Щелочные металлы их свойства и применение. Интересно о щелочных металлах
Наиболее активными среди металлов являются щелочные металлы. Они активно вступают в реакции с простыми и сложными веществами.
Общие сведения
Щелочные металлы находятся в I группе периодической таблицы Менделеева. Это мягкие одновалентные металлы серо-серебристого цвета с небольшой температурой плавления и невысокой плотностью. Проявляют единственную степень окисления +1, являясь восстановителями. Электронная конфигурация - ns 1 .
Рис. 1. Натрий и литий.
Общая характеристика металлов I группы приведена в таблице.
|
Список щелочных металлов |
Формула |
Номер |
Период |
t° пл. , °C |
t° кип. , °C |
ρ, г/см 3 |
Активные металлы быстро реагируют с другими веществами, поэтому в природе находятся только в составе минералов.
Получение
Для получения чистого щелочного металла используется несколько способов:
- восстановление цезия из карбоната с помощью циркония -
2Cs 2 CO 3 + Zr → 4Cs + ZrO 2 + 2CO 2 .
электролиз расплавов, чаще всего хлоридов или гидроксидов -
2NaCl → 2Na + Cl 2 , 4NaOH → 4Na + 2H 2 O + O 2 ;
прокаливание соды (карбоната натрия) с углём для получения натрия -
Na 2 CO 3 + 2C → 2Na + 3CO;
восстановление кальцием рубидия из хлорида при высоких температурах -
2RbCl + Ca → 2Rb + CaCl 2 ;
Взаимодействие
Свойства щелочных металлов обусловлены их строением. Находясь в первой группе периодической таблицы, они имеют всего один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне. Единственный электрон легко переходит к атому окислителя, что способствует быстрому вступлению в реакцию.
Металлические свойства увеличиваются в таблице сверху вниз, поэтому литий расстаётся с валентным электроном труднее, чем франций. Литий - наиболее твёрдый элемент среди всех щелочных металлов. Реакция лития с кислородом проходит только под воздействием высокой температуры. С водой литий реагирует значительно медленнее, чем остальные металлы группы.
Общие химические свойства представлены в таблице.
|
Реакция |
Продукты |
Уравнение |
|
С кислородом |
Оксид (R 2 O) образует только литий. Натрий образует смесь оксида и пероксида (R 2 O 2). Остальные металлы образуют надпероксиды (RO 2) |
4Li + O 2 → 2Li 2 O; 6Na + 2O 2 → 2Na 2 O + Na 2 O 2 ; K + O 2 → KO 2 |
|
С водородом |
2Na + H 2 → 2NaH |
|
|
Гидроксиды |
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 |
|
|
С кислотами |
2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2- |
|
|
С галогенами |
Галогениды |
2Li + Cl 2 → 2LiCl |
|
С азотом (реагирует только литий при комнатной температуре) |
6Li + N 2 → 2Li 3 N |
|
|
Сульфиды |
2Na + S → Na 2 S |
|
|
С углеродом (реагируют только литий и натрий) |
2Li + 2C → Li 2 C 2 ; 2Na + 2C → Na 2 C 2 |
|
|
С фосфором |
3K + P → K 3 P |
|
|
С кремнием |
Силициды |
4Cs + Si → Cs 4 Si |
|
С аммиаком |
2Li + 2NH 3 → 2LiNH 2 + H 2 |
При качественной реакции имеют разный цвет пламени. Литий горит малиновым, натрий - жёлтым, цезий - розово-фиолетовым пламенем. Оксиды щелочных металлов также имеют разный цвет. Натрий становится белым, рубидий и калий - жёлтыми.
Рис. 2. Качественная реакция щелочных металлов.
Применение
Простые металлы и их соединения используются для изготовления лёгких сплавов, металлических деталей, удобрений, соды и других веществ. Рубидий и калий используются в качестве катализаторов. Пары натрия применяются в люминесцентных лампах. Не имеет практического применения только франций из-за радиоактивных свойств. Как используют элементы I группы кратко описано в таблице применения щелочных металлов.
|
Область применения |
Применение |
|
Химическая промышленность |
Натрий ускоряет реакцию при производстве каучука; Гидроксид калия и натрия - производство мыла; Карбонат натрия и калия - изготовление стекла, мыла; Гидроксид натрия - изготовление бумаги, мыла, ткани; Нитрат калия - производство удобрений |
|
Пищевая промышленность |
Хлорид натрия - поваренная соль; Гидрокарбонат натрия - питьевая сода |
|
Металлургия |
Калий и натрий являются восстановителями при получении титана, циркония, урана |
|
Энергетика |
Расплавы калия и натрия используются в атомных реакторах и авиационных двигателях; Литий используется для производства аккумуляторов |
|
Электроника |
Цезий - производство фотоэлементов |
|
Авиация и космонавтика |
Сплавы из алюминия и лития используются для корпусов машин и ракет |
Рис. 3. Питьевая сода.
Что мы узнали?
Из урока 9 класса узнали об особенностях щелочных металлов. Они находятся в I группе таблицы Менделеева и при реакциях отдают один валентный электрон. Это мягкие металлы, легко вступающие в химические реакции с простыми и сложными веществами - галогенами, неметаллами, кислотами, водой. В природе встречаются только в составе других веществ, поэтому для их извлечения используется электролиз или реакция восстановления. Применяются в промышленности, строительстве, металлургии, энергетике.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 91.
Щелочные металлы - франций, цезий, рубидий, калий, натрий, литий - называются так из-за того, что образуют щелочи при взаимодействии с водой. Из-за высокой способности вступать в реакцию эти элементы следует хранить под слоем минерального масла или керосина. Самым активным из всех указанных веществ считается франций (обладает радиоактивностью).
Щелочные металлы - вещества мягкие, серебристого цвета. Свежесрезанная поверхность их обладает характерным блеском. Щелочные металлы кипят и плавятся при низких температурах, обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Они имеют также небольшую плотность.
Химические свойства щелочных металлов
Вещества являются сильными восстановителями, проявляют в соединениях степень окисления (единственную) +1. С увеличением атомной массы щелочных металлов увеличивается и восстановительная способность. Практически все соединения растворимы в воде, все они носят ионный характер.
При умеренном нагревании щелочные металлы воспламеняются на воздухе. В соединении с водородом вещества формируют солеобразные гидриды. Продуктами сгорания, как правило, являются пероксиды.
Оксидами металлов щелочных являются твердые вещества желтого (оксиды рубидия и калия), белого и лития), и оранжевого (цезия оксид) цветов. Указанные оксиды способны реагировать с водой, кислотами, кислородом, кислотными и амфотерными оксидами. Эти основные свойства присущи им всем и носят ярко выраженный характер.
Пероксиды металлов щелочных - порошки желтовато-белого цвета. Они способны вступать в реакцию с углекислыми и угарными газами, кислотами, неметаллами, водой.
Гидроксиды металлов щелочных представляют собой растворимые в воде твердые вещества белого цвета. В этих соединениях проявляются (достаточно ярко) основные свойства щелочей. От лития к францию сила оснований и степень растворимости в воде увеличиваются. Гидроксиды считаются достаточно сильными электролитами. Они вступают в реакцию с солями, и оксидами, отдельными неметаллами, За исключением соединения с литием все остальные проявляют термическую устойчивость. При прокаливании происходит его разложение на воду и оксид. Получаются указанные соединения при помощи электролиза хлоридных водных растворов, ряда обменных реакций. Гидроксиды получают также при взаимодействии элементов (или оксидов) с водой.
Практически все соли описываемых металлов (за исключением отдельных солей лития) в воде растворимы хорошо. Образованные слабыми кислотами, растворы солей имеют реакцию среды (щелочную) в связи с гидролизом, образованные же сильными кислотами соли не гидролизуются. Распространенными солями являются каменная силикатный клей (растворимое стекло), бертолетова соль, марганцовка, сода питьевая, кальцинированная сода и прочие.
Все соединения щелочных металлов обладают способностью изменять цвет пламени. Это применяют в химическом анализе. Так, пламя в окрашивается ионами лития, в фиолетовый - ионами калия, в желтый - натрия, беловато-розовый - рубидия, фиолетово-красный - цезия.
В связи с тем, что все щелочные элементы являются самыми сильными восстановителями, получить их можно путем электролиза расплавов солей.
Применение щелочных металлов
Элементы используются в разных сферах деятельности человека. Например, цезий используется в фотоэлементах. В подшипниковых сплавах в качестве катализатора применяется литий. Натрий присутствует в газоразрядных лампах, ядерных реакторах как теплоноситель. В научно-исследовательской деятельности применяется рубидий.
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
Относятся к числу s-элементов. Электрон внешнего электронного слоя атома щелочного металла по сравнению с другими элементами того же периода наиболее удален от ядра, т. е. радиус атома щелочного металла наибольший по сравнению с радиусами атомов других элементов того же периода. В связи
|
Элемент |
Заряд ядра |
Число электронов на энергетических уровнях |
Радиус атома |
||||||
|
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
|||
|
1,57 1,86 2,36 2,43 2,62 |
|||||||||
с этим валентный электрон внешнего слоя атомов щелочных металлов легко отрывается, превращая их в положительные однозарядные ионы. Этим обусловлено , что соединения щелочных металлов с другими элементами построены по типу ионной связи.
В окислительно-восстановительных реакциях щелочные ведут себя как сильные восстановители, и эта способность возрастает от металла к металлу с увеличением заряда ядра атома.
Среди металлов щелочные металлы проявляют наиболее высокую химическую активность. В ряду напряжений все щелочные металлы располагаются в начале ряда. Электрон внешнего электронного слоя является единственным валентным электроном, поэтому щелочные металлы в любых соединениях одновалентны. Степень окисления щелочных металлов обычно +1.
Физические свойства щелочных металлов приведены в табл. 19.
|
Элемент |
Порядковый номер |
Атомный вес |
Температура плавления, °С |
Температура кипения, °С |
Плотность, г/смЗ |
Твердость по шкале |
|
6,94 22,997 39,1 85,48 132,91 |
38,5 |
1336 |
0,53 0,97 0,86 1,53 |
Типичными представителями щелочных металлов являются натрий и калий.
■ 26. Составьте общую характеристику щелочных металлов по следующему плану:
а) сходство и различие в строении атомов щелочных металлов;
б) особенности поведения щелочных металлов в окислительно-восстановительных реакциях;
в) тип кристаллической решетки в соединениях щелочных металлов;
г) особенности изменения физических свойств металлов в зависимости от радиуса атома.
Натрий
Электронная конфигурация атома натрия ls 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Структура его внешнего слоя:
Натрий встречается в природе только в виде солей. Наиболее распространенной солью натрия является поваренная соль NaCl, а также минерал сильвинит КCl · NaCl и некоторые сернокислые соли, например глауберова соль Na2SO4 · 10H2O, встречающаяся в больших количествах в заливе Каспийского моря Кара-Богаз-Гол.
Из поваренной соли NaCl металлический натрий получают путем электролиза расплава этой соли. Установка для электролиза изображена на рис. 76. В расплавленную соль опускают электроды. Анодное и катодное пространство разделено диафрагмой, которая изолирует образующийся от натрия, чтобы не произошло обратной реакции. Положительный ион натрия принимает с катода электрон и превращается в нейтральный атом натрия. Нейтральные атомы натрия собираются на катоде в виде расплавленного металла. Происходящий на катоде процесс можно изобразить следующей схемой:
Na + + Na 0 .
Поскольку на катоде происходит принятие электронов, а всякое принятие электронов атомом или ионом является восстановлением, ионы натрия на катоде восстанавливаются. На аноде ионы хлора отдают электроны, т. е. происходит процесс окисления и выделение свободного
газообразного хлора, что можно изобразить следующей схемой:
Cl — — е — → Cl 0
Полученный металлический натрий имеет серебристо-белый цвет, легко режется ножом. Срез у натрия, если его рассмотреть сразу после разреза, имеет яркий металлический блеск, но быстро тускнеет вследствие крайне быстрого окисления металла.
Рис. 76. Схема установки для электролиза расплава поваренной соли. 1 - кольцевой катод; 2 - колокол для выведения газообразного хлора из анодного пространства
Если натрий окислять в небольшом количестве кислорода при температуре около 180°, получается окись натрия:
4Na + О2 = 2Na2O.
При горении в кислороде получается перекись натрия:
2Na + O2 = Na2O2.
При этом натрий сгорает ослепительно желтым пламенем.
В связи с легкой и быстрой окисляемостью натрия его хранят под слоем керосина или парафина, причем предпочтительнее, так как в керосине все же растворяется некоторое количество воздуха и окисление натрия хотя и медленно, но все же происходит.
Натрий может давать соединение с водородом - гидрид NaH, в котором проявляет степень окисления - 1. Это солеподобное соединение, которое по характеру химической связи и величине степени окисления отличается от летучих гидридов элементов главных подгрупп IV-VII группы.
Металлический натрий может реагировать не только с кислородом и водородом, но и с многими простыми и сложными веществами. Например, при растирании в ступке с серой натрий бурно реагирует с ней, образуя :
2Na + S = Na2S
Реакция сопровождается вспышками, поэтому ступку нужно держать подальше от глаз и обернуть руку полотенцем. Для реакции следует брать небольшие кусочки натрия.
Натрий энергично сгорает в хлоре с образованием хлорида натрия, что особенно хорошо наблюдать в хлор-кальциевой трубке, в которой через расплавленный и сильно разогретый натрий пропускают ток хлора:
2Na + Сl2 = 2NaCl
Натрий реагирует не только с простыми, но и со сложными веществами, например с водой, вытесняя из нее , так как является весьма активным металлом, в ряду напряжений стоит намного левее водорода и легко вытесняет последний из воды:
2Na + 2Н2O = 2NaOH + H2
Загоревшийся щелочной металл нельзя тушить водой. Лучше всего засыпать его порошком кальцинированной соды. В присутствии натрия бесцветное пламя газовой горелки окрашивается в желтый цвет.
Металлический натрий можно использовать как катализатор в органическом синтезе, например при производстве синтетического каучука из бутадиена. Он служит исходным веществом для получения других соединений натрия, например перекиси натрия.
■ 27. Докажите с помощью приведенных в тексте уравнений реакций с участием металлического натрия, что он ведет себя как восстановитель.
28. Почему натрий нельзя хранить на воздухе?
29. Ученик опустил в раствор сульфата меди кусочек натрия, надеясь вытеснить из соли металлическую . Вместо металла красного цвета получился студенистый голубой осадок. Опишите происшедшие реакции и напишите их уравнения в молекулярной и ионной формах. Как следовало изменить условия реакции, чтобы реакция привела к желаемому результату? Уравнения напишите в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.
30. В сосуд с 45 мл воды поместили 2,3 г металлического натрия. Какова едкого натра, образовавшегося по окончании реакции.
31. Какие средства можно применять при тушении загоревшегося натрия? Дайте обоснованный ответ.
Кислородные соединения натрия. Едкий натр
Кислородными соединениями натрия, как уже было сказано, являются окись натрия Na2O и перекись натрия Na2O2.
Окись натрия Na2O особого значения не имеет. Она энергично реагирует с водой, образуя едкий натр:
Na2O + Н2O = 2NaOH
Перекись натрия Na202 - желтоватый порошок. Ее можно рассматривать как своеобразную соль перекиси водорода, ибо структура ее такая же, как у Н2O2. Как и , перекись натрия является сильнейшим окислителем. При действии воды она образует щелочь и :
Na2O2 + Н2O = Н2O2 + 2NaOH
образуется и при действии разбавленных кислот на перекись натрия:
Na2O2 + H2SO4 = Н2O2 + Na2SO4
Все указанные выше свойства перекиси натрия позволяют использовать ее для отбелки все возможных материалов.
Рис. 77. Схема установки для электролиза раствора поваренной соли. 1 - анод; 2 - диафрагма, разделяющее анодное и катодное пространство; 3 -катод
Очень важным соединением натрия является гидроокись натрия, или едкий натр, NaOH. Его называют также каустической содой, или просто каустиком.
Для получения едкого натра используют поваренную соль - наиболее дешевое природное соединение натрия, подвергая ее электролизу, но в этом случае применяют не расплав, а раствор соли (рис. 77). Описание процесса электролиза раствора поваренной соли см. § 33. На рис. 77 показано, что анодное и катодное пространство разделено диафрагмой. Это сделано с той целью, чтобы образующиеся продукты не вступали между собой во взаимодействие, например Сl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + Н2O.
Едкий натр - твердое кристаллическое вещество белого цвета, прекрасно растворимое в воде. При растворении едкого натра в воде выделяется большое количество тепла и раствор сильно разогревается. Едкий натр необходимо хранить в хорошо закупоренных сосудах, чтобы предохранить его от проникновения водяных паров, под действием которых он может сильно увлажниться, а также двуокиси углерода, под действием которой едкий натр может постепенно превратиться в карбонат натрия:
2NaOH + СO2 = Na2CO3+ Н2O.
Едкий натр-типичная щелочь, поэтому меры предосторожности при работе с ним такие же, как и при работе с любыми другими щелочами.
Едкий натр применяется во многих отраслях промышленности, например для очистки нефтепродуктов, производства мыла из жиров, в бумажной промышленности, в производстве искусственного волокна и красителей, производстве медикаментов и др. (рис. 78).
Запишите в тетрадь области применения едкого натра.
Из солей натрия следует отметить в первую очередь поваренную соль NaCl, которая служит основным сырьем для получения едкого натра и металлического натрия (подробно об этой соли см. стр. 164), соду Na2CO3 (см. стр. 278), Na2SO4 (см. стр. 224), NaNO3 (см. стр. 250) и др.
Рис. 78. Применение едкого натра
■ 32. Опишите способ получения едкого натра электролизом поваренной соли.
33. Едкий натр можно получить действием на карбонат натрия гашеной известью. Составьте молекулярную и ионные формы уравнения этой реакции, а также рассчитайте, сколько соды, содержащей 95% карбоната, потребуется для получения 40 кг едкого натра.
34. Почему при хранении раствора едкого натра в склянках с притертыми пробками пробки «заедают» и их нельзя вынуть? Если же в течение некоторого срока подержать склянку опрокинутой в воду, то пробка свободно вынимается. Объясните, приведя уравнения реакций, что за процессы имеют место в данном случае.
35. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионных формах, характеризующих свойства едкого натра как типичной щелочи.
36. Какие меры предосторожности следует соблюдать при работе с едким натром? Какие меры первой помощи следует оказать при ожогах едким натром?
Калий
Калий К - также довольно распространенный щелочной металл, отличающийся от натрия величиной атомного радиуса (четвертый период) и потому обладающий большей химической активностью, чем натрий. Электронная конфигурация атома калия 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .
Структура его внешнего электронного слоя
Калий - мягкий металл, который хорошо режется ножом. Во избежание окисления его, как и натрий, хранят под слоем керосина.
С водой калий реагирует еще более бурно, чем натрий, с образованием щелочи и с выделением водорода, который загорается:
2К + 2Н2O = 2КОН + Н2.
При сжигании в кислороде (при этом для сжигания рекомендуется брать еще более мелкие кусочки металла, чем для сжигания натрия) он, подобно натрию, сгорает очень энергично с образованием перекиси калия.
Следует отметить, что в обращении калий гораздо опаснее натрия. Сильный взрыв может произойти даже при разрезании калия, поэтому обращаться с ним нужно еще осторожнее.
Гидроокись калия, или едкое кали КОН - белое кристаллическое вещество. Едкое кали во всех отношениях сходно с едким натром. Они широко применяются в мыловаренной промышленности, но его получение обходится несколько дороже, поэтому такого применения, как NaOH, оно не находит.
Соли калия следует отметить особо, так как некоторые из них широко используются в качестве удобрения. Таковы хлорид калия КСl, нитрат калия KNO3, который является также азотным удобрением.
■ 37. Чем объяснить то, что едкое кали химически активнее едкого натра?
38. В кристаллизатор с водой опустили кусочек калия. После того как реакция закончилась, туда же поместили немного цинка в виде белого студенистого осадка. Осадок исчез, а при испытании раствора фенолфталеином последний окрасился в малиновый цвет. Какие химические процессы здесь произошли?
Какие 34
Хим. элементы (щелочные элементы), составляющие гл. подгруппу 1 группы периодич. системы элементов, а также отвечающие им простые вещества металлы. К Щ. м. относятся литий Li (ат. номер 3), натрий Na (11), калий К (19), рубидий Rb (37), це … Физическая энциклопедия
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ, одновалентные металлы, составляющие первую группу периодической таблицы: литий, НАТРИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ и ФРАНЦИЙ. Это мягкие серебристо белые металлы, которые быстро окисляются на воздухе и дают бурную реакцию с водой, при… … Научно-технический энциклопедический словарь
Щелочные металлы - ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Мягкие металлы, легко режутся (кроме Li), Rb, Cs и Fr почти пастообразны при обычных условиях; Li самый лёгкий из всех металлов, Na и K легче воды. Химически очень… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - химические элементы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Название от щелочей гидроксидов щелочных металлов … Большой Энциклопедический словарь
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с … Российская энциклопедия по охране труда
щелочные металлы - Группа, включ. Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Тематики металлургия в целом EN alkali metals … Справочник технического переводчика
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ПОДГРУППА IА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром. С каждого… … Энциклопедия Кольера
Щелочные металлы - Alkali metals Щелочные металлы. Металлы первой группы Периодической системы, а именно: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Они образуют строго щелочные гидроксиды, отсюда и их название. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под… … Словарь металлургических терминов
Щелочные металлы Энциклопедический словарь по металлургии
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - химические элементы Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Названы так потому, что их гидрооксиды наиболее сильные щелочи. Химически щелочные металлы наиболее активные металлы. Их активность возрастает от Li к Fr … Металлургический словарь
Книги
- Комплект таблиц. Химия. Металлы (12 таблиц) , . Учебный альбом из 12 листов. Арт. 5-8683-012 Щелочные металлы. Химия щелочных металлов. Элементы II А - группы. Жесткость воды. Алюминий. Применение алюминия. Железо. Виды коррозии. Методы…