Щелочные металлы

Натрий

Щелочные металлы — группа химических элементов, находящихся в первой группе периодической таблицы, включая литий ( ${\ce {Li}}$ ), натрий ( ${\ce {Na}}$ ), калий ( ${\ce {K}}$ ), рубидий ( ${\ce {Rb}}$ ), цезий ( ${\ce {Cs}}$ ), франций ( ${\ce {Fr}}$ ). Атомы рассматриваемых элементов имеют один валентный электрон (валентный электрон находится на s-орбитали, поэтому щелочные металлы относятся к семейству s-элементов).

По сравнению с элементами других подгрупп размеры атомов и ионов щелочных металлов наибольшие. Щелочные металлы имеют низкие значения энергии ионизации в отличие от других элементов благодаря своей электронной структуре. Они находятся в крайнем левом конце периодической таблицы, при этом имея всего один электрон во внешней электронной оболочке. Таким образом, для удаления этого электрона потребуется небольшое количество энергии.

Таким образом, у щелочных металлов наиболее сильно выражены металлические признаки. Энергия ионизации понижается с увеличением атомного номера, что связано с увеличением размера атома^[1].

Длинная форма таблицы Д. М. Менделеева

Общая характеристика щелочных металлов

Щелочные металлы образуют однородную группу исключительно активных элементов и хорошо иллюстрируют сходство и закономерности, вытекающие из периодического закона. Их физические и химические свойства можно легко объяснить, исходя из их простой электронной конфигурации ns¹, поэтому они разносторонне изучены всевозможными экспериментальными и теоретическими методами^[2].

Некоторые атомные и физические свойства щелочных металлов
Заряд ядра, Z	Название, символ	Атомная масса, а. е. м.	Металлический радиус, нм	Ионный радиус, нм	t_пл, °C	Плотность, г/см³
3	Литий, Li	6,941(2)	0,152	0,074	180,6	0,534
11	Натрий, Na	22,989768(6)	0,186	0,102	97,8	0,968
19	Калий, К	39,0983(1)	0,227	0,138	63,07	0,856
37	Рубидий, Rb	85,4687(3)	0,248	0,149	39,5	1,532
55	Цезий, Cs	132,90543(5)	0,265	0,170	28,4	1,90
87	Франций, Fr	(223)	0,270	0,180	20	1,87

Литий

В свободном виде элементы первой группы представляют собой легкоплавкие серебристо-белые (литий, натрий, калий, рубидий) или золотисто-желтые (цезий) металлы, обладающие высокой мягкостью и пластичностью. Щелочные металлы легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу.

Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Химические свойства щелочных металлов

Легкость, с которой внешний ns¹-электрон вовлекается в образование химической связи, в сочетании с очень высокой второй энергией ионизации щелочных металлов, хорошо объясняют как высокую химическую активность этих элементов, так и тот факт, что их степень окисления в соединениях никогда не превышает +1^[2].

Натрий и калий хранят под слоем углеводородного растворителя, чаще всего керосина, для предотвращения реакции с кислородом и водяным паром, однако с ними можно работать на воздухе, соблюдая соответствующие меры предосторожности. Литий в керосине будет всплывать, поэтому для его хранения используют другие углеводороды — чаще всего вазелин. Работа с рубидием и цезием требует инертной атмосферы^[3].

Взаимодействие с водой

Одно из свойств щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Все щелочные металлы реагируют с водой со взрывом. Без взрыва реагирует только литий:

${\ce {2Li + 2H2O-> 2LiOH + H2 ^}}$

Взаимодействие с кислородом

На воздухе блестящая поверхность щелочных металлов тускнеет вследствие окисления, а рубидий и цезий воспламеняются. Характерно, что основными продуктами сгорания щелочных металлов чаще всего являются не оксиды (М₂О), а пероксиды (М₂О₂).

Литий с кислородом при нормальной температуре не реагирует. При нагревании литий сгорает с образованием белой окиси ${\ce {Li2O}}$ и лишь небольшого количества перекиси ${\ce {Li2O2}}$ , что отличает его от других щелочных металлов^[4].

${\ce {4Li + O2-> 2Li2O}}$

При сгорании в кислороде натрий, как типичный щелочной металл, дает перекись натрия ${\ce {Na2O2}}$ и небольшое количество окиси ${\ce {Na2O}}$ .

${\ce {2Na + O2->Na2O2}}$

В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды. При нагревании калий загорается с образованием надпероксида ${\ce {KO2}}$ и незначительного количества перекиси ${\ce {K2O2}}$ и окиси ${\ce {K2O}}$ . Рубидий на воздухе мгновенно покрывается серо-голубой пленкой смеси окислов ${\ce {Rb2O}}$ , ${\ce {Rb2O2}}$ , ${\ce {Rb2O4}}$ .

${\ce {K +O2 -> KO2}}$

${\ce {Rb + O2 -> RbO2}}$

${\ce {Cs + O2 -> CsO2}}$

Взаимодействие с неметаллами и сложными веществами

Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов^[1].

${\ce {2Na + H2 -> 2NaH}}$

Галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием соответственно галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов.

${\ce {2Na + Cl2 -> 2NaCl}}$

${\ce {2K + S -> K2S}}$

${\ce {6Li + N2 -> 2Li3N}}$

${\ce {2Li + 2C -> Li2C2}}$

Щелочные металлы могут взаимодействовать со многими органическими веществами — спиртами (с образованием алкоголятов) и кислотами (с образованием солей)

${\ce {2CH3CH2OH + 2Na -> CH3CH2ONa + H2 ^}}$

${\ce {2CH3COOH + 2Na -> 2CH3COONa + H2 ^}}$

Щелочные металлы способны растворяться в жидком аммиаке и его производных, аминах и амидах.

${\ce {2Na + 2NH3 -> 2NaNH2 + H2}}$

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

${\ce {KNH2 + H2O -> KOH + NH3 ^}}$

Качественное определение щелочных металлов

Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет^[1]:

**Окраска пламени щелочными металлами и их соединениями**
Щелочной металл	Цвет пламени
Литий	Карминно-красный
Натрий	Желтый
Калий	Фиолетовый
Рубидий	Буро-красный
Цезий	Фиолетово-красный

Получение щелочных металлов

Электролиз расплавов галогенидов

Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы^[4].

${\ce {2LiCl -> 2Li + Cl2 ^}}$

Электролиз расплавов гидроксидов

Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

${\ce {4 NaOH -> 4Na + 2H2O + O2 ^}}$

Применение щелочных металлов и их соединений

Мировое производство гидроксида натрия превышает 30 млн тонн в год, он используется для приготовления мыла, синтетических моющих средств, производства искусственного волокна, получения органических соединений, например фенола. Мировой объем производства соды достигает десятков миллионов тонн в год. Основной потребитель соды — стекольная промышленность — потребляет ежегодно около 10 млн тонн кальцинированной соды. Основными калийсодержащими соединениями, широко используемыми на практике, являются нитрат калия, необходимый для производства удобрений, и поташ ${\ce {K2CO3}}$ , используемый в производстве стекла и жидкого мыла^[1].

Молекула мыла
Сода
Поташ (K₂CO₃)

Натрий и калий — жизненно важные элементы. В тканях млекопитающих действует система транспорта ионов натрия или калия, называемая натриевый или калиевый насос, которая обеспечивает необходимое соотношение концентраций ионов натрия или калия во внеклеточном и внутриклеточном пространстве.

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001. — С. 528. — 743 с.
↑ ^2,0 ^2,1 Гринвуд Н. Н, Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ, 1997. — С. 74. — 607 с.
↑ Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. — М.: Академия, 2004. — С. 34. — 366 с.
↑ ^4,0 ^4,1 Ажажа В. М. , Гнедая И. Л. Щелочные металлы - получение, свойства, применение (рус.) // Вопросы атомной науки и техники : журнал. — 2006. — С. 185.

Ссылки

Щелочные металлы — получение, свойства, применение

[:1-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001. — С. 528. — 743 с.

[:0-2] 2,0 ^2,1 Гринвуд Н. Н, Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ, 1997. — С. 74. — 607 с.

[3] Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. — М.: Академия, 2004. — С. 34. — 366 с.

[:2-4] 4,0 ^4,1 Ажажа В. М. , Гнедая И. Л. Щелочные металлы - получение, свойства, применение (рус.) // Вопросы атомной науки и техники : журнал. — 2006. — С. 185.

[1]

[2]

[3]

[4]