|
Тема 8 s-Елементи: лужні метали І А групи
8.1 Загальна характеристика елементів І А групи До І А групи періодичної системи Д.І. Менделєєва входять Літій 3Li, Натрій 11Na, Калій 19K, Рубідій 37Rb, Цезій 55Cs та Францій 87Fr (радіоактивний елемент, отриманий штучно). Електронна конфігурація зовнішнього шару – ns1. Радіус атомів лужних металів та іонні радіуси збільшуються в ряду від Li до Cs. Єдиний електрон на зовнішньому енергетичному шарі лужних металів слабко зв'язаний з ядром, що підтверджується низькими значеннями енергії іонізації, яка зменшується в групі зверху вниз. Атоми лужних металів легко віддають електрон з утворенням йонів Ме+. Мають сталий ступінь окислення +1. Електронегативність лужних металів низька. Дуже малий розмір йонного радіусу Li+ та, як наслідок, висока поверхнева густина заряду та низьке координаційне число, призводять до того, що його сполуки відрізняються від інших лужних металів і мають більшу схожість зі сполуками магнію, елементу ІІ А підгрупи (діагональна аналогія). 8.2 Знаходження у природі З лужних металів найбільш розповсюджені Натрій (2,64 мас.%) та Калій (2,50 мас.%), до того ж, завдяки великій хімічній активності, вони зустрічаються тільки у вигляді сполук. Основними джерелами калію та натрію є кам'яна сіль (NaСl), глауберова сіль Na2SO4·10 Н2О, сильвін КСl, сильвініт NaСl· КСl, карналіт КСl· МgСl2·6 Н2О та ін. На відміну від Натрію та Калію, сполуки Літію (1,8·10-3мас.%), Рубідію (7,8·10-3мас.%), Цезію (2,6·10-4мас.%) в природі зустрічаються значно рідше, тому ці елементи відносять до рідкісних та розсіяних. Найважливішим мінералом Li є сподумен LiAl(SiO3)2. Rb власних мінералів не має, Cs зустрічається в складі двох мінералів. В основному ці елементи є супутниками Na та К. Натрій, Калій, Літій, Цезій входять до складу різноманітних силікатів та алюмосилікатів. 8.3 Фізичні властивості У вільному стані елементи І А підгрупи – легкоплавкі, м'які, сріблясто-білі (крім золотисто-жовтого цезію) метали, що мають високу пластичність. Найтвердішим є літій, всі інші легко ріжуться ножем та розкатуються у фольгу. В кристалічному стані мають об’ємноцентровану кристалічну гратку з металевим типом хімічного зв'язку. Мають металевий блиск (але на повітрі тьмяніють), високу електропровідність, низькі температури плавлення та кипіння. 8.4 Методи добування лужних металів Всі метали першої групи – сильні відновники, тому їх добування потребує значних енергетичних затрат. Для отримання лужних металів у промисловості використовують електроліз розплавів їх галогенідів, іноді гідроксидів. Натрій отримують переважно електролізом розплаву NaCl, до якого для зниження температури плавлення додають СaCl2. К–: Na+ + е = Na А+: 2Cl- = Cl2 ↑ + 2е 2 NaCl = 2 Na + Cl2↑ Відомі також відновлювальні методи добування лужних металів із оксидів чи солей менш активними металами, коксом чи кремнієм (у вакуумі при Т =300°C), завдяки тому, що у вакуумі активні метали випаровуються: 3 Na2О + 2 Аl → 6 Na ↑+ Аl2O3 8.5 Хімічні властивості Всі лужні метали дуже активні, мають сильні відновні властивості. Взаємодія з простими речовинами. Лужні метали реагують з Hal2, О2, а при нагріванні S, Н2, Р, N2 з утворенням відповідно сульфідів, гідридів, фосфідів, нітридів і т.п. 2 Na + Н2 = 2 NaН (натрію гідрид) 2 К + S = К2S (калію сульфід) 6 Na + N2 = 2 Na3N (натрію нітрид) В результаті взаємодії з киснем утворюються продукти згорання лужних металів різного складу, в залежності від активності металу: 4 Lі + О2 = 2Lі2О (літію оксид) 2 Na + О2 = Na2О2 (натрію пероксид) К + О2 = КО2 (калію надпероксид) Для важких лужних металів характерне утворення досить стійких озонідів ЭО3. З іншими металами лужні елементи здатні утворювати інтерметаліди. Всі лужні метали взаємодіють з водою: 2Ме(тв) + 2 Н2О = 2Ме+ + Н2(г)↑+ 2ОН- Наприклад, 2 К + 2 Н2О = 2КОН + Н2↑ Ця екзотермічна реакція перебігає дуже швидко, натрій спалахує, а більш важкі метали реагують з вибухом. Взаємодія з іншими складними речовинами. Активно (з вибухом) реагують з кислотами; з рідким аміаком з утворенням амідів; спиртами; карбоновими кислотами. 8.6 Сполуки лужних металів Сполуки лужних металів з киснем (оксиди, пероксиди, надпероксиди, озоніди) мають основний характер, активно реагують з водою з утворенням гідроксидів МеОН - сильних лугів, що являють собою безбарвні гігроскопічні речовини, дуже добре розчинні у воді. Вони беруть участь у всіх реакціях, характерних для лугів — реагують з кислотами, кислотними та амфотерними оксидами, амфотерними гідроксидами. Властивість пероксидів окиснювати оксиґен вуглекислого газу до кисню, використовується в протигазах та підводних човнах: 2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2. Серед гідроксидів металів І А групи найбільше значення в промисловості має натрію гідроксид NaОН (їдкий натр, каустична сода). Його отримують у великих кількостях шляхом електролізу водних розчинів NaСl: К–: 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН– А+: 2Cl- = Cl2 + 2е 2 NaCl + 2Н2О = 2 NaОН + Н2↑+ Cl2↑ Також його можна отримати карбонатним шляхом: 2 NaCl + Са(ОН)2 = 2 NaОН + СаСО3↓ Більшість солей лужних металів добре розчинні у воді. Найбільше практичне значення мають карбонати – Na2CO3 (кальцинована сода) та NaНCO3 (харчова, питна сода). Основна кількість соди у світі виробляється за методом Сольве, запропонованому ще на початку XX ст. Суть методу: водний розчин NaCl, до якого додають аміак, насичують вуглекислим газом за температури 26 - 30 °C. Так утворюється малорозчинний натрію гідрокарбонат, який потім кальцинують за 100°C: NaCl + Н2О + CO2+ NН3 = NaНCO3↑ + NН4Cl 2 NaНCO3 → Na2CO3+ Н2О + CO2↑ 8.7 Застосування Лужні метали широко використовуються в промисловості (таблиця8.1). Крім того, металічний натрій використовують в газорозрядних лампах (строк служби – 12- 24 тис. годин), сполуки цезію та рубідію широко використовуються в оптиці, в якості добавок в газове середовище галогенових світильників. Сполуки лужних металів використовують для регенерації повітря на підводних човнах та в ізолюючих протигазах; в лазерній техніці. 8.8 Біологічна роль та токсикологія Калій та натрій функціонально пов'язані між собою і виконують в організмі наступні функції: створення умов для виникнення мембранного потенціалу та м'язових скорочень; підтримка осмотичної концентрації крові; кислотно-лужного балансу; нормалізація водного балансу. Калій дуже важливий біогенний елемент для рослин. Надлишок натрію викликає набряк ніг та обличчя, а також підвищене виділення калію з сечею. За нестачі калію виникають порушення роботи серцевої та скелетної мускулатури, за його надлишку розвивається виразка тонкого кишківника. Таблиця 8.1 – Застосування лужних металів та їхніх сполук*
* – курсивом у таблиці виділені найбільш поширені сфери застосування елементу та його сполук Контрольні питання 1. Вкажіть, як змінюються властивості елементів та їх сполук у ряді від Li до Cs. 2. Чому властивості літію більше подібні до властивостей магнію, ніж металів ІА групи? 3. Поясніть взаєморозташування лужних металів в електрохімічному ряді напруг. 4. Як добувають лужні метали в промисловості? Обґрунтуйте можливість їх добування хімічним шляхом. 5. Чому лужні метали зберігають під шаром гасу? 6. Які процеси протікають при електролізі розплаву та розчину NaCl? 7. Які сполуки утворюються при взаємодії лужних металів з киснем? Визначте ступінь окислення елементів у цих сполуках. 8. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити перетворення: Na→ NaН→ NaОН→ NaНCO3 → Na2CO3→ NaОН; К→ КОН→ К2SO4→ КСl→ КОН. 9. Напишіть чотири неоднотипні рівняння реакцій, в процесі яких відбувається утворення: а) натрій гідроксиду; б) калій хлориду; в) натрій карбонату. Вкажіть сфери їх застосування. 10. Наведіть реакції, що характеризують основний характер оксидів та гідроксидів лужних металів. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||