Химия
Щелочные металлы
План урока:
Представители щелочных металлов
Строение атомов щелочных металлов
Изменение химических свойств щелочных металлов
Внешний вид и физические свойства щелочных металлов
Химические свойства 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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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:
NaCl Na+ + Cl–;
катод (–) (Na+): Na+ + е = 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+): H+ + е = 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.
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
При электролизе раствора гидроксида лития на катоде выделяется:
1) Водород 2) Кислород 3) Литий
Какой элемент самый активный щелочной металл?
1) Na 2) K 3) Li 4) Cs
Элементы основной подгруппы 1 группы имеют названия:
1) Галогены 2) Щелочноземельные металлы 3) Щелочные металлы 4) Переходные металлы
Какой металл образует пероксид в реакции с кислородом?
1) Цезий 2) Литий 3) Рубидий 4) Калий
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