16.5 Химия s-металлов

Общие свойства s-металлов. Атомы s-металлов имеют на внешнем электронном уровне соответственно один или два электрона или ns². Степени окисления их ионов в большинстве случаев равны +1 и + 2. По мере увеличения порядкового номера атомов растут их радиусы и уменьшаются энергии ионизации (рисунок 16.8). Простые вещества имеют кристаллическую решетку с относительно слабыми металлическими связями. Все s-металлы, кроме бериллия, имеют высокие значения температур плавления (см. рис. 3), твердости и прочности. Плотность этих металлов невелика и лежит в пределах 0,58 ÷ 3,76 г/см³. Все s-металлы — сильные восстановители. Значения их стандартных электродных потенциалов ниже - 2,0 В (кроме бериллия (см. рис. 5). При взаимодействии с водородом s-металлы образуют ионные гидриды МН и МН₂, которые в присутствии воды подвергаются гидролизу:

МН + 2Н₂О = МОН + Н_{2 ,}

МН₂ + 2Н₂О = М(ОН)₂ + 2Н_{2 .}

Реакция гидролиза гидридов используется для получения водорода в автономных устройствах. Гидриды металлов также используются для получения некоторых металлов. Все s-металлы, кроме, бериллия и магния, бурно реагируют с водой (опасно) с выделением водорода

М + Н₂О = = МОН+ ½Н₂

М + 2Н₂О = М(ОН)₂+ Н₂

Реакционная способность s-металлов с водой возрастает с увеличением атомного номера в группе.

Вследствие своей активности щелочные и щелочноземельные металлы не могут находится в атмосфере, поэтому хранятся в запаянном состоянии в керосине или под слоем вазелина или парафина. s-металлы образуют оксиды, при растворении которых образуются щелочи. Оксид магния мало растворим в воде, его гидроксид Мg(ОН)₂ - имеет основный характер. Оксид бериллия амфотерен.

П ри взаимодействии с галогенами образуются хорошо растворимые в воде галогениды. Также хорошо растворимы в воде нитраты этих металлов. Растворимость сульфатов и карбонатов элементов II группы значительно меньше, чем у элементов I группы.

Щелочные металлы. Натрий Na, калий К, литий Li (0,0065%) и рубидий Rb (0,015%) относятся к распространенным, а цезий Cs (7*10^-4%) – к малораспространенным в земной коре элементам, а франций Fr – к искусственно полученным элементам.

Все они – очень химически активные вещества, причем их активность возрастает от лития к францию. Так рубидий и цезий реагируют с водой со взрывом, калий с воспламенением выделяющегося водорода, а натрий и литий без возгорания. Они реагируют с большинством элементов и многими соединениями, с некоторыми из них, например галогенами и кислородом, с самовоспламенением или взрывом. С кислотами взаимодействуют бурно (опасно), восстанавливая их до низшей степени окисления, например:

8Na+4H₂SO₄=Na₂S+3Na₂SO₄+4H₂O .

Со многими металлами щелочные металлы образуют интерметаллиды.

Наименее активен из щелочных металлов литий. В щелочных растворах, например, он реагирует с водой относительн6о медленно из-за образования защитной оксидной пленки. Еще более устойчив литий в неводных растворах электролитов, например в пропиленкарбонатном (C₃H₆O₂CO₂) или тионихлоридном (SOCl₂) в растворах, что позволило создать ХИТ с литиевым анодом, неводными растворами электролитами и различными окислителями (MnO₂, Fe₂S, CuO, SO₂, SOCl₂ и др.). Так как литий имеет отрицательный потенциал и малую молекулярную массу, то удельная энергия этих ХИТ особенно при отрицательных температурах (t<0ºС), в 4 – 10 раз выше удельной энергии традиционных ХИТ.

Металлический литий применяется также в термоядерных реакторах для получения трития.

⁶₃Li+¹₀n=³₁H+⁴₂He .

Легирующая добавка лития к алюминиевым сплавам улучшает прочность и коррозионную стойкость, а к меди - электрическую проводимость. Натрий используется в металлургии для получения металлов и удаления мышьяка из свинца, а также в качестве жидкого теплоносителя в атомной энергетике и химической промышленности. Рубидий и цезий при освещении легко теряют электроны, поэтому служат материалами фотоэлементов.

Щелочи и соли щелочных металлов широко распространенны и применяются, например, в машиностроении — для обезжиривания деталей, нейтрализации стоков (NаОН, Na2CO3), в энергетике – lдля водоподготовки (NаОН, NaCl), для защиты от коррозии (смесь LiCl - LiOH), в металлургии (NaС1, КС1, NаNО₃, KNО₃), в химической промышленности (NaОН, Na₂СО₃ и др.), в быту (NaCl, Nа₂СО₃ и др.), при сварке и пайке (LiF), в сельском хозяйстве (КСl, KNO₃, К₂S0₄ и др.), медицине и т.д.

Некоторые соли натрия и калия используются в качестве пищевых добавок. В странах Западной Европы на этикетках пищевых продуктов указывают Е - числа, соответствующие определенным добавкам. Так добавки от Е 200 до Е 290 - это консерванты, например Na₂SO₃(Е 221), NaNO₂ (Е 250), NaNO₃ (Е 251), от Е 300 до Е 321 -антиоксиданты, например аскорбат натрия (Е 301), от Е 322 и выше - эмульгаторы, стабилизаторы и т.д., например дигидроцитрат натрия (Е 332), дигидрофосфат (V) натрия (Е 339). Ионы К⁺ и Na⁺ играют важную роль в живой природе.

Бериллий и магний. Магний Мg относится к наиболее распространенным на Земле элементам (масс. доля 2,1 %). Бериллий относительно малораспространен [6-10"⁴](масс. %), он характеризуется высокими температурой плавления (1278 С), твердостью и прочностью. Магний мягче и пластичнее бериллия, относительно легкоплавок(t_пл=650°С).

Светло-серый бериллий и серебристо-белый магний покрываются на воздухе оксидной пленкой, защищающей их от взаимодействия с кислородом и водой. Магний химически активнее бериллия, при нагревании оба металла сгорают в кислороде, а магний реагирует с водой. Галогены реагируют с Ве и Мg и при обычных температурах. В растворах кислот оба металла растворяются с выделением водорода, бериллий растворяется также в щелочах. Окислительные кислоты пассивируют бериллий. Бериллий и магний образуют интерметаллиды со многими металлами. Бериллий применяется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов. Введение бериллия в металлические сплавы повышает их прочность, твердость, упругость, коррозийную стойкость. Особый интерес представляет бериллиевая бронза [сплав Сu - Ве, содержащий 2,5% Ве (масс.)], из которой готовят пружины и другие упругие элементы приборов и устройств.

Магний, в основном, применяется в виде сплавов с другими металлами сплавы электрон (с алюминием и цинком), магналий (с алюминием), МА 8 (с марганцем и церием) используются в авиационной технике и других отраслях. Магний и его сплавы применяют как протекторы для защиты от коррозии.

Гидроксиды бериллия и магния слабо, а большинство их солей хорошо растворимы в воде. Соли бериллия гидролизуются уже при комнатной, а соли магния: - при повышенной температурах. Бериллий и его соединения - очень токсичны.

Из соединений магния наибольшее применения нашел МgО (наполнитель резины, в производстве огнеупоров и строительных материалов) и МgС1₂ (в производстве магнезиального цемента). Магний и кальций являются жизненно необходимыми элементами организмов человека и животных.