Металлы IA-группы: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 4: "Металлы IA"

Общая характеристика. В главную подгруппу I группы Периодической системы ( IA группу) входят элементы литий Li , натрий Na , калий K , рубидий Rb , цезий Cs и радиоактивный франций Fr . Реагируя с водой, эти металлы образуют растворимые гидроксиды, сильные основания, называемые щелочами — отсюда и происходит их общее групповое название «щелочные металлы». Щелочные металлы открывают каждый период, начиная со второго; следовательно, у них имеется только по одному электрону на внешнем энергетическом уровне. Валентные ns^1 электроны этих элементов легко могут быть удалены, так как атому энергетически выгодно отдать один электрон, превратившись в положительно заряженный ион и приобретя конфигурацию инертного газа. Поэтому все простые вещества — щелочные металлы проявляют сильные восстановительные свойства. От Li к Cs увеличивается радиус атома и уменьшается энергия ионизации. Простые вещества — металлы IА группы имеют серебристо-белый цвет, и только цезий — золотистый. Они очень мягкие, их можно резать ножом. У всех этих металлов низкая температура плавления, которая уменьшается от Li к Cs (последний плавится уже при 28^\circC ). У лития, натрия и калия плотность меньше 1 г/см ^3 , они легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней. Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде и кислороду их хранят под изолирующим от атмосферы слоем керосина.

Нахождение в природе. Щелочные металлы химически очень активны, поэтому не встречаются в природе в виде простых веществ. Их можно обнаружить либо в минералах в виде соединений с другими элементами, либо в форме ионов в морской воде. Морская вода содержит растворённый хлорид натрия NaCl , а в почве присутствуют соли калия, например сильвин KCl и карналлит KCl \cdot MgCl_2 . Другие минералы, содержащие щелочные металлы: каменная соль NaCl , калийная селитра KNO_3 , чилийская селитра NaNO_3 , криолит Na_3AlF_6 . Из древесной золы можно выделить поташ K_2CO_3 .

Натрий и калий являются жизненно важными элементами. В тканях млекопитающих действует система транспорта ионов натрия или калия, называемая калий-натриевый насос. Он обеспечивает необходимое соотношение концентраций ионов натрия или калия во внеклеточном и внутриклеточном пространстве.

Химические свойства. Важным свойством щелочных металлов является их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно, без взрыва, реагирует с водой литий: 2Li + 2H_2O \xrightarrow{t} 2LiOH + H_2\uparrow.

При проведении аналогичной реакции с маленьким кусочком натрия наблюдаются жёлтое пламя и небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет. Поэтому очевидно, что реакции щелочных металлов с любыми веществами в водных растворах проводить не следует (металл будет активно взаимодействовать с водой).

Взаимодействие с кислородом. В зависимости от металла продукты горения элементов IА группы на воздухе имеют разный состав.

Литий сгорает на воздухе с образованием оксида: 4Li + O_2 \xrightarrow{t} 2Li_2O.

Натрий при горении на воздухе в основном образует пероксид Na_2O_2 с небольшой примесью надпероксида NaO_2 : 2Na + O_2 \xrightarrow{t} Na_2O_2.

Калий, рубидий и цезий сгорают в основном до надпероксидов: K + O_2(изб) \xrightarrow{t} KO_2.

Тяжёлые щелочные металлы способны к образованию относительно устойчивых озонидов: K + O_3 = KO_3.

Чтобы получить оксиды натрия и калия, приходится нагревать смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода: 2NaOH + 2Na \xrightarrow{t} 2Na_2O + H_2\uparrow, Na_2O_2 + 2Na \xrightarrow{t} 2Na_2O, KO_2 + 3K \xrightarrow{t} 2K_2O.

Оксиды щелочных металлов — типичные основные оксиды: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами: Li_2O + H_2O = 2LiOH, K_2O + SO_3 = K_2SO_4, Na_2O + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + H_2O.

Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов — сильные окислители: 2NaI + Na_2O_2 + 2H_2SO_4 = I_2\downarrow + 2Na_2SO_4 + 2H_2O, 2Cr(OH)_3(тв) + 3Na_2O_2(тв) = 2Na_2CrO_4 + 2NaOH + 2H_2O.

Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды и пероксид водорода: Na_2O_2 + 2H_2O = 2NaOH + H_2O_2, 2KO_2 + 2H_2O = 2KOH + H_2O_2 + O_2\uparrow.