Щелочные металлы. Положение щелочных металлов в периодической системе и строение атомов. Нахождение в природе. Физические и химические свойства. Применение щелочных металлов и их соединений

Данный урок посвящен изучению строения атомов элементов IА групп и свойств образованных ими простых и сложных веществ. Вы узнаете, почему металлы, образованные элементами IА группы, называют щелочными. Учитель расскажет, в какие химические реакции вступают щелочные металлы, каким способом распознают их соединения.

I. Учебный фильм: “Щелочные металлы”

II. Нахождение в природе

К щелочным металлам относятся элементы первой группы, главной подгруппы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.

Na-2,64% (по массе), K-2,5% (по массе), Li, Rb, Cs - значительно меньше, Fr- искусственно полученный элемент

Хранение щелочных металлов

Натрий

Цезий – самый активный металл на Земле

Li:

Li₂O • Al₂O₃• 4SiO₂ – сподумен

Na: NaCl – поваренная соль (каменная соль), галит

Na₂SO₄• 10H₂O – глауберова соль (мирабилит)

NaNO₃ – чилийская селитра

Na₃AlF₆ - криолит
Na₂B₄O₇· 10H₂O - бура

K: KCl • NaCl – сильвинит

KCl • MgCl₂• 6H₂O – карналлит

K₂O • Al₂O₃• 6SiO₂ – полевой шпат (ортоклаз)

Литий

Элемент №3, названный литием (от греческого λιτοσ – камень), открыт в 1817 г.Шведский химик И.А. Арфведсон, ученик знаменитого Берцелиуса, анализировал минерал, найденный в железном руднике Уто.

С виду минерал, в котором нашли новый элемент, был камень как камень, и потому Берцелиус предложил Арфведсону назвать новый элемент литием. Тот, видимо, не стал спорить, ибо это название сохранилось до наших дней. В большинстве европейских языков, как и в латыни, элемент №3 называется Lithium.

Натрий

3 января 1959 г. в небе появилась комета. Не обычная комета – искусственная: из летящей к Луне советской космической ракеты было выпущено облако паров натрия. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля – Луна.

По распространенности на нашей планете натрий занимает шестое место среди всех элементов. И не удивительно, что с соединениями натрия наши предки познакомились очень давно. Питекантропу хлористый натрий был так же необходим, как и современному человеку.

В Ветхом завете упоминается некое вещество «нетер». Это вещество употреблялось, по современной терминологии, как моющее средство. Скорее всего нетер – это просто сода, углекислый натрий, который образовывался в соленых египетских озерах с известковыми берегами. Об этом же веществе, но под названием «нитрон» писали позже греческие авторы Аристотель, Диоскорид, а древнеримский историк Плиний Старший, упоминая это же вещество, называл его уже «нитрум». (Как это часто бывает, в конце концов возникла путаница, и в XVI в. термином «нитрум» обозначали селитру – азотнокислый натрий.)

У арабских алхимиков вместо «нитрум» употреблялся термин «натрон». От «натрона» и произошло современное название «натрий».

Калий

Человечество знакомо с калием больше полутора веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г., Хэмфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого кали он получил «маленькие шарики с сильным металлическим блеском... Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом». Это и был калий.

Слово это арабского происхождения. По-арабски, «аль-кали» – зола растений. Впервые калии получен из едкого кали, а едкое кали – из поташа, выделенного из золы растений... Впрочем, в английском и других европейских языках сохранилось название potassium, данное калию его первооткрывателем X. Дэви. Как нетрудно догадаться, эта слово берет начало от слова «поташ».

В русскую химическую номенклатуру название «калий» введено в 1831 г. Г.И. Гессом.

Рубидий

С первого взгляда рубидий не производит особого впечатления. Правда, его демонстрируют не на черном бархате, а в запаянной и предварительно вакуумированной стеклянной ампуле. Своим внешним видом – блестящей серебристо-белой поверхностью этот щелочной металл напоминает большинство других металлов. Однако при более близком знакомстве выявляется ряд присущих ему необычайных, подчас уникальных особенностей.

Так, стоит лишь несколько минут подержать в руках ампулу с рубидием, как он превращается в полужидкую массу – ведь температура плавления рубидия всего 39°C.

Почему его назвали рубидием? Rubidus – по-латыни «красный». Казалось бы, это имя скорее подходит меди, чем очень обыкновенному по окраске рубидию. Но не будем спешить с выводами.

Это название было дано элементу №37 его первооткрывателями Кирхгофом и Бунзеном. Сто с лишним лет назад, изучая с помощью спектроскопа различные минералы, они заметили, что один из образцов лепидолита, присланный из Розены (Саксония), дает особые линии в темно-красной области спектра. Эти линии не встречались в спектрах ни одного известного вещества. Вскоре аналогичные темно-красные линии были обнаружены в спектре осадка, полученного после испарения целебных вод из минеральных источников Шварцвальда. Естественно было предположить, что эти линии принадлежат какому-то новому, до того неизвестному элементу. Так в 1861 г. был открыт рубидий.

Цезий

Если бы писателю-беллетристу пришлось заняться «биографией» цезия, то он, может быть, начал так: «Открыт цезий сравнительно недавно, в 1860 г., в минеральных водах известных целебных источников Шварцвальда (Баден-Баден и др.). За короткий исторический срок прошел блистательный путь – от редкого, никому не ведомого химического элемента до стратегического металла. Принадлежит к трудовой семье щелочных металлов, по в жилах его течет голубая кровь последнего в роде... Впрочем, это нисколько не мешает ему общаться с другими элементами и даже, если они не столь знамениты, он охотно вступает с ними в контакты и завязывает прочные связи. В настоящее время работает одновременно в нескольких отраслях: в электронике и автоматике, в радиолокации и кино, в атомных реакторах и на космических кораблях...».

Не принимая всерьез шутливого топа и некоторых явно литературных преувеличений, это жизнеописание можно смело принять за «роман без вранья». Не беспредметен разговор о «голубой крови» цезия – впервые он был обнаружен по двум ярким линиям в синей области спектра и латинское слово «caesius», от которого произошло его название, означает небесно-голубой. Неоспоримо утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», который должен был следовать в I группе за цезием. И этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. Однако франций существует лишь в виде быстро распадающихся радиоактивных изотопов с периодами полураспада в несколько минут, секунд или даже тысячных долей секунды. Наконец, правда и то, что цезий применяется в некоторых важнейших областях современной техники и науки.

Можно ещё почитать

О литии

О натрии

О калии

О рубидии

О цезии

О франции

III. Физические свойства щелочных металлов

Низкие температуры плавления, малые значения плотностей, мягкие, режутся ножом.

IV. Строение атомов

С увеличением порядкового номера атомный радиус увеличивается, способность отдавать валентные электроны увеличивается и восстановительная активность увеличивается:

Строение атома лития

Строение атома натрия

V. Химические свойства

Типичные металлы, очень сильные восстановители. В соединениях проявляют единственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличивается с ростом атомной массы. Все соединения имеют ионный характер, почти все растворимы в воде. Гидроксиды R–OH – щёлочи, сила их возрастает с увеличением атомной массы металла.

Воспламеняются на воздухе при умеренном нагревании. С водородом образуют солеобразные гидриды. Продукты сгорания чаще всего пероксиды.

Восстановительная способность увеличивается в ряду Li–Na–K–Rb–Cs

1. Взаимодействие с водой

Опыт: “Взаимодействие щелочных металлов с водой”

2Na + 2H₂O= 2NaOH + H₂ + Q

Взаимодействие натрия с водой

Рис. 2. Взаимодействие натрия с водой

Опыт: “Взаимодействие натрия с водой”

2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂

2. Реакция с кислотами:

2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂

3. Реакция с кислородом:

4Li + O₂ → 2Li₂O(оксид лития)

2Na + O₂ → Na₂O₂(пероксид натрия)

K + O₂ → KO₂(надпероксид калия)

На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.).

4. В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:

2Li + Cl₂ → 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na₂S (сульфиды)

Взаимодействие натрия с серой при комнатной температуре

Рис. 1. Взаимодействие натрия с серой при комнатной температуре

2Na + H₂ → 2NaH (гидриды)

6Li + N₂ → 2Li₃N (нитриды)

2Li + 2C → Li₂C₂(карбиды)

5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов - окрашивание пламени в следующие цвета:

Li⁺ – карминово-красный

Na⁺ – желтый

K⁺, Rb⁺ и Cs⁺ – фиолетовый

Видео: "Окрашивание пламени солями калия и натрия"

VI. Получение и применение

Т.к. щелочные металлы - это самые сильные восстановители, их можно восстановить из соединений только при электролизе расплавов солей:
2NaCl=2Na+Cl₂

Применение щелочных металлов

Литий - подшипниковые сплавы, катализатор

Натрий - газоразрядные лампы, теплоноситель в ядерных реакторах

Рубидий - научно-исследовательские работы

Цезий – фотоэлементы

VII. Оксиды, пероксиды и надпероксиды щелочных металлов

1. Получение

Окислением металла получается только оксид лития

4Li + O₂ → 2Li₂O

(в остальных случаях получаются пероксиды или надпероксиды).

Все оксиды (кроме Li₂O) получают при нагревании смеси пероксида (или надпероксида) с избытком металла:

Na₂O₂ + 2Na → 2Na₂O

KO₂ + 3K → 2K₂O

Опыт: "Самовозгорание цезия на воздухе"

2. Химические свойства

Типичные основные оксиды.

Реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li₂O + H₂O → 2LiOH

Na₂O + SO₃ → Na₂SO₄

K₂O + 2HNO₃→ 2KNO₃ + H₂O

Пероксид натрия Na₂O₂

Получение

2Na + O₂ → Na₂O₂

Химические свойства

1. Сильный окислитель:

2NaI + Na₂O₂ + 2H₂SO₄ → I₂ + 2Na₂SO₄ + 2H₂O

2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂

2. Разлагается водой:

Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂

Надпероксид калия KO₂

Получение

K + O₂ → KO₂

Химические свойства

1. Сильный окислитель:

4KO₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + 3O₂

2. Разлагается водой:

2KO₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂ + O₂

Гидроксиды щелочных металлов – ROH

Белые, кристаллические вещества, гигроскопичны; хорошо растворимы в воде (с выделением тепла). В водных растворах нацело диссоциированы.

NaOH-едкий натр, каустическая сода, KOH-едкое кали

Получение

1. Электролиз растворов хлоридов:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂+ Cl₂

2. Обменные реакции между солью и основанием:

K₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + 2KOH

3. Взаимодействие металлов или их основных оксидов (или пероксидов и надпероксидов) с водой:

2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂

Li₂O + H₂O → 2LiOH

Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂

Химические свойства

1. R–OH – сильные основания (щелочи) реагируют с кислотными оксидами и кислотами:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Опыт: “Взаимодействие гидроксида натрия с соляной кислотой”

2. Взаимодействуют с солями, если в продуктах образуется нерастворимое основание: 3NaOH + FeCl3 → Fe(OH)3↓+ 3NaCl

Соли

Типично ионные соединения, как правило - хорошо растворимы в воде, кроме некоторых солей лития.

Na₂CO₃ 10H₂O - кристаллическая сода
Na₂CO₃ - кальцинированная сода
NaHCO₃ - питьевая сода
K₂CO₃ – поташ

Получение соды (дополнительно):
1.Аммиачный способ - насыщение раствора NaCl газами CO₂ и NH₃
NH₃+CO₂+H₂O=NH₄HCO₃
NH₄HCO₃ +NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl
NaHCO₃ малорастворим на холоде.
2.Кальцинирование - прокаливание:
NaHCO₃=Na₂CO₃+CO₂+H₂O