4. Соединения элементов
Известно несколько типов кислородных соединений щелочных элементов: оксиды, пероксиды, надпероксиды, озониды. Все кислородные соединения щелочных элементов – кристаллические вещества с ионной связью. В узлах кристаллических решетки располагаются катионы металлов и соответствующие кислородные анионы.
Все элементы подгруппы образуют оксиды состава М2О. Оксиды лития и натрия бесцветные, оксиды калия и рубидия – желтые, оксид цезия – оранжево-красный. Лишь оксид лития можно получить обычным сжиганием металла на воздухе или в кислороде. Остальные оксиды образуются только в условиях недостатка кислорода или по реакциям других соединений.
Na2O2 + 2Na = 2Na2O
2NaOH + 2Na = 2Na2O + H2
2NaNO2 + 6Na = 4Na2O + N2
Окисды щелочных элементов являются типичными основными оксидами: они реагируют с водой с образованием гидроксидов, с кислотными и амфотерными оксидами и гидроксидами – с образованием солей:
М2О + Н2О = 2МОН
М2О + СО2 = М2СО3.
Все щелочные элементы образуют пероксиды состава М2О2. Пероксиды можно рассматривать как соли двухосновной кислоты Н2О2. Поэтому при их взаимодействии с кислотами или водой на холоду количественно образуется Н2О2. Если проводить реакции при нагревании, выделяется кислород:
2М2О2 + 2Н2О = 4МОН + О2
В космических аппаратах для получения кислорода используется пероксид лития:
2М2О2 + 2СО2 = 2М2СО3+ О2
Озониды МО3 в случае натрия, калия, рубидия и цезия образуются при действии озона на безводные порошки МОН при температуре не выше 40 °C с последующей экстракцией красных озонидов жидким аммиаком. Литий в тех же условиях образует комплексное соединение [Li(NH3)4]O3. При длительном хранении озониды медленно разлагаются на кислород и надпероксиды, а при гидролизе они сразу превращаются в гидроксиды. Они являются сильнейшими окислителями, реагируют с диоксидом углерода, выделяя кислород:
4МО3 + 2СО2 = 2М2СО3 + 5О2
Кроме перечисленных соединений, рубидий и цезий образуют субоксиды, в которых формальная степень окисления элемента ниже (+1).
Гидроксиды щелочных элементов МОН – щелочи – бесцветные кристаллические вещества, легкоплавкие, хорошо растворимые в воде. При выпаривании водных растворов гидроксида лития образуется моногидрат, который легко теряет воду при нагревании в инертной атмосфере или при пониженном давлении.
Гидроксиды щелочных элементов проявляют сильные основные свойства. Они легко реагируют с кислотными и амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей.
При хранении на воздухе твердые щелочи поглощают пары воды и диоксид углерода, поэтому обычно они содержат примесь карбонатов. Для очистки щелочей от карбонатов обычно используют перекристаллизацию из этанола, в котором карбонаты щелочных элементов нерастворимы.
Гидроксиды щелочных элементов термически устойчивы, кроме гидроксида лития, который при 470 °C плавится, а при более высокой температуре испаряется и частично диссоциирует на оксид лития и воду:
2LiОН = Li2О + Н2О
В парах при 820 – 870 °C содержится 90 % (LiОН)2.
Для некоторых щелочей до сих пор используют тривиальные названия: едкий натр, едкое кали. Такие названия отражают разъедающее действие щелочей на живые ткани. Особенно опасно попадание этих веществ в глаза.
Щелочи очень агрессивны. Они разрушают стекло и фарфор за счет взаимодействия с содержащимся в них диоксидом кремния:
2NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O
Несмотря на высокую устойчивость диоксида кремния эта реакция протекает самопроизвольно.
В присутствии кислорода щелочи реагируют почти со всеми металлами, кроме серебра, никеля, железа. Поэтому их обычно хранят в ёмкостях из пластмасс.
Для промышленного получения щелочей используют электролиз растворов солей соответствующих элементов.
Соли щелочных элементов известны для всех кислот, причем многоосновные кислоты образуют не только средние, но и кислые соли. Склонность к образованию кислых солей и их термическая устойчивость увеличиваются от лития к цезию.
Почти все соли хорошо растворимы. Исключениями являются фторид, карбонат, ортофосфат и силикат лития, а также некоторые другие соли.
Соли слабых кислот в водном растворе подвергаются гидролизу по аниону. Катионы щелочных элементов в гидролизе не участвуют.
Все галогениды щелочных элементов являются тугоплавкими бесцветными кристаллическими веществами. Их удобно получать по реакции соответствующего гидроксида (МОН) или карбоната (М2СО3) с водными растворами галогеноводородных кислот с последующей перекристаллизацией.
Температуры плавления и кипения обычно уменьшаются в ряду от фтора к йоду. Температуры кипения и плавления для галогенидов лития всегда ниже, чем для галогенидов натрия.
Бинарные соединения щелочных элементов – гидриды, нитриды, фосфиды, сульфиды – получают прямым синтезом из простых веществ. В бинарных соединениях щелочные элементы всегда имеют степень окисления (+1), а неметаллы – отрицательные степени окисления.