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, Na_zS0₄, 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.