Лекция № 25. Элементы IA-подгруппы (щелочные металлы)
Элементы IIA-подгруппы: литий - Li, натрий - Na, калий - K, рубидий - Rb, цезий - Cs и радиоактивный франций часто называют щелочными металлами. Общая формула ns1 обуславливает проявление щелочными металлами степени окисления +1.
Увеличение эффективного радиуса и уменьшение энергии ионизации в ряду литий ® цезий сопровождается заметным увеличением активности металлов. Небольшой радиус атома лития вызывает довольно сильные отличия данного элемента от остальных щелочных металлов, что в первую очередь проявляется в склонности к образованию ковалентных связей. Для натрия и особенно элементов подгруппы калия образование ковалентных связей нетипично. Малый размер и большая энергия гидратации катиона лития приводит к нарушению ожидаемой последовательности расположения щелочных металлов в ряду стандартных электродных потенциалов (литий стоит в нем первым). Нарушается ожидаемая последовательность активности щелочных металлов и в расплавах, в которых натрий более активен, что связано с образованием его ионом более прочных кристаллических решеток:
t
KOH + Na = NaOH + K
Литий, натрий, калий и рубидий - серебристо-белые металлы, цезий золотисто-желтого цвета. На воздухе поверхность лития, натрия и калия очень быстро тускнеет, рубидий и цезий самопроизвольно воспламеняются. Литий, натрий и калий хранят под слоем вазелина или вазелинового масла, рубидий и цезий хранят в запаянных ампулах. Металлы очень легкие и легкоплавкие, имеют довольно большой диапазон жидкого состояния. Щелочные металлы очень мягкие, натрий и калий легко режутся ножом.
Свойства | Li | Na | K | Rb | Cs |
Плотность, г/см3 | 0,53 | 0,97 | 0,86 | 1,53 | 1,90 |
Т.пл., ° С | |||||
Т.кип., ° С | |||||
Кларк, мол.% | 0,02 | 2,4 | 1,4 | 7×10-3 | 1×10-8 |
Литий, натрий и калий весьма распространены в природе, образуют много самостоятельных минералов: LiAl(SiO3)2 - сподумен, LiAl(PO4)F - амблигонит, NaCl галит (каменная или поваренная соль), Na2SO4×10H2O - мирабилит, KCl - сильвин, NaCl×KCl - сильвинит, KCl×MgCl2×6H2O - карналлит, КCl×MgSO4×3H2O - каинит. Рубидий и цезий самостоятельных минералов не образуют, встречаются в виде примесей в минералах калия.
Литий и натрий получают электролизом ионных расплавов. Калий обычно получают восстановлением расплавов его соединений натрием или магнием.
Литий применяется в качестве легирующей добавки (придает сплавам твердость и пластичность). Натрий используется как теплоноситель в ядерных реакторах и восстановитель в металлотермии, а также как катализатор процессов полимеризации диенов. В лабораториях натрий широко используется для осушки газов и органических растворителей. Калий используется в промышленности как восстановитель и теплоноситель (в основном в виде жидкого сплава с натрием). Рубидий и цезий в основном применяются для изготовления фотоэлементов.
Химические свойства. Очень активные металлы, реагируют со всеми неметаллами, кроме инертных газов. Состав продуктов окисления кислородом зависит от природы металла. Литий образует оксид, натрий и калий - перекисные соединения:
4Li + O2 = 2Li2O; 2Na + O2 = Na2O2; K + O2 = KO2
пероксид натрия супероксид калия
С водой реагируют очень энергично, калий - со взрывом:
2K + 2H2O = 2KOH + H2
Растворимы в аммиаке, с которым реагируют в присутствии катализатора:
2Na + 2NH3 = 2NaNH2 + H2
Растворимы в ртути, образуя амальгамы, которые медленно разлагаются водой и используются в качестве мягкого восстановителя. Активно реагируют с оксидами, отбирая у них кислород, горят в атмосфере оксида углерода(IV):
t t
4Na + SiO2 = 2Na2O + Si; 4Li + CO2 = 2Li2O + C
Важнейшие соединения: гидриды, оксиды, гидроксиды и соли. Гидриды получают нагреванием щелочного металла в атмосфере водорода:
t
2Na + H2 = 2NaH
Представляют собой бесцветные, солеподобные вещества, легко разлагаются водой, эффективные восстановители.
Оксиды - белые кристаллические вещества, энергично растворяющиеся в воде с образованием щелочей:
Na2O + H2O = 2NaOH
Пероксиды щелочных металлов термически неустойчивы, при нагревании разлагаются:
t
2Na2O2 = 2Na2O + O2
Реагируют с водой и диоксидом углерода:
Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2
Последняя реакция используется для регенерации воздуха.
Гидроксиды щелочных металлов получают взаимодействием их оксидов с водой, электролизом водных растворов хлоридов или взаимодействием карбонатов с известковым молоком (суспензией гидроксида кальция в воде):
Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3¯ + 2NaOH
Гидроксиды хорошо растворимы в воде, сильные основания, термически устойчивы, возгоняются без разложения. Исключение составляет гидроксид лития:
t
2LiOH = Li2O + H2O
Щелочные металлы образуют соли со всеми известными кислотами. Соли щелочных металлов, за исключением солей лития, обычно хорошо растворимы в воде. Малорастворимыми солями лития являются: фосфат, карбонат, фторид. Малорастворимы в воде Na[Sb(OH)6], KClO4, K2[PtCl6], RbClO4, CsClO4.
Соли щелочных металлов окрашивают пламя в характерные цвета: литий - в карминово-красный, натрий - в желтый, калий - в фиолетовый.
Гидроксид лития используется как электролит для щелочных аккумуляторов. Некоторые соли лития используют в медицине для растворения мочевой кислоты при подагре и как психотропные препараты.
Гидроксид натрия используется при производстве целлюлозы, мыла, очистке растительного масла и нефти. Хлорид натрия широко используется как консервант и вкусовая добавка. Нитрат натрия (натриевая селитра) - азотное удобрение. В организме животных и человека катионы натрия играют важную роль (натрий-калиевый насос) и находятся преимущественно во внеклеточных жидкостях.
Гидроксид калия применяется при производстве жидкого мыла, очистке и осушке газов и растворителей. Хлорид, нитрат, карбонат и сульфат калия используют в качестве калийных удобрений. Катионы калия играют важную роль для растений. Они активируют синтез органических веществ, особенно углеводов, и обеспечивают тургор. При недостатке соединений калия растения медленно растут, листья желтеют по краям, становятся тонкими и непрочными, семена теряют всхожесть. В организме животных катионы калия находятся преимущественно в крови и протоплазме клеток; играют важную роль, обеспечивая проводимость нервного импульса, регулируют работу ферментов.
Соли рубидия - снотворные и болеутоляющие препараты, применяются при лечении некоторых форм эпилепсии.
Литература: [1] с. 543 - 551, [2] с. 486 - 489, [3] с. 461 - 470