Химия

Урок 6: Щелочные металлы

Щелочные металлы

С детства мы знаем, что существуют металлы и неметаллы. Металлы – это твердые вещества, обладающие металлическим блеском, проводящие электрический ток и тепло. Они ковкие, благодаря чему металлические изделия можно использовать во вторичном производстве. Но, оказывается, как химические элементы, металлы сильно отличаются друг от друга. Существуют такие металлы, которые нельзя брать в руки и мочить, потому что это может привести к травмам и серьезным ожогам. О таких металлах поговорим в этой статье.

План урока:

Представители щелочных металлов

Строение атомов щелочных металлов

Изменение химических свойств щелочных металлов

Внешний вид и физические свойства щелочных металлов

Нахождение в природе

Качественные реакции

Химические свойства щелочных металлов

Получение щелочных металлов

Применение соединений щелочных металлов

 

Представители щелочных металлов

Щелочные металлы – это группа высокоактивных металлов. Название происходит от продукта взаимодействия этих веществ с водой, в результате которой образуется щелочь (сложное химическое соединение). Найти в природе такие металлы, сделать из них изделие или просто хранить в виде слитка невозможно. Эти металлы сразу окисляются кислородом воздуха.

К щелочным металлам относятся: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.

 

Строение атомов щелочных металлов

В таблице Менделеева щелочные металлы расположены в первой группе. Такое положение не случайно, а отражает строение атома и химические свойства.

Химические свойства элементов напрямую зависят от строения атома. Атом любого элемента состоят из ядра, имеющего положительный заряд и электронов, образующих энергетически облака вокруг ядра.

Ядро и электроны притягиваются за счет электростатического напряжения. Соответственно, чем меньше у электрона силы сопротивления, тем ближе он будет к ядру. Электроны с большей энергией способны отдаляться на периферию атома.

1 elektronnaya formula metallov

По мере смены периодом, количество электронов и энергетических уровней будет увеличиваться. Общий параметр атомов всех щелочных металлов является 1 электрон на внешнем энергетическом уровне.

 

Изменение химических свойств щелочных металлов

По мере продвижения от первого до последнего периода, в атомах щелочных металлов происходит увеличение количества атомов и электронных облаков. Чем дальше атом оказался от ядра, тем меньше притяжение между ними. За счет этого, отдаленный (последний) электрон проще отсоединить от атома. Легкость отщепления электронов определяет реакционную способность. Отщепление электрона приводит к окислению собственного атома и восстановлению окислителя.

Таким образом, восстановительные свойства щелочных металлов увеличиваются сверху вниз в группе. Самый активный металл – цезий.

 

Внешний вид и физические свойства щелочных металлов

Щелочные металлы обладают всеми характерными свойствами: серебристый цвет (исключение: цезий – золотистого цвета) металлический блеск, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность.

Особенным качеством является мягкость и легкость за счет низкой плотности вещества. Эти металлы можно резать ножом, разминать руками (в перчатках) и ломать.

2 metally v prirode

 

Нахождение в природе щелочных металлов

Из-за высокой реакционной активности, щелочные металлы не встречаются в природе в виде самородков или чистых залежей. Обнаружить их можно в составе солей. Многие природные минералы содержат ион щелочного металла в своей структуре.

Таблица. Минералы, в состав которых входят ионы щелочных металлов

3 mineraly iz metallov

Как видно из таблицы, чем выше активность элемента, тем ниже его встречаемость в природе. Элемент последнего периода первой группы – франций – вообще не встречается в природе даже в составе минералов. Этот элемент является радиоактивным и является промежуточным продуктом распада Урана-235. Его общее содержание в земной коре оценивается в 380 граммов.

 

Обнаружение ионов металлов в соединениях

Самый простой способ определения иона металла – окраска пламени. Для соли каждого металла характерен свой цвет:

  • Литий – красный,
  • Калий – фиолетовый,
  • Натрий – желтый,
  • Рубидий – розовый,
  • Цезий – синий.

Соли франция такой проверке не подвергаются.

4 gorenie metallov

Для такой проверки важно, чтобы в пламени не было других примесей, меняющий цвет, иначе проверка будет недостоверна.

 

Качественные реакции

Обнаружение катионов лития

Обнаружить ионы металлов в соли можно с помощью качественной реакции.

5 reakcii metallov

Для обнаружения катионов лития используют фосфорную кислоту. Получившийся белый фосфат лития растворим только в концентрированной азотной кислоте и солях аммония:

 3Li+ + PO43- = Li 3РО 4

В растворимых солях литий можно обнаружить с помощью фторида аммония. При реакции образуется белый нерастворимый осадок фторида лития:

Li+ + F- = LiF↓

 

Обнаружение катиона натрия

Ионы натрия можно обнаружить реакцией с комплексной солью гексагидроксостибатом (V). При низких температурах и в нейтральной среде образуется мелкокристаллическая белая соль натрия:

Na+ + [Sb (OH)6] = Na[Sb(OH)6] ↓

Эту реакцию проводят на предметном стекле. За образованием и формой кристаллов наблюдают под микроскопом или бинокуляром.

 

Обнаружение катиона калия

В кислой и нейтральной среде ионы калия образуют двойную комплексную соль с гексанитрокабальтатом натрия (III). Эта соль нерастворима в воде и имеет желтый цвет:

2K+ + Na3[Co(NO2)6] = NaK2[Co(NO2)6] ↓+ 2Na+

Особенность реакции в ее медленном течении. Реакционную смесь оставляют на несколько часов. Для ускорения реакции можно тереть стеклянной палочкой по стенке пробирки. Это приводит к формированию статического электричества, что усиливает притяжение ионов друг к другу.

Еще одним способом обнаружения катионов калия служит реакция с гидротартратом натрия NaHC4H4O6. В этом случае образуется соль белого цвета. Реакцию можно ускорить потиранием стеклянной палочной о поверхность пробирки:

K+ + NaHC4H406= KHC4H4O6↓ + Na+.

 

Обнаружение катионов рубидия, цезия

Катионы рубидия и цезия – высокоактивные ионы, поэтому не обнаруживаются качественными реакциями. Все соединения прозрачные и хорошо растворимы в воде. Основными способами их обнаружения в составе соли служит осаждение органическими ароматическими растворами. Способа разделения цезия и рубидия из смеси в настоящее время нет.

 

Обнаружение ионов франция

Как радиоактивный металл, франций не входит в состав обычных солей. Его обнаружение проводится методом спектрометрии и радиационных приборов.

 

Химические свойства щелочных металлов

Все металлы являются восстановителями, поэтому они вступают в реакцию с различными окислителями. К таким относятся простые неметаллы и сложные соединения, обладающие окислительными свойствами.

 

Реакция с простыми неметаллами

Щелочные металлы активно вступают в реакции с галогенами. При этом образуется соответствующий галогенид. С серой, фосфором и водородом с образованием сульфидов, гидридов, фосфидов реагируют только при нагревании:

2Na + Cl2→ 2NaCl

2К + S   К2S

2Rb + H2  2RbH

3Na + P   Na3P

В реакции с кислородом щелочные металлы образуют пероксиды (кроме лития), повторное окисление которых приводит к образованию оксидов:

2Na + О2 = Na2О2

2 Na2О2 + О2 = 2Na2О

Специальных условий для окисления металлов кислородом не требуется, поэтому щелочные металлы хранят под слоем парафина, вазелина или масла без доступа кислорода.

6 hranenie shchelochnyh metallov

 

Взаимодействие с водой

Реакция щелочных металлов с водой происходит с выделением большого количества тепла. Выделяющийся в ходе реакции водород может воспламеняться, что в некоторых случаях приводит к взрыву.

7 vzaimodeistvie shchelochnyh metallov s vodoi

 

Взаимодействие с сильными кислотами

В реакциях щелочных металлов с кислотами образуются соответствующие соли. Особенных проявлений свойств щелочных металлов здесь нет:

8K + 10HNO3 (конц) → 8KNO3 + N2O +5 H2O

8Na + 5H2SO4 (конц) → 4Na2SO4 + H2S↑ + 4H2O

 

Специфические химические свойства лития

В некоторых реакциях литий проявляет отличные от остальных щелочных металлов свойства. Например, это единственный металл, реагирующий с азотом без нагревания:

6Li + N2 = 2Li3N

Нитрид лития подвергается необратимому гидролизу.

Li3N + 3H2O → 3LiOH + NH3

В реакции с лития с кислородом образуется оксид лития:

4Li + О2 = 2Li2О

 

Получение щелочных металлов

Получить щелочные металлы в чистом виде можно только электролизом расплавов их солей:

8 elektrokiz rasplavov solei

NaCl   Na+ + Cl;

катод (–) (Na+): Naе = Na0,

анод (–) (Cl): Cl– – е = Cl0, 2Cl0 = Cl2;

2NaCl = 2Na + Cl2 .

Если использовать раствор соли, катионы металла будут сразу вступать в реакцию с образованием щелочей:

NaCl   Na+ + Cl,

H2O   Н+ + ОН;

катод (–) (Na+; Н+): Hе = H0, 2H0 = H2

(2H2O + 2е = H2 + 2OH),

анод (+) (Cl; OН): Cl– – е = Cl0, 2Cl0 = Cl2;

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2  + H2 .

 

Применение соединений щелочных металлов

Основные области применения данных солей – медицина, кулинария, строительство, химическая промышленность.

Наиболее используемый щелочной металл – натрий. Он служит катализатором синтеза металлов, служит теплоносителем в атомных реакторах.

Хлорид натрия – соединение, используемое в каждом доме. Это безопасная соль, используемая в кулинарии. Так же, хлорид натрия применяется в медицине для приготовления физиологических растворов.

9 hlorid natria

Литий и его щелочи служат основой изготовления щелочных батареек. Длительное время это был единственный способ создания портативных энергоносителей.

Калий и натрий используются для изготовления мыла в качестве омыляющего компонента.

Соли калия используются в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Калий, рубидий и натрий используются в атомной промышленности и атомной энергетике. Эти металлы служат катализаторами многих реакций.

Литий добавляется во многие сплавы для улучшения металлических свойств.

Соединения лития, рубидия и цезия используют при изготовлении цветных стекол.

Франций пока не имеет практического применения в связи с высокой радиоактивностью.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
При электролизе раствора гидроксида лития на катоде выделяется:
1Водород
2Кислород
3Литий
Ответить
1
Вопрос: 2
Какой элемент самый активный щелочной металл?
1Na
2K
3Li
4Cs
Ответить
4
Вопрос: 3
Элементы основной подгруппы 1 группы имеют названия:
1Галогены
2Щелочноземельные металлы
3Щелочные металлы
4Переходные металлы
Ответить
3
Вопрос: 4
Какой металл образует пероксид в реакции с кислородом?
1Цезий
2Литий
3Рубидий
4Калий
Ответить
2
Вопрос: 5
Расположите щелочные металлы в порядке ослабления металлических свойств:
1Rb, Cs, Li, K, Na
2Cs, Li, Rb, Na, K
3Li, Na, K, Cs, Rb
4Na, K, Li, Cs, Rb
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

При электролизе раствора гидроксида лития на катоде выделяется:
1) Водород 2) Кислород 3) Литий
2 вопрос:

Какой элемент самый активный щелочной металл?
1) Na 2) K 3) Li 4) Cs
3 вопрос:

Элементы основной подгруппы 1 группы имеют названия:
1) Галогены 2) Щелочноземельные металлы 3) Щелочные металлы 4) Переходные металлы
4 вопрос:

Какой металл образует пероксид в реакции с кислородом?
1) Цезий 2) Литий 3) Рубидий 4) Калий
5 вопрос:

Расположите щелочные металлы в порядке ослабления металлических свойств:
1) Rb, Cs, Li, K, Na 2) Cs, Li, Rb, Na, K 3) Li, Na, K, Cs, Rb 4) Na, K, Li, Cs, Rb
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Водород
2 вопрос: Cs
3 вопрос: Щелочные металлы
4 вопрос: Литий
5 вопрос: Rb, Cs, Li, K, Na