Щелочные металлы (литий натрий калий рубидий цезий франций)

В группу щелочных металлов входит следующий ряд металлов:

1. Литий Li.
2. Натрий Na.
3. Калий К.
4. Рубидий Rb.
5. Цезий Cs.
6. Франций Fr.

Это элементы 1-й группы (устаревшая классификация: главной подгруппе I группы периодической системы).

Что такое щелочные металлы

Все эти металлы сходны в том отношении, что на внешнем электронном слое их имеется один электрон (таблице).

Щелочные металлы относятся к числу s — элементов.

Электрон внешнего электронного слоя атома щелочного металла по сравнению с другими элементами того же периода наиболее удален от ядра.

То есть радиус атома щелочного металла наибольший по сравнению с радиусами атомов других элементов того же периода.

Таблица распределения электронов по энергетическим уровням у атомов щелочных металлов.

Элемент	Заряд ядра	Число электронов на энергетических уровнях							Радиус атома
Литий Li	+ 3	2	1
Натрий Na	+ 11	2	8	1
Калий К	+ 19	2	8	8	1
Рубидий Rb	+ 37	2	8	18	8	1
Цезий Cs	+ 55	2	8	18	18	8	1
Франций Fr	+ 87	2	8	18	32	18	1

В связи с этим валентный электрон внешнего слоя атомов щелочных металлов легко отрывается, превращая их в положительные однозарядные ионы.

Этим обусловлено то, что соединения щелочных металлов с другими элементами построены по типу ионной связи.

В окислительно-восстановительных реакциях щелочные металлы ведут себя как сильные восстановители, и эта способность возрастает от металла к металлу с увеличением заряда ядра атома.

Среди металлов щелочные металлы проявляют наиболее высокую химическую активность. В ряду напряжений все щелочные металлы располагаются в начале ряда.

Электрон внешнего электронного слоя является единственным валентным электроном, поэтому щелочные металлы в любых соединениях одновалентны.

Степень окисления щелочных металлов обычно +1.

Таблица физических свойств щелочных металлов.

Натрий встречается в природе только в виде солей. Наиболее распространенной солью натрия является поваренная соль NaCl, а также минерал сильвинит КCl · NaCl и некоторые сернокислые соли.

Например глауберова соль Na₂SO₄ · 10H₂O, встречающаяся в больших количествах в заливе Каспийского моря Кара-Богаз-Гол.

Из поваренной соли NaCl металлический натрий получают путем электролиза расплава этой соли. Установка для электролиза изображена на рис. 2.

В расплавленную соль опускают электроды. Анодное и катодное пространство разделено диафрагмой, которая изолирует образующийся хлор от натрия, чтобы не произошло обратной реакции.

Положительный ион натрия принимает с катода электрон и превращается в нейтральный атом натрия. Нейтральные атомы натрия собираются на катоде в виде расплавленного металла.

Происходящий на катоде процесс можно изобразить следующей схемой:

Na⁺ +  Na⁰.

Поскольку на катоде происходит принятие электронов, а всякое принятие электронов атомом или ионом является восстановлением, то ионы натрия на катоде восстанавливаются.

На аноде ионы хлора отдают электроны, т. е. происходит процесс окисления и выделение свободного газообразного хлора, что можно изобразить следующей схемой:

Cl^— — е^— → Cl⁰

Полученный металлический натрий имеет серебристо-белый цвет, легко режется ножом.

Срез у натрия, если его рассмотреть сразу после разреза, имеет яркий металлический блеск, но быстро тускнеет вследствие крайне быстрого окисления металла.

Рис. 2. Схема установки для электролиза расплава поваренной соли. 1 — кольцевой катод; 2 — колокол для выведения газообразного хлора из анодного пространства.

Если натрий окислять в небольшом количестве кислорода при температуре около 180°, то получается окись натрия:

4Na + О₂ = 2Na₂O.

При горении в кислороде получается перекись натрия:

2Na + O₂ = Na₂O₂.

При этом натрий сгорает ослепительно желтым пламенем.

В связи с легкой и быстрой окисляемостью натрия его хранят под слоем керосина или парафина, причем парафин предпочтительнее.

Так как в керосине все же растворяется некоторое количество воздуха и окисление натрия хотя и медленно, но все же происходит.

Натрий может давать соединение с водородом — гидрид натрия NaH, в котором водород проявляет степень окисления — 1.

Это соле подобное соединение, которое по характеру химической связи и величине степени окисления отличается от летучих гидридов элементов главных подгрупп IV—VII группы.

Металлический натрий может реагировать не только с кислородом и водородом, но и с многими простыми и сложными веществами.

Например, при растирании в ступке с серой натрий бурно реагирует с ней, образуя сульфид натрия:

2Na + S = Na₂S

Реакция сопровождается вспышками, поэтому ступку нужно держать подальше от глаз и обернуть руку полотенцем.

Для реакции следует брать небольшие кусочки натрия.

Натрий энергично сгорает в хлоре с образованием хлорида натрия, что особенно хорошо наблюдать в хлор-кальциевой трубке, в которой через расплавленный и сильно разогретый натрий пропускают ток хлора:

2Na + Сl₂ = 2NaCl

Натрий реагирует не только с простыми, но и со сложными веществами/

Примером может служить вода Н₂О, вытесняя из нее водород, так как является весьма активным металлом, в ряду напряжений стоит намного левее водорода и легко вытесняет последний из воды.

Пример:

2Na + 2Н₂O = 2NaOH + H₂

Загоревшийся щелочной металл нельзя тушить водой. Лучше всего засыпать его порошком кальцинированной соды.

В присутствии натрия бесцветное пламя газовой горелки окрашивается в желтый цвет.

Металлический натрий можно использовать как катализатор в органическом синтезе, например при производстве синтетического каучука из бутадиена.

Он служит исходным веществом для получения других соединений натрия, например перекиси натрия.

➡️ 27. Докажите с помощью приведенных в тексте уравнений реакций с участием металлического натрия, что он ведет себя как восстановитель. (См. Ответ)

28. Почему натрий нельзя хранить на воздухе?

29. Ученик опустил в раствор сульфата меди кусочек натрия, надеясь вытеснить из соли металлическую медь. Вместо металла красного цвета получился студенистый голубой осадок.

Опишите происшедшие реакции и напишите их уравнения в молекулярной и ионной формах. Как следовало изменить условия реакции, чтобы реакция привела к желаемому результату?

Уравнения напишите в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.

30. В сосуд с 45 мл воды поместили 2,3 г металлического натрия. Какова концентрация раствора едкого натра, образовавшегося по окончании реакции.

31. Какие средства можно применять при тушении загоревшегося натрия? Дайте обоснованный ответ. (См. Ответ)

---

Кислородные соединения натрия. Едкий натр

Кислородными соединениями натрия, как уже было сказано, являются окись натрия Na₂O и перекись натрия Na₂O₂.

Окись натрия Na₂O особого значения не имеет.

Она энергично реагирует с водой, образуя едкий натр:

Na₂O + Н₂O = 2NaOH

Перекись натрия Na₂О₂ — желтоватый порошок.

Ее можно рассматривать как своеобразную соль перекиси водорода, ибо структура ее такая же, как у Н₂O₂. Как и перекись водорода, перекись натрия является сильнейшим окислителем.

При действии воды она образует щелочь и перекись водорода:

Na₂O₂ + Н₂O = Н₂O₂ + 2NaOH

Перекись водорода образуется и при действии разбавленных кислот на перекись натрия:

Na₂O₂ + H₂SO₄ = Н₂O₂ + Na₂SO₄

Все указанные выше свойства перекиси натрия позволяют использовать ее для отбелки все возможных материалов.

Рис. 3. Схема установки для электролиза раствора поваренной соли. 1 — анод; 2 — диафрагма, разделяющее анодное и катодное пространство; 3 —катод.

Очень важным соединением натрия является гидроокись натрия, или едкий натр, NaOH. Его называют также каустической содой, или просто каустиком.

Для получения едкого натра используют поваренную соль — наиболее дешевое природное соединение натрия, подвергая ее электролизу, но в этом случае применяют не расплав, а раствор соли (рис. 3).

На рис. 3 показано, что анодное и катодное пространство разделено диафрагмой.

Это сделано с той целью, чтобы образующиеся продукты не вступали между собой во взаимодействие.

Например:

Сl₂ + 2NaOH = NaClO + NaCl + Н₂O.

Едкий натр — твердое кристаллическое вещество белого цвета, прекрасно растворимое в воде.

При растворении едкого натра в воде выделяется большое количество тепла и раствор сильно разогревается.

Едкий натр необходимо хранить в хорошо закупоренных сосудах, чтобы предохранить его от проникновения водяных паров, под действием которых он может сильно увлажниться.

А также двуокиси углерода, под действием которой едкий натр может постепенно превратиться в карбонат натрия:

2NaOH + СO₂ = Na₂CO₃ + Н₂O.

Едкий натр — типичная щелочь, поэтому меры предосторожности при работе с ним такие же, как и при работе с любыми другими щелочами.

Едкий натр применяется во многих отраслях промышленности.

Например:

1. Для очистки нефтепродуктов.
2. Производства мыла из жиров.
3. В бумажной промышленности.
4. В производстве искусственного волокна и красителей.
5. Производстве медикаментов и др. (рис. 4).

▷ Запишите в тетрадь области применения едкого натра.

Из солей натрия следует отметить в первую очередь поваренную соль NaCl, которая служит основным сырьем для получения едкого натра и металлического натрия, соду Na₂CO₃, сульфат натрия Na₂SO₄, нитрат натрия NaNO₃ и др.

Рис. 4. Применение едкого натра.

➡️32. Опишите способ получения едкого натра электролизом поваренной соли. (См. Ответ)

33. Едкий натр можно получить действием на карбонат натрия гашеной известью.

Составьте молекулярную и ионные формы уравнения этой реакции, а также рассчитайте, сколько соды, содержащей 95% карбоната, потребуется для получения 40 кг едкого натра.

34. Почему при хранении раствора едкого натра в склянках с притертыми пробками пробки «заедают» и их нельзя вынуть?

Если же в течение некоторого срока подержать склянку опрокинутой в воду, то пробка свободно вынимается. Объясните, приведя уравнения реакций, что за процессы имеют место в данном случае.

35. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионных формах, характеризующих свойства едкого натра как типичной щелочи.

36. Какие меры предосторожности следует соблюдать при работе с едким натром? Какие меры первой помощи следует оказать при ожогах едким натром? (См. Ответ)

---

Калий

Калий К — также довольно распространенный щелочной металл, отличающийся от натрия величиной атомного радиуса (четвертый период) и потому обладающий большей химической активностью, чем натрий.

Электронная конфигурация атома калия:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Структура его внешнего электронного слоя:

Калий — мягкий металл, который хорошо режется ножом. Во избежание окисления его, как и натрий, хранят под слоем керосина.

С водой калий реагирует еще более бурно, чем натрий, с образованием щелочи и с выделением водорода, который загорается:

2К + 2Н₂O = 2КОН + Н₂.

При сжигании в кислороде (при этом для сжигания рекомендуется брать еще более мелкие кусочки металла, чем для сжигания натрия) он, подобно натрию, сгорает очень энергично с образованием перекиси калия.

Следует отметить, что в обращении калий гораздо опаснее натрия. Сильный взрыв может произойти даже при разрезании калия, поэтому обращаться с ним нужно еще осторожнее.

Гидроокись калия, или едкое кали КОН — белое кристаллическое вещество. Едкое кали во всех отношениях сходно с едким натром.

Они широко применяются в мыловаренной промышленности, но его получение обходится несколько дороже, поэтому такого применения, как NaOH, оно не находит.

Соли калия следует отметить особо, так как некоторые из них широко используются в качестве удобрения.

Таковы хлорид калия КСl, нитрат калия KNO₃, который является также азотным удобрением.

➡️ 37. Чем объяснить то, что едкое кали химически активнее едкого натра? (См. Ответ)

38. В кристаллизатор с водой опустили кусочек калия. После того как реакция закончилась, туда же поместили немного гидроокиси цинка в виде белого студенистого осадка.

Осадок исчез, а при испытании раствора фенолфталеином последний окрасился в малиновый цвет. Какие химические процессы здесь произошли?

Какие вещества находятся в растворе? Дайте обоснованный ответ.

39. Почему калий, как и все щелочные металлы, относят к семейству s-элементов? (См. Ответ)

Статья на тему Щелочные металлы