого его используют в разнообразных отраслях. Например, раствором цианида натрия обрабатывают руды драгоценных металлов. В результате получают координационные соединения из которого с помощью цинка выделяют чистое золото или серебро.

Натрий также используют на атомных подводных лодках как теплоноситель из-за его некоторых физических свойств (большая разница между температурами плавления и кипения). В природе натрий не встречается в чистом виде – слишком активен, поэтому — только в составе руд.

Интересный факт — в атмосфере на высоте около 80 км обнаружен слой атомарного натрия. Это объясняется тем что на таких высотах нет элементов с которыми натрий смог бы взаимодействовать.

Рубидий

Рубидий — это по-своему интересный щелочной металл. Имея атомную массу 85,467 металл является радиоактивным. При соприкосновением с воздухом рубидий воспламеняется и горит розовато-фиолетовым пламенем, с водой, F, Cl, Br, I, S – происходит взрыв.

Интересная особенность рубидия — это способность вырабатывать электрический ток под воздействием солнечного излучения.

Хотя щелочные металлы и обладают рядом особенностей присущих им всем, каждый из них также имеет свойства, характерные только для него. Некоторые элементы до сих пор очень плохо изучены, а учитывая востребованность металлов данной группы разными отраслями промышленности, давно назрела необходимость заполнить пустые места в научных справочниках.

К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns 1 . В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.

Физические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки

Получение щелочных металлов

Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:

2LiCl = 2Li + Cl 2

2NaCl = 2Na + Cl 2

Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:

2MeCl + Ca = 2Mе + CaCl 2 ,

где Ме – металл.

Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:

2Li 2 O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2 SiO 4

Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:

KOH + Na = K + NaOH

Химические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:

2Me + H 2 O = 2MeOH + H 2

где Ме – металл.

Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):

4Li + O 2 = 2Li 2 O

2Na + O 2 =Na 2 O 2

Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.). Например:

2Na + Cl 2 =2NaCl

6Li + N 2 = 2Li 3 N

2Li +2C = Li 2 C 2

2Na + H 2 = 2NaH

Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:

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

Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:

3Na + AlCl 3 = 3NaCl + Al

Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.

Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:

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

2Na + 2CH 3 COOH = 2CH 3 COONa + H 2

Качественные реакции

Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li + окрашивает пламя в красный цвет, Na + — в желтый, а K + , Rb + , Cs + — в фиолетовый.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Осуществите химические превращения Na→Na 2 O→NaOH→Na 2 SO 4
Решение	4Na + O 2 →2Na 2 O Последние материалы раздела: