Металлы IA группы

При сгорании щелочных металлов в избытка кислорода образуются соединения следующего состава: Li2О, Na2O2, К2О, Rb2О, Cs2О (рубидий и цезий бурно взаимодействуют с кислородом самовоспламеняясь при этом ). Это твердые вещества. Например, горение лития: 4Li + О2 = 2 Li2О.

Важно! Пероксид натрия – очень сильный окислитель, его получают в процессе сжигания натрия на воздухе или в кислороде:

0

2Na О2 350 С Na2O2 .

Это вещество применяется для отбеливания тканей, используется для регенерации воздуха в изолированных помещениях:

2Na2O2 + 2СО2 = 2Na2 СO3 + О2.

Надперекись или супероксид натрия NaO2 получается как примесное соединение в процессе получения пероксида натрия.

Для предотвращения окисления металлы хранят под слоем керосина, так как на воздухе поверхность металлов покрывается оксидной пленкой.

Взаимодействие с водородом.

Восстановительные свойства щелочных металлов выражены настолько

сильно, что при их нагревании в атмосфере водорода образуются солеподобные твердые гидриды, общая формула которых МеН. Например, 2Na + Н2 =

2NaН. Гидриды металлов – ионные соединения, структура которых подобна структуре хлорида натрия. Эти соединения неустойчивы к по отношению влажному воздуху:

NaН (тв.) + Н2О (ж.)	→	NaOН (водн.)	+ Н2 (г.). Такие реакции
показывают, что гидрид-ион (Н-) представляет собой сильное основание.
Комплексные гидриды -		соединения,	содержащие гидрид-ионы,

координированные с ионами металла. Важнейшие из них – тетрагидроалюминат лития Li[АlН4] и тетрагидроборат натрия Na[ВН4]. Эти соединения используются в органическом синтезе.

Взаимодействие с галогенами.

При наличии следов влаги щелочные металлы воспламеняются в атмосфере

11

хлора (Cl2) (Опасно!). Взаимодействие К, Rb, Cs с жидким бромом (Br2)

сопровождается взрывом; Li и Na реагируют только поверхностно. С иодом (I2)

реакции протекают аналогично, но с меньшей энергией. Во всех случаях продуктом реакции является соль МеГ. Например:

Li + Cl2 = LiCl. Галогениды щелочных металлов имеют ярко выраженный ионный характер. Такие соединения представлены ионными

кристаллическими решетками, они тугоплавки и хорошо растворимы в воде,

исключением является фторид лития. Наибольшее практическое значение имеет хлорид натрия NaCl.

При растворении в воде галогенидов щелочных металлов, кроме

фторидов, получаются нейтральные растворы. В этом случае с водой

взаимодействуют соли образованные сильными основанием и кислотой

(хлориды, бромиды, иодиды щелочных металлов), а такие соединения гидролизу не подвергаются:

NaCl + Н2О ↔ NaOН + НCl

Na + + Cl- + Н2О ↔ Na+			+ OН- + Н+ + Cl-
Н2О ↔	OН- +	Н+ , среда нейтральная рН = 7
Взаимодействие с серой щелочных металлов протекает бурно (Опасно!)
согласно схеме:		Ме + S =	Ме2S.
С	азотом	и углеродом	непосредственно соединяется только литий.

Реакция образования нитрида лития идет медленно в атмосфере азота при

комнатной температуре:			6Li (тв.) + N2 (г.)		=	2 Li3N (тв.).	Карбид
лития получают из элементов только при нагревании:						2 Li (тв.) +	2С (тв.)
=	Li2С2	(тв.). И нитриды,		и карбиды гидролизуются водой с образованием
гидроксида:
Li3N (тв.) + 3Н2О (ж.) =			3 LiОН (водн.) + NН3 (г.);
Li2С2	(тв.)	+ 2Н2О (ж.)	=	2 LiОН (водн.)	+ С2Н2 (г.).

3.2.Реакции со сложными веществам [1,2,4]

12

Рассматриваемые	s-металлы	бурно	взаимодействуют с	водой с
выделением водорода:	2 Ме +	2Н2О	= 2МеОН + Н2.	Реакционная

способность щелочных металлов по отношению к воде возрастает с увеличением радиуса атома металла (см. табл. 5). Только литий реагирует с водой относительно медленно, остальные щелочные металлы – очень бурно со взрывом (Опасно!).

Гидроксиды щелочных металлов бесцветные, разъедающие большинство соприкасающихся с ними материалов. Поэтому эти вещества часто называют – едкие щелочи. Практически все они легкоплавки и летучи без разложения.

Щелочи – очень гигроскопичные вещества и поглощают влагу на воздухе,

благодаря этому они служат осушителями газов. Кроме того, едкие щелочи поглощают из воздуха диоксид углерода, превращаясь в соответствующие

карбонаты:

NaOН + СО2 = NaНСО3; 2NaOН + СО2 = Na2СО3 + Н2О. Принимая во внимание вышесказанное понятно, что хранить щелочи надо в герметически закрытых емкостях.

Гидроксид натрия (каустик, каустическая сода) получают в больших количествах – так как он является важнейшим продуктом химической промышленности. Он используется для очистки нефтяных продуктов,

производства мыла, искусственного шелка, бумаги и т. д. Гидроксид калия

(едкое кали) применяется реже, так как является более дорогим продуктом. Его используют в производстве жидкого мыла, осушки газов, в качестве поглотителя СО2. Получают NaOН и КОН электролизом концентрированных

растворов NaCl и КCl.
С кислотами	все	щелочные металлы		взаимодействуют	со	взрывом
(Опасно!) по схеме:	Ме	+ Н+ = Ме+	+ Н2. Взаимодействие с кислотами
приводит к их восстановлению до низшей степени окисления:
8 Na + 4H2SO4 = Na2S + 3 Na2SO4			+ 4 Н2О,
здесь S+6 (высшая степень окисления серы)				превращается в	S-2	(низшая
		13

степень окисления серы).

Сульфаты щелочных металлов (Ме2SO4 ) хорошо растворимы в воде,

термически устойчивы.

Нитраты щелочных металлов (МеNО3) легкоплавки и хорошо растворимы в воде. Практическое значение имеют Na NО3 и К NО3 в качестве минеральных удобрений. При сильном нагревании нитратов щелочных металлов получаются их нитриты (МеNО2):

2 Na NО3 (тв.) → 2 Na NО2 (тв.) + О2 (г.).

Исключение представляет собой нитрат лития:

4 Li NО3 (тв.) → 2Li2О (тв.) + NО2 (г.) + О2 (г.).

Карбонаты щелочных металлов (Ме2СО3), исключая Li2 СО3 , хорошо растворимы в воде и устойчивы к нагреванию. Карбонат лития разлагается при

термообработке:

Li2 СО3 (тв.) → Li2О (тв.) + СО2 (г.).

Так как угольная кислота двухосновна (Н2 СО3), она образует со щелочными металлами наряду со средними солями (см. карбонаты) еще и кислые соли – гидрокарбонаты. Гидрокарбонаты – результат замещения одного атома водорода в угольной кислоте. Литий не образует твердого

гидрокарбоната, хотя в растворе он существует. Прочие щелочные металлы

образуют твердые кислые соли Н2 СО3, которые разлагаются при температурах от 100 до 300 0С:

2 Na НСО3 (тв.) → Na2 СО3 (тв.) + Н2О (г.) + СО2 (г.).

Практическое применение находит Na НСО3 - гидрокарбонат натрия (питьевая сода), который используется в пищевой промышленности, медицине.

Реакции с аммиаком возможны для металлов 1 группы или при нагревании в парах аммиака или при взаимодействии с жидким аммиаком, при

этом образуются ионные амиды, например: Na (тв.)	+ NН3 (ж.) →
NaNН2 (тв.) + ½ Н2 (г.).

14

4. Области применения

Атомная энергетика, металлургия, органический синтез и др.

В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. Этот сплав находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплопередачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах.

В металлургии натрийтермическим методом получают ряд тугоплавких металлов. Натрий в небольших количествах упрочняет свинцовые сплавы.

Щелочные металлы и натрий в их числе используются в качестве катализатора при синтезе органических полимеров, синтезе Вюрца и т.д.

Щелочные металлы, особенно цезий и рубидий использовались для изготовления фотоэлементов т.к. под действием ультрафиолетовых лучей из атомов этих элементов выбиваются электроны с интенсивностью потока пропорциональной интенсивности поглощаемого света. Фотоэлементы широко используются в автоматике, сигнализации, изготовлении солнечных батарей и т.д.

Легирующая добавка лития к алюминиевым сплавам улучшает их прочность и коррозионную стойкость, а к меди – электропроводность.

Литий активно используется в качестве анодного материала химических источников тока, которые используются в электронной и другой слаботоковой аппаратуре. Достоинством таких ХИТ является высокая удельная энергия.

Натрий входит в состав различных стекол. Основные исходные вещества стекольного производства являются сода, известняк и песок:

Na2СО3 + Са СО3 + 6SiО2 = 2 СО2 + Na2О∙СаО∙6SiО2. Кристаллизация стекол в определенных условиях позволяет получать ситаллы

– материалы характеризующиеся равномерной тонкозернистой структурой

15

образующихся кристаллов, спаянных друг с другом пленками незакристаллизованного стекла. Ситаллы – ценный материал для строительных работ. Кроме того в строительных работах широко используется стекловата –

прекрасный теплоизоляционный материал. Стекловолокно обладает высокой удельной прочностью и в сочетании с синтетическими полимерами дает материал называемый стеклопластиками, которые в 4 легче стали, но могут превосходить ее по прочности и практически не подвергаются коррозии по стравнению со сталью.

5. Экспериментальная часть

Щелочные металлы высокоактивные вещества; реакции протекающие с их участием протекают настолько бурно, что часто сопровождаются взрывом или воспламенением, поэтому проводить подобные эксперименты нецелесообразно в целях безопасности.

5.1. Пирохимические опыты

В рамках студенческого практикума можно провести пирохимические опыты, позволяющие по окраске пламени определить наличие того или ионного катиона щелочного металла в системе.

Для проведения опыта необходимы насыщенные растворы солей лития,

натрия, калия. Например: хлориды соответствующих солей. Затем медную проволоку с петелькой на конце внести в пламя спиртовки и хорошо прокалить.

После этого погрузить петельку проволоки в исследуемый раствор, а затем внести в бесцветное пламя спиртовки. При этом пламя окрасится в определенный цвет, табл. 6.

5.2. Определение реакции среды водных растворов

В пробирки налить по 1 мл 1 н. растворов NaOН, NaНСО3; Na2СО3, Li NО3, Na NО2, К2 SO4, К2 S. В каждую пробирку опустить полоску универсальной индикаторной бумаги и зафиксировать изменение ее окраски,

16

определить по шкале реакцию среды, величину водородного показатели (рН).

Каждый случай объяснить, проиллюстрировать уравнениями электролитической диссоциации или гидролиза.

Оформить полученные результаты.

	Таблица 6
Окрашивание пламени s-металлами
Металл	Окраска пламени
Литий	Алая
Натрий	Золотисто-желтая
Калий	Сиреневая
Рубидий	Красная
Цезий	Голубая

5.Контрольные вопросы

1.Привести электронные конфигурации атомов 1А подгруппы и их катионов.

2.Почему элементы 1А подгруппы являются сильными восстановителями?

3.Почему щелочные металлы образуют устойчивые ионы?

4.Что такое электролиз?

5.Как изменяются металлические свойства элементов 1А подгруппы сверху вниз по группе в периодической таблице?

6.Какова реакция среды при гидролизе солей рассматриваемых металлов?

7.Что такое гидриды щелочных металлов? Эти вещества окислители или восстановителя?

8.Можно ли получить щелочной металл электролизом водного раствора соли щелочного металла?

9.В каком случае возможно образование кислых солей щелочных металлов?

10.Где находит применение щелочные металлы?

17

11. Используются ли щелочные металлы или их соединения в качестве строительных материалов?

12.Проиллюстрируйте химические свойства щелочных металлов на примере натрия.

7.Список использованной литературы

1.Некрасов Б.В. Основы общей химии. Том2. 3-е изд. М.: Химия, 1973. 605 с.

2.Коржуков Н.Г. Общая и неорганическая химия. М.: «МИСИС», 2004, 511 с.

3.Волков А.И. Строение атомов и периодический закон. М.: ООО «Новое знание», 2006, 195 с.

4.Фримантл М. Химия в действии. Том 2. Изд-во «Мир», 1991, 620 с.

18