Тема: Основные металлы и неметаллы
Урок: Металлы и их свойства. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Алюминий
Главную подгруппу I группы Периодической системы Д.И. Менделеева составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Элементы этой подгруппы относят к . Их общее название - щелочные металлы.
Хотя он не так хорош в качестве проводника, как медь, алюминий в настоящее время конкурирует с ним в электротехнической промышленности из-за его более низкой стоимости. Он также вытеснил другие металлы при производстве кухонной утвари, а также в строительной и транспортной отраслях.
Недавно было обнаружено, что это может быть опасным токсикантом. Алюминий проникает в организм человека по-разному, но особенно через легкие, поскольку воздух, которым мы дышим, загружается микроскопической пылью. Обычно он выводится из мочевого тракта. В случае значительного и длительного всасывания алюминий концентрируется в различных органах: печени, сердце, мозге и костном мозге. Его накопление может привести к различным расстройствам.
Щелочноземельные металлы находятся в главной подгруппе II группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Это магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.
Щелочные и щелочноземельные металлы как типичные металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. У элементов главных подгрупп металлические свойства с увеличением радиуса возрастают. Особенно сильно восстановительные свойства проявляются у щелочных металлов. Настолько сильно, что практически невозможно проводить их реакции с разбавленными водными растворами, так как в первую очередь будет идти реакция взаимодействия их с водой. У щелочноземельных металлов ситуация аналогичная. Они тоже взаимодействуют с водой, но гораздо менее интенсивно, чем щелочные металлы.
Свинец представляет собой серо-голубой металл с металлическим блеском, который запятнает при контакте с воздухом из-за образования оксида, мягкой ковкой пластичной, с низкой прочностью на растяжение и с плотностью 33, которая не обладает эластичностью и плавится при 327 ° С. либо к химическим агентам, но и к соляной кислоте при температуре кипения. Эта группа металлов немного распространена по своей природе, поэтому важно не тратить их впустую, потому что они могут оказаться непригодными для использования.
Предварительное лечение, которое галенит получает, чтобы сконцентрировать его в свинце, известно как флотация. В этом процессе минерал, мелко измельченный, смешивается с определенными маслами и водой. Ведущая руда смачивается маслом и примесями водой. Перемешивание с воздухом дает супернатант, который плавает и содержит в основном минерал свинца, мокрый в масле. Часть концентрированной руды подвергается обжигу воздухом. В результате возникают реакции.
Электронные конфигурации валентного слоя щелочных металлов - ns 1 , где n - номер электронного слоя. Их относят к s-элементам. У щелочноземельных металлов - ns 2 (s-элементы). У алюминия валентные электроны …3 s 2 3р 1 (p-элемент). Эти элементы образуют соединения с ионным типом связи. При образовании соединений для них степень окисления соответствует номеру группы.
Оксид свинца и сульфат смешивают с галенитом и восстанавливают с помощью углерода в печи, где происходят другие реакции. Полученный свинец затем подвергается рафинированию. Использование свинца несколько: в электрических батареях, в трубах и сварных швах, в качестве радиационного щита, и оно добавляется к бензинам, таким как антикноп, в виде тетраэтил свинца.
Легко сплавляется с большинством металлов, а олово образует сварку, используемую в сантехнике, и с мышьяком, который затвердевает, сплав, с которым охотится выстрел. В дополнение к этим применениям свинец покрыт крышами и стенами камер производства серной кислоты. Известно также, что он используется в трубах для воды или для газа для освещения и как элемент в батареях и электрических аккумуляторах. Их длительная ингаляция вызывает заболевание, называемое сатурнизмом, и способствует загрязнению окружающей среды.
Обнаружение ионов металла в солях
Ионы металлов легко определить по изменению окраски пламени. Рис. 1.
Соли лития - карминово-красная окраска пламени. Соли натрия - желтый. Соли калия - фиолетовый через кобальтовое стекло. Рубидия - красный, цезия - фиолетово-синий.
Органы, в которых сконцентрирован алюминий. Что делает золото таким поразительным? Как вы его поняли? Как мы можем найти его в Природе? Плиний уже имел мнение о своем долгожданном металле. Он не верит, что такой блеск дает ему ценность, но не оставляет следов в огне, который может быть растянут и разделен на множество листов: «это может быть не самый твердый металл, но он очень пластичный и ковкий, что делает работу с ним комфортной». Кроме того, автор добавляет: он не ржавеет, не прилипает, не изменяет качество и не уменьшает вес.
Он устойчив к действию соли и уксуса, который сгибает все вещи и, наконец, уже может быть извернут и вязать, как шерсть, без шерсти. Это очень плотный металл с высокой температурой плавления и высоким электронным сродством, что делает его отличным проводником. Наиболее распространенные состояния окисления с 1 и 3 образуют координатные соединения порядка 2, 3, 4 и даже полиядерные с разными порядками. Координационными соединениями являются соединения, образованные центральным металлом и несколькими лигандами, связанными с металлом ковалентными связями.
Соли щелочноземельных металлов: кальция - кирпично-красный, стронция - карминово-красный и бария - желтовато-зеленый. Соли алюминия окраску пламени не меняют. Соли щелочных и щелочноземельных металлов используются для создания фейерверков. И можно легко определить по окраске, соли какого металла применялись.
Свойства металлов
Пример координационного комплекса. Он имеет один радиоактивный изотоп в природе, который равен 138; хотя в медицине изотоп 198 работает на короткий период дезинтеграции. И это было так, так как наш предк видел и удивлялся первому саморозу, увиденному в его глазах. Как мы все знаем, открытие различных металлов и сплавов означало революцию в предыстории. Изобретательность наших предков, чтобы дать им разнообразное применение, сделала не только продвижение цивилизаций, но и поиск месторождений до сегодняшнего дня, по-прежнему связанным с нами.
История дня без солнца Анри Беккерель работал во Франции с сульфатом калия и уранилом, соединением элементарного урана, чтобы увидеть, генерирует ли он рентгеновские лучи под воздействием солнечного света. Однажды, когда солнце не выглядело, Беккерель случайно положил состав на обернутую фотографическую пластину и оставил его в ящике. Позднее ему пришло в голову раскрыть мемориальную доску, и к его большому удивлению он обнаружил в нем черное изображение, контур урановой соли. Некоторое соединение, некоторая форма лучистой энергии, должно пройти сквозь обертку пластины, впечатляя ее так же, как солнечный свет.
Щелочные металлы - это серебристо-белые вещества с характерным металлическим блеском. Они быстро тускнеют на воздухе из-за окисления. Это мягкие металлы, по мягкости Na, K, Rb, Cs подобны воску. Они легко режутся ножом. Они легкие. Литий - самый легкий металл с плотностью 0,5 г/см 3 .
Химические свойства щелочных металлов
1. Взаимодействие с неметаллами
Спустя два месяца после открытия рентгеновских лучей эта мощная энергия, по-видимому, исходит из сердца твердого материала, представляла новые проблемы. Откуда взялась энергия? Холодный уран? В первых экспериментах с урановой рудой Анри Беккерель и Мария Кюри обнаружили три основных типа излучения различной проникающей способности. Это те же самые эманации, вызванные выбросами атомной бомбы, и их опасность для жизни человека пропорциональна их способности перекрещивать защиту. Диаграмма представляет собой излучение образца неустойчивого элемента, полония.
Из-за высоких восстановительных свойств щелочные металлы бурно реагируют с галогенами с образованием соответствующего галогенида. При нагревании реагируют с серой, фосфором и водородом с образованием сульфидов, гидридов, фосфидов.
2Na + Cl 2 → 2NaCl
Литий - это единственный металл, который реагирует с азотом уже при комнатной температуре.
Альфа-частицы, испускаемые образцом, являются самым слабым излучением, которое не может проникнуть на лист текучей бумаги. Наиболее проницательными являются гамма-лучи, своего рода мощные рентгеновские лучи, чтобы защитить себя, из которых нужен слой бетона. Беккерель предложил своим друзьям Пьеру Кюри и его жене Мари, чтобы продолжить расследование тайны. Они взялись за разделение такого вещества, и после двух лет напряженной работы в убогой хижине, Кюри удалось обнаружить в мире не один, а два совершенно новые элементы, излучаемые странную энергию.
6Li + N 2 = 2Li 3 N, образующийся нитрид лития подвергается необратимому гидролизу.
Li 3 N + 3H 2 O → 3LiOH + NH 3
2. Взаимодействие с кислородом
Только с литием сразу образуется оксид лития.
4Li + О 2 = 2Li 2 О, а при взаимодействии кислорода с натрием образуется пероксид натрия.
2Na + О 2 = Na 2 О 2 . При горении всех остальных металлов образуются надпероксиды.
Один, как известно, был радио; другой был назван полонием, в честь мадам. Между тем, интеллектуальные последствия открытия рентгеновских лучей пересекли канал. В Кавендишской лаборатории Кембриджского университета началась вспышка производственной активности, которая сделала лабораторию всемирно известной. Двое мужчин, которые стали главными исследователями внутренней части атома, были посвящены эксперименту с эффектами рентгеновских лучей на газах. Самым старым был директор Кавендиша Джозефа Джона Томсона, которого называли Дж.
Самым молодым был 24-летний новозеландец Эрнест Рутерфорд, который только что прибыл в Англию по стипендии и стал помощником Томсона. Резерфорд, который был неряшливым и сердечным человеком, любил мир экспериментальной качаррии, и его пламя вдохновения, основанное на том, что его гаджеты говорили ему, было феноменальным. Томсон и Резерфорд изучали, что случилось с газом, когда он стал проводником электричества под воздействием рентгеновских лучей. Томсон предположил, что такая проводимость является следствием некоторых положительно и отрицательно заряженных невидимых частиц, генерируемых в газе рентгеновскими лучами, явление, называемое ионизацией.
К + О 2 = КО 2
3. Взаимодействие с водой
По реакции с водой можно наглядно увидеть, как изменяется активность этих металлов в группе сверху вниз. Литий и натрий спокойно взаимодействуют с водой, калий - со вспышкой, а цезий - уже с взрывом.
2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2
4.
8K + 10HNO 3 (конц) → 8KNO 3 + N 2 O +5 H 2 O
8Na + 5H 2 SO 4 (конц) → 4Na 2 SO 4 + H 2 S + 4H 2 O
Он предложил теорию, что они могут даже быть частью легендарного атома, еретической идеи, учитывая тогдашнюю общепринятую концепцию атома как неделимого бильярдного шара. Томсон обратил внимание на отрицательно заряженные частицы, подозревая, что это был шквал этих частиц, которые составляли катодные лучи, которые проходили через трубку Крукса. Другие эксперименты показали, что пучки труб Крюкса можно отвлечь, приблизив магнит к трубе. Томсон, используя электрические и магнитные поля, измерил отклонение, определяя отношение электрического заряда каждой частицы к ее массе.
Получение щелочных металлов
Из-за высокой активности металлов, получать их можно при помощи электролиза солей, чаще всего хлоридов.
Соединения щелочных металлов находят большое применение в разных отраслях промышленности. См. Табл. 1.
Их название связано с тем, что гидроксиды этих металлов являются щелочами, а оксиды раньше называли «земли». Например, оксид бария BaO - бариевая земля. Бериллий и магний чаще всего к щелочноземельным металлам не относят. Мы не будем рассматривать и радий, так как он радиоактивный.
Он также определил скорость частиц. Используемая методика была аналогична определению массы стальной пули, обжигая ее вблизи магнита известной силы и отмечая, как далеко отклоняется траектория пули. Милликан получил Нобелевскую премию за измерение фактического заряда частицы, что позволило точно определить ее массу. Необычный изюм. Частица, которую Томсон открывал, назывался электроном, и он переместился в новое изображение атома. Он представлял себе сферу положительного электричества, в которой его электроны были заложены как изюм в торт.
Химические свойства щелочноземельных металлов.
1. Взаимодействие с неметаллами
Сa + Cl 2 → 2СaCl 2
Сa + H 2 СaH 2
3Сa + 2P Сa 3 P 2-
2. Взаимодействие с кислородом
2Сa + O 2 → 2CaO
3. Взаимодействие с водой
Sr + 2H 2 O → Sr(OH) 2 + H 2 , но взаимодействие более спокойное, чем с щелочными металлами.
4. Взаимодействие с кислотами - сильными окислителями
Каждый элемент имел в своих атомах различное количество электронов, и они всегда располагались особым и обычным способом. Томсон поручил Резерфорду как можно больше узнать о природе положительных и отрицательных частиц, о том, как быстро они сформировались, как долго они продолжались, как быстро они переместились на противоположный полюс, положительный или отрицательный. Резерфорд и другие обнаружили, что уран и другие вещества выбрасывают по крайней мере три разных вида лучей. Когда, например, радиоактивный материал помещался в свинцовый сосуд, лучи, исходящие из отверстия, можно было разделить на три расходящихся пучка, приближаясь к мощному магниту.
4Sr + 5HNO 3 (конц) → 4Sr(NO 3) 2 + N 2 O +4H 2 O
4Ca + 10H 2 SO 4 (конц) → 4CaSO 4 + H 2 S + 5H 2 O
Получение щелочноземельных металлов
Металлический кальций и стронций получают электролизом расплава солей, чаще всего хлоридов.
CaCl 2 Сa + Cl 2
Барий высокой чистоты можно получить алюмотермическим способом из оксида бария
3BaO +2Al 3Ba + Al 2 O 3
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
Один слегка наклонился в одном направлении, второй резко повернулся в противоположном направлении, а третий не поклонился. Первый из этих лучей был привлечен отрицательным терминалом и не был очень проницательным; почти все было остановлено листом бумаги или несколькими дюймами воздуха. Резерфорд назвал этот луч альфа-лучей. Второй луч, который он называл бета-лучами, был привлечен положительным электрическим полюсом и был гораздо более проницательным, чем альфа-лучи. Кроме того, он был похож на другие свойства на пучок быстрых частиц трубки Крукса, а именно на частицы Томсона, идентифицированные как электроны.
Самыми известными соединениями щелочноземельным металлов являются: CaО - негашеная известь. Ca(OH) 2 - гашеная известь, или известковая вода. При пропускании углекислого газа через известковую воду происходит помутнение, так как образуется нерастворимый карбонат кальция СаСО 3. Но надо помнить, что при дальнейшем пропускании углекислого газа образуется уже растворимый гидрокарбонат и осадок исчезает.
Исследования Уильяма Крукса предоставили методы, которые позже использовались для определения атомной структуры. Последний луч лучей, который не отклонялся, был самым проницательным и близко напоминающим рентгеновским лучом. Его первооткрыватель, Пол Виард, назвал их гамма-лучами. Он также показал, что альфа-луч должен быть заряженной тяжелой частицей, вероятно, положительным ионом гелия.
Именно эту альфа-частицу он выбрал для последующего исследования сердца атома. Он взял Ганса Гейгера в качестве своего помощника, молодого немецкого физика, имя которого стало знаком привычного использования в атомной эпохе. Вместе они разработали или адаптировали различные артефакты для индивидуального подсчета альфа-частиц, предков счетчика Гейгера. Один из них - флэш-счетчик, покрытый цинком сульфид. Воздействие альфа-частицы на экран создает небольшую вспышку, видимую с помощью микроскопа.
СaO + H 2 O → Ca(OH) 2
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓+ H 2 O
CaCO 3 ↓+ H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2
Гипс - это CaSO 4 ∙2H 2 O, алебастр - CaSO 4 ∙0,5H 2 O. Гипс и алебастр используются в строительстве, в медицине и для изготовления декоративных изделий. Рис. 2.
Карбонат кальция CaCO 3 образует множество различных минералов. Рис. 3.
Фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 - фосфорит, фосфорная мука используется как минеральное удобрение.
Чистый безводный хлорид кальция CaCl 2 - это гигроскопичное вещество, поэтому широко применяется в лабораториях как осушитель.
Карбид кальция - CaC 2 . Его можно получить так:
СaO + 2C →CaC 2 +CO. Одно из его применений - это получение ацетилена.
CaC 2 + 2H 2 O →Ca(OH) 2 + C 2 H 2
Сульфат бария BaSO 4 - барит. Рис. 4. Используется как эталон белого в некоторых исследованиях.
Жесткость воды
В природной воде содержатся соли кальция и магния. Если они содержатся в заметных концентрациях, то в такой воде не мылится мыло из-за образования нерастворимых стеаратов. При её кипячении образуется накипь.
Временная жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 . Такую жесткость воды можно устранить кипячением.
Ca(HCO 3) 2 CaCO 3 ↓ + СО 2 + Н 2 О
Постоянная жесткость воды обусловлена наличием катионов Ca 2+ ., Mg 2+ и анионов H 2 PO 4 - ,Cl - , NO 3 - и др. Постоянная жесткость воды устраняется только благодаря реакциям ионного обмена, в результате которых ионы магния и кальция будут переведены в осадок.
CaCl 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2NaCl
Алюминий и его соединения
Алюминий занимает 4-е место по распространенности в земной коре, уступая кремнию, кислороду и водороду. В природе он присутствует в виде алюмосиликатов, глин и бокситов. Рис. 5.
По своим химическим свойствам он гораздо менее активен, чем щелочные и щелочноземельные металлы. Во многом это связано с образованием не его поверхности тончайшей пленки оксида, которая препятствует или замедляет многие химические реакции.
Химические свойства алюминия
1. Реакция с галогенами
2Al + 3I 2 2AlI 3
2. Сгорает при нагревании с выделением большого количества теплоты
4Al + 3O 2 2Al 2 O 3 + Q . При этом может развиваться температура до 3500 0 С.
3. Реакция с неметаллами
2Al + 3S Al 2 S 3
4Al + 3С Al 4 С 3
4. Взаимодействует с водой
2Al + 6H 2 O → 2Al(OH) 3 +3H 2 Если снять амальгамированием или механически пленку.
Амальгамирование - это нанесение на поверхность небольшого количества ртути.
5. Алюминий активно восстанавливает металлы из их оксидов (алюмотермия)
Cr 2 O 3 + 2Al → Al 2 O 3 + 2Cr; этот способ используется при получении многих металлов: Mn, Cr, V, W, Ba, Sr и др.
6. Взаимодействует с кислотами-неокислителями
2Al + 6HCl →2AlCl 3 + 3H 2
Алюминий не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами из-за пассивации. С разбавленной серной или азотной кислотой взаимодействует
8Al + 30HNO 3 →8Al(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O
7. Взаимодействие со щелочами. Al, Al 2 O 3 , Al(OH) 3 взаимодействуют со щелочами:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 (амфотерные свойства).
Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O
8. Реагирует с растворами солей
2Al + 3CuCl 2 → 2AlCl 3 + 3Cu
Применение алюминия
Алюминий широко применяется в быту и технике, так как он довольно легок, коррозионно-устойчив и нетоксичен. См. Рис. 6. Часто используются сплавы алюминия. Основной - это дуралюмин (дюралюминий, дюраль). Это сплав алюминия, содержащий медь (массовая доля - 1,4-13%) и небольшие количества магния, марганца и других компонентов. Используется как конструкционный материал в авиа- и машиностроении.
Оксиды и пероксиды способны реагировать с углекислым газом, образуя карбонат и кислород.
Na 2 O 2 + CO 2 → Na 2 CO 3 + 1/2O 2
KO 2 + CO 2 → K 2 CO 3 + 3/2O 2
Если сложить эти 2 уравнения реакции, то получится смесь, выделяющая и 2 моль углекислого газа, и 2 моль кислорода.
Na 2 O 2 + 2KO 2 + 2 CO 2 → Na 2 CO 3 + K 2 CO 3 + 2О 2 . Суммарный объём газа в левой и правой части уравнения будет одинаков. Постоянство объёма газа очень важно, так как такие смеси применяются для удаления CO 2 и превращения его в нужный для дыхания кислород, например, в подводных лодках или космических станциях. Но там не должно происходить перепада давления.
Подведение итога урока
На уроке была раскрыта тема «Металлы и их свойства. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Алюминий». Вы узнали общие свойства и закономерности щелочных и щелочноземельных элементов, изучили по отдельности химические свойства щелочных и щелочноземельных металлов и их соединения. С помощью химических уравнений было рассмотрено такое понятие, как жесткость воды. Познакомились с алюминием, его свойствами и сплавами. Вы узнали, что такое смеси, регенерирующие кислород, озониды, пероксид бария и получение кислорода.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.
2. Попель П.П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П.П. Попель, Л.С.Кривля. - К.: ИЦ «Академия», 2008. - 240 с.: ил.
3. Габриелян О.С.
Домашнее задание
1. №№3, 4, 5-а (с. 173) Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2007. - 220 с.
2. Какую реакцию среды имеет водный раствор сульфида калия? Ответ подтвердите уравнением реакции гидролиза.
3. Определите массовую долю натрия в морской воде, которая содержит 1,5% хлорида натрия.
— — —Щелочные в природе. Получение и свойства щелочных металлов. Вследствие очень легкой окисляемости щелочные встречаются в природе исключительно в виде соединений. и принадлежат к наиболее распространенным на земле элементам: содержание натрия в земной коре составляет 2,40, а калия 2,35 весовых процента. Оба металла входят в состав различных минералов и горных пород силикатного типа. Хлористый находится в морской воде, а также образует мощные отложения каменной соли во многих местах земного шара. В верхних слоях этих отложений иногда содержатся довольно значительные количества калия, преимущественно в виде хлористого калия и в виде двойных солей с натрием и магнием. Однако большие скопления калиевых солей, имеющие промышленное значение, встречаются редко. Наиболее важными из них являются Соликамские месторождения в СССР, стассфуртские - в Германии и эльзасские - во Франции. Залежи натриевой селитры находятся в Чили. Сода содержится в воде многих озер. Наконец, огромные количества сульфата натрия находятся в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря, где эта соль в зимние месяцы толстым слоем осаждается на дно залива.
Значительно меньше, чем и , распространены остальные три щелочных металла: , и . Чаще других встречается , но содержащие его редко образуют большие скопления. Следы лития можно обнаружить в воде многих минеральных источников, в почве, а также в золе некоторых растений, как, например, свеклы, табака, хмеля. и содержатся в малых количествах в некоторых литиевых минералах.
Щелочные всегда находятся в соединениях в виде положительно заряженных ионов. Так как атомы щелочных металлов очень легко окисляются, отдавая свои электроны, ионы их, наоборот, трудно восстанавливаются. Поэтому для восстановления ионов щелочных металлов обычно прибегают к наиболее мощному восстановительному средству - электрическому току. Натрий и получают в технике электролизом расплавленных гидроокисей или расплавленных хлористых солей; получается электролизом расплавленного хлористого лития или смеси расплавленных хлористого лития и хлористого калия.
Все обладают сильным металлическим блеском, который хорошо можно наблюдать на свежем разрезе металла. На воздухе блестящая поверхность металла сейчас же тускнеет вследствие окисления.
Характеризуются незначительной твердостью, высокой электропроводностью, малыми удельными весами и низки-ми температурами плавления и кипения, наименьший удельный вес 0,53 имеет литий, наиболее низкую температуру плавления 28° - .
Основные физические константы щелочных металлов приведены в табл. 28.
Таблица 28
Важнейшие физические константы щелочных металлов
| Константы | Литий Li | Натрий Na | Калий К | Rb | Цезий Cs |
| Удельный вес
Темп. плавл в °С Темп, кипения в °С Радиус атома в Å |
0,53
186 1336 1,57 |
0,97 9
7,7 880 1,92 |
0,86
63 760 2,36 |
1,53
38,5 700 2,53 |
1,9
28 670 2,74 |
Растворяются в жидком аммиаке, образуя , окрашенные в темносиний цвет.
Если внести в несветящее пламя газовой горелки соль щелочного металла, она разлагается и пары освободившегося металла окрашивают пламя в тот или иной характерный для данного металла цвет. Например, литий окрашивает пламя в малиновый цвет, натрий - в желтый и т. д. Рассматривая окрашенное пламя в спектроскоп, мы увидим свойственный данному металлу спектр. Таким путем можно открыть даже незначительные следы этих элементов в исследуемом веществе.
Спектральный анализ. Многочисленные исследования спектров различных веществ, находящихся в газообразном состоянии, показали, что каждому химическому элементу, а также многим сложным веществам соответствует свой характерный спектр, отличающийся от спектров других веществ числом и расположением линий. При исследовании спектров смесей получают от каждого входящего в смесь свойственный ему спектр. Таким образом, по спектру можно устанавливать присутствие тех или иных веществ в смеси. На этом основан специальный метод исследования веществ, получивший название спектрального анализа.
Спектральный анализ имеет огромное значение для химии. Особенно важным он является в тех случаях, когда исследуемое вещество имеется в ничтожном количестве. Чувствительность этого метода далеко оставляет за собою чувствительность обыкновенных химических реакций. Например, характерная желтая линия в спектре натрия видна в спектроскоп, если пламя содержит всего одну миллиардную долю грамма натрия. Многие редкие элементы, встречающиеся в малых количествах, в том числе рубидий и цезий, были открыты только благодаря спектральному анализу.
По своим химическим свойствам щелочные металлы принадлежат к числу наиболее активных элементов. Активность щелочных металлов неодинакова и заметно увеличивается с возрастанием их порядковых номеров. Увеличение активности идет параллельно с увеличением атомных радиусов, т. е. расстояний между валентным электроном и ядром (табл. 28). Такая закономерность вполне понятна: чем дальше от ядра отодвигается валентный электрон, тем слабее становится связь между ним и ядром, тем легче он отрывается от ядра. А так как активность металлов определяется легкостью отдачи валентных электронов, она, естественно, растет в ряду Li - Cs.
Как уже было сказано ранее (см. стр. 168), прочность связи электронов в атоме оценивается величиной энергии ионизации, или ионизационным потенциалом, элемента. Наименьшие ионизационные потенциалы имеют атомы щелочных металлов. Величины ионизационных потенциалов этих элементов характеризуются следующими цифрами (в вольтах):
Li Na К Rb Cs 5,36 5,1 4,32 4,10 3,87
Приведенные данные показывают, что при переходе от лития к цезию ионизационные потенциалы уменьшаются, следовательно, уменьшается и прочность связи наружного электрона с ядром атома.
С низкими ионизационными потенциалами связана способность щелочных металлов легко терять электроны при различных внешних воздействиях, в частности при действии света на чистую поверхность металла. На этом явлении основано действие фотоэлементов - приборов, непосредственно преобразующих световую энергию-в электрическую. Особенно чувствительным к действию света является цезий.
Схема устройства фотоэлемента показана на рис. 139. Стеклянный шарообразный сосуд наполовину покрыт изнутри тонким слоем одного из щелочных металлов. Над слоем металла расположено кольцо или сетка из платиновой проволоки. Колба наполнена неоном или другим инертным газом при очень малом давлении. Сетку и слой металла соединяют с внешней цепью, в которую включают батарею элементов и гальванометр. При отсутствии света цепь остается разомкнутой; ток не проходит через фотоэлемент. Но если осветить поверхность металла, то с нее начинают срываться электроны, летящие в направлении сетки и вызывающие тем самым замыкание цепи и возникновение в ней постоянного тока.
Рис. 139. Схема фотоэлемента
Фотоэлементы широко применяются на практике при передаче изображений на расстояние (например, телевидение), в различных сигнализационных установках, для автоматической регулировки механизмов в звуковом кино и т. п.
Все щелочные металлы энергично соединяются с кислородом.. Рубидий и цезий даже самовоспламеняются на воздухе; литий, натрий и калий загораются при небольшом нагревании. Чрезвычайно характерно, что только литий, сгорая, образует нормальный окисел Li 2 О, остальные же щелочные металлы превращаются в перекиси следующего состава:
Na 2 O 2 ; К 2 O 4 ; Rb 2 O 4 ; Cs 2 O 4
Строение перекисей типа M 2 O 4 , где М - щелочной металл, точно не установлено.
Не менее энергично, чем с кислородом, взаимодействуют щелочные металлы с галогенами, особенно с хлором и фтором.
Так как в ряду напряжений щелочные металлы стоят далеко впереди водорода, то они вытесняют не только из кислот, но и из воды (где концентрация Н’-ионов очень мала), образуя, сильные основания:
2К + 2НОН = 2КОН + Н 2
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, щелочные металлы являются самыми энергичными восстановителями.
Восстановительная способность щелочных металлов настолько велика, что они могут восстанавливать даже атомы водорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы Н’ с электронной конфигурацией инертного газа гелия. Так, при нагревании щелочных металлов в струе водорода получаются твердые кристаллические типа МН, называемые гидридами, в состав которых входит отрицательно заряженный :
2Na + H 2 = 2Na + H —
С водой гидриды взаимодействуют с образованием водорода: и щелочи:
NaH + Н 2 О = NaOH + Н 2
По своему химическому характеру гидриды несколько напоминают соли галогеноводородных кислот. Гидриды щелочных_ металлов растворяются в жидком аммиаке, образуя проводящие ток растворы. При электролизе таких растворов на катоде выделяется металл, а на аноде - ; следовательно, последний находится в растворе з виде анионов Н’:
МН⇄М + Н’
Щелочные металлы образуют большое число солей. За исключением нескольких солей лития (LiF, Li 2 CO 3 , Li 3 PO 4), почти все соли щелочных металлов легко растворимы в воде. Поэтому, если для реакции требуется тот или иной анион, его обычно берут в виде соли щелочного металла. Растворы солей, образованных слабыми кислотами, вследствие гидролиза имеют сильно щелочную реакцию.
Щелочные металлы и их соединения широко используются в технике. Смазки, содержащие соединения лития, сохраняют высокие смазочные свойства в пределах от 120 до -60° и находят широкое применение в авиации. Небольшая добавка едкого лития увеличивает мощность щелочных электрических аккумуляторов и втрое удлиняет срок их службы. Хлористый и бромистый литий применяются в подводных лодках для очистки воздуха. Литиевые соединения входят в состав оптических стекол и т. д. Цезий и рубидий применяются для изготовления фотоэлементов. Особенно же большое практическое значение имеют натрий, калий и их соли.
Вы читаете, статья на тему Щелочные металлы в природе