Взаимодействие щелочных металлов с водой. Соединения щелочных металлов и их применение

Щелочные металлы – s-элементы. На внешнем электронном слое каждый из них имеет один электрон (ns1). Радиусы атомов сверху вниз в подгруппе увеличиваются, энергия ионизации уменьшается, восстановительная активность, как и способность отдавать валентные электроны с внешнего слоя, увеличивается.

Рассматриваемые металлы очень активны, поэтому в свободном состоянии они в природе не встречаются. Их можно обнаружить в виде соединений, в составе минералов (поваренной соли NaCl, сильвинита NaCl∙KCl, глауберовой соли NaSO4∙10H2O и других) или в виде ионов в морской воде.

Физические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы при обычных условиях представляют собой серебристо-белые кристаллические вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью. Они имеют объемно-центрированную кубическую упаковку (ОЦКУ). Плотности, температуры кипения и плавления у металлов I группы относительно низкие. Сверху вниз в подгруппе плотности увеличиваются, а температуры плавления уменьшаются.

Получение щелочных металлов

Щелочные металлы получают обычно электролизом расплавленных солей (чаще хлоридов) или щелочей. При электролизе расплава NaCl, к примеру, на катоде выделяется чистый натрий, а на аноде – газообразный хлор: 2NaCl(расплав)=2Na+Cl2.

Химические свойства щелочных металлов

По химическим свойствам литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций – это наиболее активные металлы и одни из самых сильных восстановителей. В реакциях они легко отдают электроны с внешнего слоя, превращаясь в положительно заряженные ионы. В образуемых щелочными металлами соединениях преобладает ионная связь.

При взаимодействии щелочных металлов с кислородом в качестве основного продукта образуются пероксиды, и в качестве побочного – оксиды:

4Na+O2=2Na2O (оксид натрия).

С галогенами они дают галогениды, с серой – сульфиды, с водородом – гидриды:

2Na+Cl2=2NaCl (хлорид натрия),

2Na+S=Na2S (сульфид натрия),

2Na+H2=2NaH (гидрид натрия).

Гидрид натрия – неустойчивое соединение. Он разлагается водой, давая щелочь и свободный водород:

NaH+H2O=NaOH+H2.

Свободный водород образуются также при взаимодействии с водой самих щелочных металлов:

2Na+2H2O=2NaOH+H2.

Эти металлы также взаимодействуют с разбавленными кислотами, вытесняя из них водород:

2Na+2HCl=2NaCl+H2.

С органическими галогенидами щелочные металлы взаимодействуют по реакции Вюрца.

Щелочные металлы — группа неорганических веществ, простых элементов таблицы Менделеева. Все они обладают похожим атомным строением и соответственно, похожими свойствами. В группу входят калий, натрий, литий, цезий, рубидий, франций и теоретически описанный, но еще не синтезированный элемент унуне́нний. Первые пять веществ существуют в природе, франций — искусственно созданный, радиоактивный элемент. Свое название щелочные металлы получили из-за способности образовывать щелочи в реакции с водой.

Вся элементы группы химически активны, поэтому на Земле встречаются только в составе различных минералов, например, каменной, калийной, поваренной соли, буры, полевого шпата, морской воды, подземных рассолов, чилийской селитры . Франций часто сопутствует урановым рудам; рубидий и цезий — минералам с натрием и калием.

Свойства

Все представители группы — мягкие металлы, их можно резать ножом, сгибать руками. Внешне — блестящие, белого цвета (кроме цезия). Цезий отливает золотистым блеском. Легкие: натрий и калий легче воды, литий всплывает даже в керосине. Классические металлы с хорошей электро- и теплопроводностью. Горят, придают пламени характерный цвет, являющийся одним из аналитических способов определить тип металла. Легкоплавкие, самым «тугоплавким» является литий (+180,5 °С). Цезий тает прямо в руках при температуре +28,4 °С.

Активность в группе увеличивается по мере роста атомной массы: Li →Cs. Обладают восстановительными свойствами, в том числе в реакции с водородом. Проявляют валентность -1. Бурно реагируют с водой (все кроме лития — со взрывом); с кислотами, кислородом. Взаимодействуют с неметаллами, спиртами, водным аммиаком и его производными, карбоновыми кислотами, многими металлами.

Калий и натрий являются биогенными элементами, участвуют в водно-солевом и кислотно-щелочном балансе человеческого организма, необходимы для нормальной циркуляции крови и функционирования многих энзимов. Калий важен для растений.

В нашем организме есть и рубидий. Его нашли в крови, костях, головном мозге, легких. Он оказывает противовоспалительное, противоаллергическое действие, притормаживает реакции нервной системы, усиливает иммунитет, положительно влияет на состав крови.

Меры предосторожности

Щелочные металлы очень опасны, способны воспламеняться и взрываться просто от контакта с водой или воздухом. Многие реакции протекают бурно, поэтому работать с ними допускается только после тщательного инструктажа, с применением всех мер предосторожностей, в защитной маске и защитных очках.

Растворы калия, натрия и лития в воде являются сильными щелочами (гидроксиды калия , натрия, лития); контакт с кожей приводит к глубоким болезненным ожогам. Попадание щелочей, даже низкой концентрации, в глаза может привести к слепоте. Реакции с кислотами, аммиаком, спиртами проходят с выделением пожаро- и взрывоопасного водорода.

Щелочные металлы хранят под слоем керосина или вазелина в герметичных емкостях. Манипуляции с чистыми реактивами проводят в аргоновой атмосфере.

Следует тщательно следить за утилизацией остатков после опытов со щелочными металлами. Все остатки металлов предварительно должны быть нейтрализованы.

Применение

Хим. элементы (щелочные элементы), составляющие гл. подгруппу 1 группы периодич. системы элементов, а также отвечающие им простые вещества металлы. К Щ. м. относятся литий Li (ат. номер 3), натрий Na (11), калий К (19), рубидий Rb (37), це … Физическая энциклопедия

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ, одновалентные металлы, составляющие первую группу периодической таблицы: литий, НАТРИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ и ФРАНЦИЙ. Это мягкие серебристо белые металлы, которые быстро окисляются на воздухе и дают бурную реакцию с водой, при… … Научно-технический энциклопедический словарь

Щелочные металлы - ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Мягкие металлы, легко режутся (кроме Li), Rb, Cs и Fr почти пастообразны при обычных условиях; Li самый лёгкий из всех металлов, Na и K легче воды. Химически очень… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Химические элементы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Название от щелочей гидроксидов щелочных металлов … Большой Энциклопедический словарь

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с … Российская энциклопедия по охране труда

щелочные металлы - Группа, включ. Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Тематики металлургия в целом EN alkali metals … Справочник технического переводчика

ПОДГРУППА IА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром. С каждого… … Энциклопедия Кольера

Alkali metals Щелочные металлы. Металлы первой группы Периодической системы, а именно: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Они образуют строго щелочные гидроксиды, отсюда и их название. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под… … Словарь металлургических терминов

Щелочные металлы Энциклопедический словарь по металлургии

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - химические элементы Li, Na, К, Rb, Cs, Fr. Названы так потому, что их гидрооксиды наиболее сильные щелочи. Химически щелочные металлы наиболее активные металлы. Их активность возрастает от Li к Fr … Металлургический словарь

Книги

• Комплект таблиц. Химия. Металлы (12 таблиц) , . Учебный альбом из 12 листов. Арт. 5-8683-012 Щелочные металлы. Химия щелочных металлов. Элементы II А - группы. Жесткость воды. Алюминий. Применение алюминия. Железо. Виды коррозии. Методы…

Особенности соединений лития по сравнению с соединениями других щелочных металлов.

Гидриды, оксиды, пероксиды, гидроксиды щелочных металлов: химическая связь в соединениях, получение и свойства.

Получение натрия, гидроксида натрия и карбоната натрия в промышленности.

Взаимодействие с растворами щелочей: а)амфотерных металлов; б)неметаллов; в)кислотных оксидов; г)амфотерных оксидов.

Металлы подгруппы IA периодической системы элементов I. И. Менделеева Li, Na, К, Rb, Cs и Fr называются щелочными.

Щелочные, щелочноземельные металлы, Be и Mg относятся к наиболее электроположительным, элементам. В соединениях с други­ми элементами для металлов подгруппы IA типична степень окисления + 1, а для металлов подгруппы ПА +2. С ростом числа электронных слоев и увеличением радиусов энергия ионизации атомов уменьшается. Вследствие этого химическая активность элементов в подгруппах увеличивается с ростом их порядкового номера. С малой энергией ионизации связан характерный для них фотоэффект, а также окрашивание их солями пламени" газовой горелки. Благодаря легкой отдаче наружных электронов щелочные и щелочноземельные металлы образуют соединения преимуществен­но с ионной связью.

Щелочные и щелочноземельные металлы проявляют высокую

химическую активность. При нагревании в водороде они образуют

гидриды - солеподобные соединения, в которых водород находится

а виде отрицательно заряженного иона. На воздухе щелочные

металлы быстро окисляются, образуя в зависимости от их активности

оксиды, пероксиды, надпероксиды или озониды.

При этом Ci, Na и К"загораются на воздухе или в атмосфере сухого кислорода только

при нагревании, a, Rb и Cs самовоспламеняются без нагревания.

Образование при горении оксида состава М 2 О характерно только

для лития. Натрий образует пероксид состава М 2 O 2 , калий, рубидий

и цезий - надпероксиды состава МО 2 .

Щелочные металлы энергично взаимодействуют с водой, вытес-из нее водород и образуя соответствующие гидроксиды. Активность взаимодействия этих металлов с водой возрастает по мере увеличения порядкового номера элемента. Так,- литий реагирует с водой без плавления, натрий - плавится, калий - самовозгорает-ся, взаимодействие рубидия и цезия протекает еще более энергично. Щелочные металлы энергично взаимодействуют с галогенами, а при нагревании - с серой.

Гидроксиды щелочных металлов - соединения с преимуществен-

но ионной связью. В водных растворах они нацело диссоциируют

ным характером связи объясняется и их высокая термическая

устойчнвость:они не, отщепляют воду дажепри нагревании до температуры кипения (выше 1300 °С) Исключение составляет, гидроксид лития, который при нагревании разлагается с отщепле-нием,воды. Поведение лития отличается и в других отношениях от поведения остальных щелочных металлов. Это объясняется его неполной электронной аналогией с остальными элементами группы.

Из щелочных металлов только литий при сравнительно не­большом нагревании взаимодействует с азотом, углеродом и крем-нием, образуя соответственно нитрид Li 3 N, карбид Li 2 С 2 и силицид Li 6 Si 2 . В присутствии влаги образование нитрида идёт уже при ком­натной температуре.

В отличие от щелочных металлов, почти все соли которых хорошо растворимы в воде, литий образует малорастворимый фторид LiF карбонат Li 2 CO 3 и фосфат Li 3 PO 4 .

Кальций, стронций и барий по отношению к кислороду и воде ведут себя подобно щелочным металлам. Они разлагают воду с выде­лением водорода и образованием гидроксидов М(ОН) 2 . Взаимодей­ствуя с кислородом, образуют оксиды (СаО) и пероксиды (SrO 2 , ВаО 2), которые реагируют с водой подобно аналогичным соедине­ниям щелочных металлов.

Магний также существенно отличается от щелочноземельных металлов. Например, из-за малой растворимости его гидроксида он не взаимодействует с холодной водой. При нагревании процесс облегчается.

В целом металлы подгруппы ПА химически активны: при нагревании они взаимодействуют с Галогенами и серой с.образо­ванием соответствующих солей, соединяются с молекулярным азотом.

Соли щелочноземельных металлов, как и соли щелочных метал­лов, состоят из ионов. Соли этих металлов окрашивают пламя го­релки в характерные цвета, для соединений Be и Mg этого не наблю­дается.

В отличие от солей щелочных металлов многие соли металлов подгруппы ПА малорастворимы, в частности фториды (кроме BeF 2). сульфаты (кроме BeSО 4 и MgSO 4), карбонаты. Из водных раствороэ Ве 2+ осаждается в виде основных карбонатов перемен-.ного состава, Mg 2+ - в виде 4MgCO 3 -Mg(OH) 2 -5H 2 O, а Са 2+ , Sr 2 + и Ва 2+ осаждаются в виде средних карбонатов МСОз.

А ) Be+2NaOH= Na2BeO2+H2

Al+NaOH+H2O=NaAlO2+H2

Б) Неметаллы, за исключением галогенов, не реагируют с растворами щелочей

Cl2+NaOH=NaClO3+NaCl+H2O

В) кислотные оксиды растворяются только в щелочах с образование соли и воды

SO3+2NaOH=Na2So4+H2o

Г) Амф ме реагируют с сильными щелочами, проявляя этим свои кислотные свойства, например:

ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O Амфотерные оксиды могут реагировать с щелочами двояко: в растворе и в расплаве.

При реакции с щёлочью в расплаве образуется обычная средняя соль(как показано на примере выше).

При реакции с щёлочью в растворе образуется комплексная соль.

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O → 2Na (В данном случае образуется тетрагидроксоаллюминат натрия)

Щелочны́е мета́ллы - это элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации - элементы главной подгруппы I группы) : литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr, и унуненний Uue. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами .

Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, и иногда даже и азоту (Li, Cs) их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

1. Взаимодействие с водой . Важное свойство щелочных металлов - их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водойлитий:

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

2. Взаимодействие с кислородом . Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

· Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава:

· При горении натрия в основном образуется пероксид Na 2 O 2 с небольшой примесью надпероксида NaO 2:

· В продуктах горения калия , рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:

Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:

Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О 2 2− и надпероксид-ион O 2 − .

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО 3 . Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs:

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей :

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

3. Взаимодействие с другими веществами . Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованиемгидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов , сульфидов , нитридов , фосфидов , карбидов исилицидов :

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды . Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы скислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных - аминах и амидах:

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиесяамиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

4. Качественное определение щелочных металлов . Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

Окраска пламени щелочными металлами
и их соединениями

Щелочноземельные металлы.

Щё́лочноземе́льные мета́ллы - химические элементы II-й группы периодической таблицы элементов: бериллий, магний, кальций,стронций, барий и радий .

Физические свойства

Все щёлочноземельные металлы - серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение - стронций). Плотность щёлочноземельных металлов с порядковым номером растёт, хотя явно рост наблюдается только начиная с кальция, который имеет минимальную среди них плотность (ρ = 1,55 г/см³), самый тяжёлый - радий, плотность которого примерно равна плотности железа.

Химические свойства

Щёлочноземельные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня ns ², и являются s-элементами, наряду с щелочными металлами. Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и во всех соединениях имеют степень окисления +2 (очень редко +1).

Химическая активность щёлочноземельных металлов растёт с ростом порядкового номера. Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенамидаже при температуре красного каления (до 600 °C, для реакции с кислородом и другими халькогенами нужна ещё более высокая температура, фтор - исключение). Магний защищён оксидной плёнкой при комнатной температуре и более высоких (до 650 °C) температурах и не окисляется дальше. Кальций медленно окисляется и при комнатной температуре вглубь (в присутствии водяных паров), и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе при комнатной температуре. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов, поэтому их, так же и как щелочные металлы (и кальций), хранят под слоем керосина.

Оксиды и гидроксиды щёлочноземельных металлов имеют тенденцию к усилению основных свойств с ростом порядкового номера: Be(OH) 2 - амфотерный, нерастворимый в воде гидроксид, но растворим в кислотах (а также проявляет кислотные свойства в присутствии сильных щелочей), Mg(OH) 2 - слабое основание, нерастворимое в воде, Ca(OH) 2 - сильное, но малорастворимое в воде основание, Sr(OH) 2 - лучше растворимо в воде, чем гидроксид кальция, сильное основание (щёлочь) при высоких температурах, близких к точке кипения воды (100 °C), Ba(OH) 2 - сильное основание (щёлочь), по силе не уступающее KOH или NaOH, иRa(OH) 2 - одна из сильнейших щелочей, очень коррозионное вещество

Нахождение в природе

Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) в природе. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щёлочноземельным металлом является кальций, количество которого равно 3,38 % (от массы земной коры). Немногим ему уступает магний, количество которого равно 2,35 % (от массы земной коры). Распространены в природе также барий и стронций, которых соответственно 0,05 и 0,034 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 6·10 −4 % от массы земной коры. Что касается радия, который радиоактивен, то это самый редкий из всех щёлочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1·10 −10 % (от массы земной коры)

Алюминий.

Алюми́ний - элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium ). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия нахлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока