Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Элементы группы IA

Элементы группы IA называют щелочными металлами, так как их гидроксиды МеОН (Me - Na, К, Са, Rb, Cs, Fr) - сильные основания или щелочи. Последний элемент группы - франций - наиболее труден для исследования среди элементов до урана, так как период полураспада его самого долгоживущего изотопа составляет лишь 21,8 мин.

Единственный электрон на внешнем энергетическом уровне щелочного металла слабо связан с атомом - у него низкая энергия ионизации. В группе

она уменьшается сверху вниз, и активность металлов в этом направлении возрастает. Атомы щелочных металлов легко переходят в положительно заряженные ионы Ме+ и в таком состоянии находятся в большинстве своих химических соединений.

задание 13.2. Приведите примеры химических соединений щелочных металлов и укажите степени окисления атомов.

Щелочные металлы, являясь первыми элементами периодов, имеют наибольшие радиусы как атомов, так и ионов (см. раздел 5.2.4). Поэтому в сложных веществах их катионы слабо влияют на состояние анионов, не вызывают в них существенной деформации и способствуют повышению их устойчивости. В результате щелочные металлы образуют большее число солей, чем другие металлы.

Из элементов группы IA особенно распространены в природе натрий и калий. Они встречаются в виде растворимых в воде солей: галит NaCl, сильвин КС1, сильвинит NaCl • КС1, мирабилит Na2S04 • 10Н2О и др. Натрий и калий содержатся также в силикатах. Эти минералы нерастворимы в воде, но ионы щелочных металлов постепенно освобождаются из них по мере разрушения минералов под действием воды, перепадов температуры и других внешних факторов. Остальные щелочные металлы считаются редкими элементами. Рубидий не образует своих минералов и встречается только как спутник калия. Это объясняется большим сходством атомов калия и рубидия.

Элементы натрий и калий необходимы для жизни. В живых организмах они находятся в виде солей, диссоциированных на ионы. Калий сосредоточен главным образом в клетках, а натрий - в межклеточных жидкостях. В организме человека содержится более чем по 100 г калия и натрия. Ионы К+ и Na+ участвуют в проведении нервных импульсов, мышечном сокращении, способствуют поддержанию постоянного объема воды в организме. Ионы натрия не проявляют токсического

действия, но значительное повышение содержания калия в крови может привести к остановке сердца.

Простые вещества элементов группы IA представляют собой серебристо-белые (цезий золотистый), блестящие, очень мягкие металлы с хорошей электрической проводимостью. Плотность лития, натрия и калия меньше плотности воды. Щелочные металлы легкоплавкие: натрий плавится при 98 °С, калий - при 64 °С. Сплав 22,8% натрия и 77,2% калия плавится при -12,3 "С. В некоторых случаях этот сплав используют вместо ртути.

Щелочные металлы получают электролизом расплавленных солей и гидроксидов:

При электролизе расплавленного гидроксида натрия поддерживается температура 350 °С. Катод из графита располагается в центре электролизера в железном цилиндре. Расплавленный натрий всплывает на поверхность электролита и собирается в этом цилиндре. Кислород выделяется на железных стенках электролизера, служащих анодом.

Расплавленные щелочные металлы заметно испаряются в вакууме. Это позволяет получать их из оксидов восстановлением менее активными металлами:

Данным методом можно осаждать тонкий слой щелочного металла на внутренней поверхности стеклянного устройства, например фотоэлемента.

Хранят щелочные металлы в закрытых стальных контейнерах без доступа воздуха и воды. Небольшие куски натрия изолируют от воздуха слоем керосина. Щелочные металлы пожароопасны, а тушение их водой недопустимо. При попадании воды на горящий металл пожар усиливается, так как горит выделяющийся водород.

Химические свойства.Щелочные металлы по химической активности можно сравнить с галогенами, учитывая при этом, что галогены - сильные окислители, а металлы - восстановители.

При нагревании натрий реагирует с водородом, а в атмосфере галогенов горит.

Блестящая поверхность натрия на воздухе за несколько секунд тускнеет вследствие реакции с кислородом. При этом фактически идут две реакции. Более быстро образуется пероксид натрия и медленнее - оксид натрия. Получается смесь, содержащая -90% Na202 и 10%Na2O.

При нагревании натрий реагирует также с серой, фосфором, углем:

Сазотом наиболее легко реагирует литий. Во влажном воздухе на его поверхности образуются одновременно оксид, гидроксид и нитрид.

Щелочные металлы реагируют с оксидами многих других элементов, восстанавливая металлы и неметаллы. Реакция натрия с водой идет очень бурно, выделяющийся водород загорается, натрий плавится и в виде шарика «катается» по поверхности воды.

При нагревании натрия с оксидом кремния до 1000 °Собразуется кремний. При более сильном нагревании натрий реагирует и со стеклом.

Реакции щелочных металлов с кислотами идут очень бурно, но практического значения не имеют, так как соли проще получать нейтрализацией гидроксидов.

Реакции с солями очень разнообразны. Щелочные металлы могут восстанавливать как другие металлы, так и различные элементы, входящие в состав остатков кислородных кислот:

Щелочные металлы реагируют и с некоторыми классами органических веществ. Реакция со спиртами идет аналогично реакции с водой, но значительно медленнее:

Продукт данной реакции называется этоксид натрия. Это более сильное основание, чем гидроксид. Реагируя с водой, он образует спирт и щелочь:

Соединения натрия и калия находят разнообразное практическое применение. Гидроксиды используют как сильные, хорошо растворимые основания. Они нейтрализуют кислоты, осаждают из растворов многие металлы в виде практически нерастворимых гидроксидов и способствуют гидролизу многих сложных веществ, например жиров и белков.

Соли щелочных металлов, как было отмечено выше, очень многочисленны. Почти все соли растворимы в воде. Особенно мало нерастворимых солей у натрия. Можно отметить, что гидрокарбонат натрия значительно менее растворим, чем карбонат натрия. Чаще наблюдается пониженная растворимость у солей калия. Например, растворимость КСЮ, составляет 1,8 г на 100 г воды (20 °С). Соответствующая соль натрия при той же температуре имеет растворимость 181 г на 100 г воды.

задание 13.4. Смешали по 100 г растворов NaCIO4 с массовой долей 4,05% и КС1 с массовой долей 2,5%. Рассчитайте массу образующегося осадка при 20 °С.

Натриевые соли с физиологически активными анионами (Nal, NazS04, NaBr, NaF, NaHCO3) широко используют в качестве лекарств, так как ионы натрия практически безвредны для организма даже в повышенных концентрациях. Ионы калия по химическим свойствам очень похожи на ионы натрия, но в организме ведут себя иначе. Они угнетающе действуют на сердечную деятельность. Прием препаратов калия строго дозируется.

Ионы щелочных металлов почти не участвуют ни в каких реакциях в растворах, кроме реакций осаждения малорастворимых солей (и то редко). В растворах они не могут менять степени окисления.

пример 13.2. Участвуют ли ионы натрия и калия в реакции

решение. Напишем уравнение реакции в полной и сокращенной ионной форме:

Очевидно, что ионы Na+ и К+ в данной реакции не участвуют.

Долгое время не были известны комплексные соединения с ионами щелочных металлов в качестве центральных атомов. Причина этого в слабости акцепторных свойств однозарядных катионов с большими радиусами. Поэтому значительным событием в химии явилось получение веществ, состоящих из кольцевых молекул, внутри которых могут помещаться и прочно удерживаться ионы калия и натрия. Примером такой молекулы может служить краун-эфир (рис. 13.1

Рис. 13.1. Комплекс иона калия с молекулой краун-эфира

Атомы кислорода в этом веществе, как всегда, имеют частичный отрицательный заряд, и ион К+ в дырке кольцевой молекулы удерживается притяжением всех атомов кислорода. При этом молекула краун-эфира складывается наподобие упаковочной резинки и дважды охватывает ион калия. Размер внутреннего пространства точно соответствует диаметру К+. Фактически ион калия здесь окружен атомами кислорода, как в оксиде калия или в водном растворе, где он гидратирован. В то же время наружная часть соединения образована атомами углерода и водорода, что делает его растворимым в углеводородах (подобное растворяется в подобном). Гидроксид калия и соли калия нерастворимы в жидких углеводородах и их смесях. Если же в жидкости предварительно растворен краун-эфир, то идет химическая реакция и вещество растворяется:

Разные кольцевые молекулы «различают» ионы Na+ и К+ по их размеру. В одних случаях прочнее связывается калий, в других - натрий. Открыты удивительные реакции натрия с некоторыми из таких молекул. Катион натрия помещается в полости молекулы, а электрон переходит к другому атому натрия, находящемуся снаружи:

Получается вещество с металлическим блеском, содержащее анион натрия. Такое состояние натрия кажется почти немыслимым. Однако у атома натрия имеется сродство к электрону, и такое соединение не противоречит законам физики.