Химические свойства щелочных металлов

Физические свойства свойства щелочных металлов

При обычных условиях s-металлы находятся в кристаллическом состоянии. Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).Щелочные металлы обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки. Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Литий, натрий и калий легче воды и плавают на ее по­верхности, реагируя с ней.

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы образуют соединения с преимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов — твердые гигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуются гидроксиды — твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочных металлов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.

Химические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы взаимодействуют:

— с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий.

Уравнение реакции в общем виде:

2Me + H₂O = 2MeOH + H₂↑

Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде:

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду

-взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):

4Li + O₂ = 2Li₂O 2Na + O₂ =Na₂O₂ K + O₂ = KO₂

-при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.).

2Na + Cl₂ =2NaCl 6Li + N₂ = 2Li₃N 2Li +2C = Li₂C₂ 2K + S = K₂S 2Na + H₂ = 2NaH

— способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + H₂↑

— с солями, происходит по следующему принципу – вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов, выше) из их солей:

3Na + AlCl₃ = 3NaCl + Al

— с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.

— с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:

2Na + 2C₂H₅OH = 2C₂H₅ONa + H₂↑ 2K + 2C₆H₅OH = 2C₆H₅OK + H₂↑

2Na + 2CH₃COOH = 2CH₃COONa + H₂↑

	Название	Ат. №	Относит, ат. масса	Электронная формула	Радиус, пм	изотопы (%)
Li	Литий Lithium [от греч. Lithos — камень]		6,941	2s	Li+ 78,	6Li (7,5) 7Li* (92,5)
Na	Натрий Sodium [англ. Soda . лат. Natrium		22,9898	3s	Na+ 98,	23Na* (100)
К	Калий Potassium [англ. Potash . лат. Kalium]		39,0983	4s	K+ 133,	39K* (93,26) 40К (0,012) 41 К* (6,73)
Rb	Рубидий Rubidium [от лат. rubidius — глубокого красного цвета]	37	85,4678	5s	Rb+ 1,49,	185Rb* (72,17) 87Rb* (27,83)
Cs	Цезий Cesium [от лат. Caesius — небесно-голубой]	55	132,905	6s	Cs+ 165,	133Сз* (100)
Fr	Франций Francium [в честь Франции]			7s	Fr+ 180	223Fr* (следы)

Литий (Li) имеет среди всех металлов самую низкую плотность — 0,53 г/см3, с небольшой активностью реагирует с кислородом и водой. Является стратегическим металлом оборонной промышленности. Применяется в виде сплавов с Аl и Mg в производстве водородных бомб, в составе смазочных масел, эмалей, аккумуляторов, стекла . используется в медицине. Литий из щелочных металлов наиболее токсичен. Препарат Li2СO3 используют в медицине для лечения маниакально-депрессивного психоза. При длительном воздействии препарат нарушает функции почек и ЦНС. Поэтому повышенное содержание Li в крови и моче считают признаком нарушения функции почек.

Натрий (Na) — мягкий металл, серебристо-белого цвета, на срезе быстро окисляющийся. Бурно реагирует с водой. В больших количествах используется в промышленности, в частности, в теплообменниках ядерных реакторов . в составе NaCl широко применяется в пищевой и химической индустрии. Относится к жизненно необходимым элементам. В организме взрослого человека содержится около 100 г натрия, из них 30% — в костях. Неорганические соли натрия растворимы в воде с образованием соответствующих ионов. Некоторые соли натрия с органическими кислотами, например, соли мочевой и винной кислот (ураты и тартраты) растворимы слабо. Na+ является основным межклеточным катионом, регулирующим электролитный гомеостаз, деятельность натриевых насосов, перенос через биомембраны аминокислот, Сахаров, анионов разной природы . поддерживающим осмотическое давление и рН среды, перенос в крови СO2 (в виде бикарбоната), гидратацию белков, растворимость (солюбилизацию) органических кислот. Избыток натрия в пище вызывает перегрузку систем электролитного гомеостаза и обезвоживание тканей организма.

Калий (К) — мягкий металл белого цвета, активно реагирующий с кислородом и водой. Используется в производстве удобрений, в химической промышленности, для варки стекла. Относится к жизненно необходимым элементам. В организме взрослого человека содержится около 140 г калия, 98% — внутри клеток. К+ является важнейшим внутриклеточным катионом. Он необходим для поддержания нервно-мышечной возбудимости, внутриклеточного осмотического давления и рН, обеспечения сокращения мышц и проницаемости мембран клеток. Внеклеточный К+ стимулирует работу натриевого насоса. В натрий-калиевом насосе при некоторых физиологических процессах ионы К+ могут замещаться Rb+ и Cs+. Значительные количества последнего элемента могут появляться в организме после радиоактивного облучения.

По реакционной способности калий сходен с Na+. Na и К —2 основных металла, обеспечивающие электролитный гомеостаз. Оба элемента в живых организмах определяют осмотическое давление по обе стороны мембраны клеток и являются положительными противоионами для отрицательных анионов (Сl–, НРО42–, HCO3– и органических). В норме у человека соотношение ионов Na+/K+ в крови колеблется около значения 1,5. Снижение концентрации К+ в цельной крови и повышение в плазме связаны с нарушением проницаемости внешней мембраны клеток, обычно непроницаемой для К+, либо с нарушениями деятельности Na+/K+ — обменивающего насоса па внутренней мембране митохондрий. В нервных клетках такое нарушение работы этого насоса сопровождается нарушением мембранного потенциала нейронов и проведения по ним нервных импульсов. Изменения содержания ионов щелочных металлов отмечаются при многих неврологических заболеваниях. Однако К полезен лишь в умеренных дозах . его избыток в крови особенно часто наблюдается при заболеваниях почек. Длительное нарушение нормального соотношения Na+/K+ приводит к сердечнососудистым заболеваниям.

Рубидий (Kb) — примесный микроэлемент. В организме человека содержится около 0,3 мг рубидия, как правило, внутри клеток (аналогично К+). Может образовывать координационные соединения. Поскольку кинетика и механизм поглощения и участия в обмене сходны с К, изотоп 86Rb используют в исследованиях обмена К+. При дефиците К+ прием рубидия восстанавливает кислотно-щелочной баланс. Rb быстро выводится из организма через почки.

Цезий (Cs) — по биологическим свойствам сходен с К+. В организме человека может содержаться до 1,5 мг цезия. В медицине используют в качестве радиоактивной метки изотоп 137Cs (период полураспада t1/2 = 30 лет), а также стабильный изотоп 133Cs при магнитно-резонансной томографии. Считается нетоксичным.

Франций (Fr) — в природе встречается в ничтожных количествах в урановых рудах. Образуется в результате радиоактивного распада актиния (вместе с гелием). Из-за небольшого времени полураспада всех изотопов элемент изучен слабо. Должен быть токсичным из-за радиоактивности, хотя в организме человека не обнаружен.

II К щелочноземельным металлам относятся металлы IIA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra). Кроме них в главную подгруппу II группы входят бериллий (Be) и магний (Mg). На внешнем энергетическом уровне щелочноземельных металлов находится два валентных электрона. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочноземельных металлов – ns². Кроме Ве 1s2 2s2. В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +2. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон. Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.

С увеличением заряда ядра атомов элементов, входящих в группу щелочноземельных металлов, энергия ионизации атомов уменьшается, а радиусы атомов и ионов увеличиваются, металлические признаки химических элементов усиливаются.

Бериллий (Be) — очень легкий, его сплав с медью сходен со сталью. В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.В эпоху нанотехнологии он необходим для атомной, электронной, электротехнической, авиационной и нефтегазовой промышленности. Be обладает некомпенсированным спином и высокой латентной токсичностью, хотя его атомная масса среди прочих металлов наименьшая. Он связан диагональным соотношением с Аl, и имеет с ним много общих свойств. Контакт с солями Be вызывает поражение кожи. Ион Ве2+ имеет малые размеры, но высокую плотность заряда. В организме он ингибирует фосфатазы, особенно щелочную, участвующую в процессах образования костей, а также ферменты, активируемые Mg2+ и К+, нарушает репликацию ДНК. Ионы Ве2+ образуют комплексы с тетраэдрическим расположением лигандов (КЧ = 4) с различной стереохимической конфигурацией.

Бериллий в природе находится в связанном состоянии. Важнейшие минералы бериллия: берилл- Be₃ Al₂ (SiO₃)₆, хризоберилл- Be(AlO₂)₂ и фенакит- Be₂ SiO₄.

Магний (Mg) в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная. Магний— по свойствам связан диагональным соотношением с Li. Абсолютно необходим для нормальной жизнедеятельности в виде иона Mg2+. Mg2+ необходим для нервно-мышечной передачи и мышечного сокращения. Наиболее часто недостаток магния (в норме содержащегося в плазме крови в концентрации 0,9 мМ) наблюдается при алкоголизме, сопровождаясь также накоплением Са2+. При избытке магния развиваются слабовыраженные токсические реакции. Прием больших количеств солей Mg2+ вызывает рвоту.

	Название	Ат. №	Относит, ат. масса	Электронная формула	Радиус, пм	Основные изотопы (%)
Be	Бериллий Beryllium [от греч. Beryllos — берилл]		9,012	2s2	Be2+ 34	9Be*(100)
Mg	Магний Magnesium [от Магнезия — полуостров в Греции]		24,305	3s2	Mg2+ 78	24Mg (78,99) 25Mg* (10) 26Mg (11,01)

Химические свойства

-Получение Be осуществляют по реакции восстановления его фторида. Реакция протекает при нагревании:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂

Магний, кальций и стронций получают электролизом расплавов солей, чаще всего – хлоридов:

MgCl₂ =Mg + Cl₂↑

Причем, при получении Mg электролизом расплава дихлорида для понижения температуры плавления в реакционную смесь добавляют NaCl.

Для получения Mg в промышленности используют металло- и углетермические методы:

2(CaO×MgO) (доломит) + Si = Ca₂SiO₄ + Mg

— Взаимодействие с водой.

В обычных условиях поверхность Be и Mg покрыты инертной оксидной пленкой, поэтому они устойчивы по отношению к воде, но с горячей водой магний образует основание Mg(OH)₂

Ве + H₂O → ВеO+ H₂­ Mg +2 H₂O = Mg(OH)_{2 .}+ H₂↑ (при нагревании)

-Взаимодействие с кислородом.

2Mg + O₂ → 2MgO

-Взаимодействие с неметаллами:

Be + Cl₂ → BeCl₂ (галогениды) 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (нитриды)

Be + S → BeS (сульфиды) Mg + H₂ → Mg H₂ (гидриды)

Mg + 2C → Mg C₂ (карбиды) 3Be + 2P → Be₃P₂ (фосфиды)

Бериллий и магний сравнительно медленно реагируют с неметаллами.

-Взаимодействие с кислотами:

Be + 2HCl → BeCl₂ + H₂­ Mg + H₂SO₄(разб.) → MgSO₄ + H₂­

-Бериллий растворяется в водных растворах щелочей

Be+2NaOH+ 2H₂­O→Na₂ [Be(OH) ₄]+ H₂­

Важнейшие минералы:

3BeO • Al₂O₃ • 6SiO₂ – берилл MgCO₃ – магнезит .

CaCO₃ • MgCO₃ – доломит . KCl • MgSO₄ • 3H₂O – каинит

MgCl₂·6H₂O – бишофит . KCl • MgCl₂ • 6H₂O – карналлит

III Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома . Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl^4-, AlH^4-, алюмосиликаты), но и 6 (Al₂O₃, [Al(OH₂)₆]³⁺).

Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl₃ и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na₃AlCl₆ металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. Новый металл позволяли себе лишь богачи и государственные музеи. Причина высокой стоимости – сложность отделения алюминия от других веществ. Метод добычи элемента в промышленных масштабах предложил Чарльз Холл.

При нормальных условиях он представляет собой твердое вещество. Цвет алюминия — серебристо-белый. Кроме того, он обладает металлическим блеском, как и все другие вещества данной группы. Цвет алюминия, используемого в промышленности, может быть различным в связи с присутствием в сплаве примесей. Это достаточно легкий металл. Его плотность равняется 2,7 г/см3, то есть он приблизительно в три раза легче, чем железо. Твердость алюминия довольно низкая. В ней он уступает большинству металлов. Твердость алюминия составляет всего два по шкале Мооса. Поэтому для ее усиления в сплавы на основе данного металла добавляют более твердые. Это очень пластичный и легкоплавкий металл.

Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты.

Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м³ . t_пл 660,24 °С . t_кип около 2500 °С . коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10^-6 . теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К [0,82 кал/(см·сек·°С)], удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. [0,2226 кал/(г·°С)] . электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м²), твердостью (170 Мн/м² по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м², твердость – до 270 Мн/м², относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м²~ и 0,1 кгс/мм²). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al₂О₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O, O2, HNO3 (без нагревания), H₂SO₄, но реагирует с HCl. Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

-с кислородом, образуя оксид алюминия:

4АІ + 3О2 = 2АІО3

— — -{displaystyle {mathsf {2Al+3Hal_{2}rightarrow 2AlHal_{3}(Hal=Cl,Br,I)}}}при нагревании:

-с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3. с азотом, образуя нитрид алюминия:

-с углеродом, образуя карбид алюминия:

{displaystyle {mathsf {4Al+3Crightarrow Al_{4}C_{3}}}}4АІ + 3С = АІ4С3

-С азотом, образуя нитрид алюминии

2AL+N2=2ALN{displaystyle {mathsf {Al_{4}C_{3}+12H_{2}Orightarrow 4Al(OH)_{3}+3CH_{4}}}}

-с водой {displaystyle {mathsf {2Al+6H_{2}Orightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}}}}

2АІ + 6Н2О = 2АІ(ОН)3 + 3Н2

{displaystyle {mathsf {2Al+6NaOHrightarrow 2Na_{3}AlO_{3}+3H_{2}}}}-c кислотами

{displaystyle {mathsf {2Al+3H_{2}SO_{4}rightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}}}}2АІ + 6НСІ = 2АІСІ3 + 3Н2.

-с растворами щелочей

2АІ + 2КОН + 6Н2О = 2К[АІ(ОН)4] + 3Н2

Применение алюминия — очень частое явление. Прежде всего, в нем нуждается авиационная отрасль. Наряду со сплавами магния, здесь используются и сплавы на основе рассматриваемого металла. Также применение алюминия осуществляется в процессе изготовления проводов и кабелей благодаря его отличной электропроводности. Кроме того, данный металл и его сплавы широко применяются в автомобилестроении. Из этих материалов состоят корпусы автомобилей, автобусов, троллейбусов, некоторых трамваев, а также вагонов обычных и электропоездов. В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.

Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Некоторые из природных минералов алюминия:

Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄ Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂

Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃ Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃ Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O

Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]

 

 

{displaystyle {mathsf {2Al+Cr_{2}O_{3}rightarrow Al_{2}O_{3}+2Cr}}}