- Что представляют собой
- Электронная формула, в какую группу входят
- Последовательность открытия щелочных металлов
- Особенности структуры
- Тест по теме
- Какую валентность имеют щелочные металлы?
- Строение атомов щелочных металлов
- Как представлены в природе
- Меры предосторожности при работе с ними
- Технология получения
- Что мы узнали?
- Кристаллическое состояние
- Применение
- Физико-химические свойства
- Физические характеристики
- Химические параметры
- Как опознать щелочной металл
- Где используются
- Взаимодействие
- Химические и физические свойства
- Какие элементы относятся к щелочным металлам
- Распространение в природе и получение
Что представляют собой
Щелочные металлы – это элементы, занимающие почти весь первый столбец таблицы Менделеева. Кроме них, там расположился только водород.
К щелочным металлам относятся:
литий;- натрий;
Свежесрезанный натрий - калий.
Калий под слоем ТГФ
Плюс:
рубидий;
цезий;- франций.
Названы щелочными вследствие растворимости соединений водой.
Результат воздействия воды – гидроксиды. Они также растворимы, потому называются щелочами.
Древние славяне под выщелачиванием подразумевали растворение вещества водой.
Электронная формула, в какую группу входят
Строение атомов щелочных металлов, которые расположены в IA группе, можно свести к таблице следующего вида:
Источник: urok.1sept.ru
Электронное строение щелочных металлов предусматривает наличие на внешнем уровне одного неспаренного электрона. Электронная конфигурация внешнего уровня ns1. Примеры электронных формул (сокращенных и полных) приведены в таблице:
Источник: compendium.su
Последовательность открытия щелочных металлов
Британский химик и физик Г. Дэви в 1807 году провел электролиз расплавов щелочей, впервые получив натрий и калий в свободном виде. В 1817 году шведский ученый Иоганн Арфведсон открыл элемент литий в минералах, а в 1825-м Г. Дэви выделил чистый металл. Рубидий был впервые обнаружен в 1861 году Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Немецкие исследователи анализировали состав алюмосиликатов и получили в спектре красную линию, соответствующую новому элементу. В 1939 году сотрудница Парижского института радиоактивности Маргарита Пере установила существование изотопа франция. Она же дала название элементу в честь своей родины. Унуненний (эка-франций) — предварительное название нового вида атомов с порядковым номером 119. Временно используется химический символ Uue. Исследователи с 1985 года предпринимают попытки синтеза нового элемента, который станет первым в 8-м периоде, седьмым в 1-й группе.
Особенности структуры
У атома щелочного металла на внешнем слое один электрон. Степень окисления у металлов группы одна – +1.
Этим обусловлена сходность характеристик элементов щелочного сегмента.
Тест по теме
- /10Вопрос 1 из 10
Какую валентность имеют щелочные металлы?
- I
- II
- III
- IV
Начать тест Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Алина Газафарова8/10
Екатирина Камышанова8/10
Евгений Касаткин10/10
Юрий Морозилка8/10
Строение атомов щелочных металлов
Для элементов 1-й группы характерно наличие второго энергетического уровня, повторяющего строение предшествующего инертного газа. У лития на предпоследнем слое — 2, у остальных — по 8 электронов. В химических реакциях атомы легко отдают внешний s-электрон, приобретая энергетически выгодную конфигурацию благородного газа. Элементы 1-й группы обладают малыми величинами энергии ионизации и электроотрицательности (ЭО). Они легко образуют однозарядные положительные ионы. При переходе от лития к францию возрастает количество протонов и электронов, радиус атома. Рубидий, цезий и франций легче отдают внешний электрон, чем предшествующие им в группе элементы. Следовательно, в группе сверху вниз увеличивается восстановительная способность.
Как представлены в природе
Щелочная группа представлена на планете по-разному:
- Самые распространенные элементы – натрий с калием.
- Литий, рубидий, цезий причислены к редким и рассеянным.
- Самым редкостным щелочным металлом является франций. По редкости этот радиогенный материал – второй на планете: суммарный объем в земной коре не превышает трети килограмма.
Из-за повышенной активности щелочные металлы в природе не встречаются. Лишь как соединения с прочими элементами.
Поставщики натрия с калием:
- Хлорид натрия – обычная каменная соль. Ее содержит вода морей и океанов.
- Глауберова соль.
- Соли калия находят в почвах.
Металлы входят в структуру ряда минералов. Это в основном алюмосиликаты: альбит – натриевый; ортоклаз (полевой шпат) – калийный.
Меры предосторожности при работе с ними
Из-за высокой химической активности работа со щелочными металлами должна осуществляться с большой осторожностью. Для их хранения выделяются отдельные емкости, которые запаивают и помещают в них слой вазелинового масла или керосина. Тогда предотвращается взаимодействие с воздухом, в частности с кислородом, и исключается горение.
На каждом предприятии, где осуществляются работы с этими химическими элементами и их соединениями, разрабатываются специальные правила безопасности и меры предосторожности, исключающие наступление аварийных ситуаций и производственных травм.
Все сотрудники перед получением допуска к работе должны пройти обязательный производственный инструктаж, который бывает предварительный (перед началом работы) и периодический (через равные промежутки времени — ежеквартально, ежегодно). Они включают качественное изучение требований нормативных документов по безопасности труда и производственному нормированию.
Сотрудники на своих рабочих местах должны находиться в защитной спецодежде, быть оснащены средствами индивидуальной защиты (для органов зрения, дыхания, кожных покровов).
Поскольку растворы щелочных металлов — щелочи, их воздействие на кожу может привести к ожогам и раздражениям. Щелочи при попадании брызг в глаза могут спровоцировать отторжение ветвей глазного нерва и вызвать полную слепоту.
Выше описана возможность бурной реакции металлов с кислородом вплоть до взрыва. Поэтому рабочие места укомплектовываются средствами пожаротушения, которые периодически проходят технические проверки своей исправности. Щелочные металлы нельзя тушить водой, так как они вступают в реакцию с ней.
Натрий и калий можно тушить аргоном и азотом. Аргон эффективнее, поскольку существенно тяжелее воздуха. Литий продолжает гореть в атмосфере азота и диоксида углерода. Для тушения горящего лития разработаны специальные порошковые составы Вексон-D3 на основе различных флюсов и графита с гидрофобизирующими добавками.
С соблюдением техники безопасности проводится и утилизация отходов после работы. Они подвергаются нейтрализации с применением специальных составов, разрешенных для применения компетентными органами.
Технология получения
Щелочные металлы получают несколькими способами:
- Электролиз. Материалом служат расплавы их хлоридов (или других галогенидов) либо гидроксиды. Растворы солей как исходник не годятся: конечным продуктом становятся водород и щелочи.
- Восстановление из бромида, хромата либо хлорида. Восстановителями выступают магний, цирконий, кальций, кремний. Процесс получения протекает в вакууме при температурах под 1000°С, образующийся металл периодически отгоняется.
Натрий восстанавливают из карбоната. Ингредиенты: уголь, известняк, температура 990°C. Для промышленных нужд синтезируют гидроксид из крепкого раствора поваренной соли.
Что мы узнали?
Из урока 9 класса узнали об особенностях щелочных металлов. Они находятся в I группе таблицы Менделеева и при реакциях отдают один валентный электрон. Это мягкие металлы, легко вступающие в химические реакции с простыми и сложными веществами – галогенами, неметаллами, кислотами, водой. В природе встречаются только в составе других веществ, поэтому для их извлечения используется электролиз или реакция восстановления. Применяются в промышленности, строительстве, металлургии, энергетике.
Кристаллическое состояние
Кристаллизация щелочных металлов происходит в кубической сингонии (объемно-центрированной). Атомы в ее составе обладают зоной проводимости, на свободные уровни которой могут переходить электроны. Именно эти активные частицы осуществляет особую химическую связь — металлическую. Общность строения энергетических уровней и природа кристаллических решеток объясняют сходство элементов 1-й группы. При переходе от лития к цезию возрастают массы атомов элементов, что приводит к закономерному увеличению плотности, а также к изменению других свойств.
Применение
Простые металлы и их соединения используются для изготовления лёгких сплавов, металлических деталей, удобрений, соды и других веществ. Рубидий и калий используются в качестве катализаторов. Пары натрия применяются в люминесцентных лампах. Не имеет практического применения только франций из-за радиоактивных свойств. Как используют элементы I группы кратко описано в таблице применения щелочных металлов.
Область применения |
Применение |
Химическая промышленность |
– Натрий ускоряет реакцию при производстве каучука; – гидроксид калия и натрия – производство мыла; – карбонат натрия и калия – изготовление стекла, мыла; – гидроксид натрия – изготовление бумаги, мыла, ткани; – нитрат калия – производство удобрений |
Пищевая промышленность |
– Хлорид натрия – поваренная соль; – гидрокарбонат натрия – питьевая сода |
Металлургия |
Калий и натрий являются восстановителями при получении титана, циркония, урана |
Энергетика |
– Расплавы калия и натрия используются в атомных реакторах и авиационных двигателях; – литий используется для производства аккумуляторов |
Электроника |
Цезий – производство фотоэлементов |
Авиация и космонавтика |
Сплавы из алюминия и лития используются для корпусов машин и ракет |
Рис. 3. Питьевая сода.
Физико-химические свойства
Металлы щелочного сегмента наделены общими и оригинальными физическими и химическими свойствами.
Физические характеристики
Элементы группы наделены общими физическими свойствами:
- Мягкость. Любой (кроме лития) легко режется.
- Легкость. Плотность лития, натрия, калия меньше единицы. Они не тонут в воде.
- Серебристо-белый цвет. Только цезий наделен желтоватостью на серебристом фоне.
- Металлический отблеск.
Оксиды группы обладают типичными для этого вида соединений свойствами: реагируют с водой, кислотами, их оксидами. У каждого свой цвет. Устойчивость и цветность оксидов щелочных элементов увязана с габаритами атома.
Химические параметры
Главная особенность щелочной группы – чрезмерная химическая активность:
- Разогретые щелочные элементы реагируют с азотом, кремнием, галогенами, серой, фосфором, углеродом. Результат – соответствующие продукты (галогениды, сульфиды, карбиды, силициды, др.)
- При нагревании с прочими металлами образуются полуметаллы (интерметаллиды).
- На воздухе сгорают.
При взаимодействии металлов с водой выделяется водород, возможен взрыв.
Окраска пламени щелочными металлами и их соединениями:
Li | Карминно-красный |
Na | Жёлтый |
K | Фиолетовый |
Rb | Буро-красный |
Cs | Фиолетово-красный |
Элементы, не тонущие в воде, горят и взрываются в ней:
- Калий создает пламя фиалковой гаммы, взрыв самый сильный.
- У натрия пламя желтое, взрыв послабее.
- Литий просто горит.
Взрывом заканчивается реакция с кислотами.
Все щелочные металлы бурно реагируют на воду. Процесс сопровождается водородным фонтаном, затем пламенем, взрывом.
Мирно протекают реакции со спиртами, карбоновыми кислотами, другими органическими субстанциями.
Li2O | Белый |
Na2O | Белый |
K2O | Желтоватый |
Rb2O | Жёлтый |
Cs2O | Оранжевый |
Na2O2 | Светло- жёлтый |
KO2 | Оранжевый |
RbO2 | Тёмно- коричневый |
CsO2 | Жёлтый |
Как опознать щелочной металл
Вид щелочного металла «выдает» окрас пламени:
- Калий – фиолетовый.
- Цезий – красновато-фиалковый.
- Рубидий – цвет чайной розы.
- Литий – пурпурный.
Натрий либо его соединения делают пламя охристо-желтым.
Где используются
Промышленники оценили утилитарные свойства щелочных металлов. Они легкоплавки, пластичны (раскатываются до фольги), хорошо куются, пропускают тепло и электричество.
Самый известный продукт – поваренная соль (формула NaCl). Ее дополняют кальцинированная сода с едким натром (карбонат, гидроксид натрия), марганцовка (перманганат калия).
Их производят миллионами тонн:
- Каустическая сода (в просторечии едкий натр) – ингредиент при варке мыла, производстве алюминия, искусственных волокон.
- Кальцинированная сода – сырье для получения мыла, стекла, заменитель хозяйственного мыла.
Каустическая и кальцинированная сода, глауберова соль несъедобны. Только столовая сода и поваренная соль.
- Пищевая сода нашла применение как домашнее средство для устранения ангины, обязательный ингредиент выпечки, натуральный консервант.
Альбит и ортоклаз классифицируются как коллекционный и декоративно-поделочный материал.
Взаимодействие
Свойства щелочных металлов обусловлены их строением. Находясь в первой группе периодической таблицы, они имеют всего один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне. Единственный электрон легко переходит к атому окислителя, что способствует быстрому вступлению в реакцию.
Металлические свойства увеличиваются в таблице сверху вниз, поэтому литий расстаётся с валентным электроном труднее, чем франций. Литий – наиболее твёрдый элемент среди всех щелочных металлов. Реакция лития с кислородом проходит только под воздействием высокой температуры. С водой литий реагирует значительно медленнее, чем остальные металлы группы.
Общие химические свойства представлены в таблице.
Реакция |
Продукты |
Уравнение |
С кислородом |
Оксид (R2O) образует только литий. Натрий образует смесь оксида и пероксида (R2O2). Остальные металлы образуют надпероксиды (RO2) |
– 4Li + O2 → 2Li2O; – 6Na + 2O2 → 2Na2O + Na2O2; – K + O2 → KO2 |
С водородом |
Гидриды |
2Na + H2 → 2NaH |
С водой |
Гидроксиды |
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ |
С кислотами |
Соли |
2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑ |
С галогенами |
Галогениды |
2Li + Cl2 → 2LiCl |
С азотом (реагирует только литий при комнатной температуре) |
Нитрид |
6Li + N2 → 2Li3N |
С серой |
Сульфиды |
2Na + S → Na2S |
С углеродом (реагируют только литий и натрий) |
Карбиды |
– 2Li + 2C → Li2C2; – 2Na + 2C → Na2C2 |
С фосфором |
Фосфиды |
3K + P → K3P |
С кремнием |
Силициды |
4Cs + Si → Cs4Si |
С аммиаком |
Амиды |
2Li + 2NH3 → 2LiNH2 + H2 |
При качественной реакции имеют разный цвет пламени. Литий горит малиновым, натрий – жёлтым, цезий – розово-фиолетовым пламенем. Оксиды щелочных металлов также имеют разный цвет. Натрий становится белым, рубидий и калий – жёлтыми.
Рис. 2. Качественная реакция щелочных металлов.
Химические и физические свойства
Отдавая в результате химических реакций электрон с внешнего электронного слоя, атомы металлов этой группы проявляют высокую химическую активность. Они являются восстановителями, превращаясь в катионы — положительно заряженные ионы.
Источник: ido.tsu.ru
В роли окислителей в таких взаимодействиях участвуют простые и сложные вещества. Это могут быть неметаллы, органические соединения, кислоты, соли, оксиды.
- Реакция с кислородом:
Примечание
Каждый элемент взаимодействует индивидуально.
Оксид в качестве продукта образовывается только в реакциях лития:
4Li+O2=2Li2O
В случае с натрием в ходе реакции образуется пероксид, а с калием, рубидием, цезием — надпероксид:
2Na+O2=Na2O2
K+O2=KO2
- К реакциям с простыми веществами относится образование галогенидов:
2Na+Cl2=2NaCl
Рассматривая взаимодействие с H2, S, P, C, Si, необходимо знать, что для протекания данных реакций необходимо нагревание.
Литий реагирует с азотом при комнатной температуре.
- Реакции с водой протекают у щелочных металлов по-разному: литий — спокойно, всплывая на поверхность жидкости, натрий реагирует более активно с образованием пламени, калий, цезий и рубидий реагируют со взрывом. В общем виде
2M+2H2O=2MOH+H2 (М – металл)
- В два этапа протекают реакции с кислотами. Металл сначала вступает в реакцию с водой, а после, в момент образования щелочи, она реагирует с разбавленной кислотой и нейтрализуется. Такие реакции часто протекают со взрывом, поэтому на практике проводятся редко.
- В результате реакции с аммиаком образуются амиды:
2Li+2NH3=2LiNH2+H2
- Взаимодействие с этанолом, фенолами, в ходе которого щелочные металлы замещают атомы водорода в гидроксильной группе ОН этих соединений:
2Na+2C2H5OH=2C2H5ONa+H2
- Щелочные металлы могут использоваться для восстановления других металлов, к примеру, алюминия:
3Na+AlCl3=Al+3NaCl
Физические свойства щелочных металлов объясняются металлической связью в кристаллической решетке. Для них характерен металлический блеск, отличная ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность.
Самым твердым из всей группы является литий, а самая высокая плотность у цезия. Некоторые физические свойства щелочных металлов в сравнении представлены в следующей таблице:
Источник: ido.tsu.ru
Из таблицы следует, что все элементы получили свое применение благодаря низким температурам плавления (кипения). Их значения снижаются по мере увеличения порядкового номера в Периодической системе Менделеева.
Все металлы, за исключением лития, настолько мягки, что их можно разрезать ножом или на специальном оборудовании раскатать в лист фольги.
Еще одно свойство, которое имеет практическое значение в промышленности — низкая плотность. Плотность лития, натрия и калия ниже плотности воды.
Указанные физические свойства обусловлены слабой связью электронов внешних слоев с атомами щелочных металлов. Поэтому энергия ионизации атомов невысокая, и они при взаимодействии друг с другом образуют металлическую связь.
В периодической таблице в начале каждого периода стоит элемент с низкой температурой плавления (щелочной металл). По мере увеличения порядковых номеров в периоде слева направо этот показатель сначала увеличивается к середине периода (IV А группа), где расположены элементы, образующие преимущественно атомные кристаллические решетки (C, Si).
Затем в конце периода температуры плавления снова уменьшаются, поскольку в VII-VIII группах расположены элементы, простые вещества которых характеризуются молекулярными кристаллическими решетками (галогены, благородные газы).
Какие элементы относятся к щелочным металлам
Перечень щелочных металлов:
- литий — Li;
- натрий — Na;
- калий — K;
- рубидий — Rb;
- цезий — Zs;
- франций — Fr.
Они занимают IA группу в Периодической системе Д. И. Менделеева.
Распространение в природе и получение
Большинство всех обнаруженных щелочных металлов встречаются в природе в виде их соединений: по обилию наиболее часто встречается натрий, за ним следуют калий, литий, рубидий, цезий и, наконец, франций.
Что необычно из-за его невероятно высокой радиоактивности; франций встречается лишь в мельчайших следах в природе как промежуточное звено в некоторых отдельных частях цепей естественного распада.
Природный натрий и цезий — моноизотопные элементы , у лития и рубидия по два изотопа в природной смеси , а у калия — три , из которых один радиоактивный.
Щелочные металлы легко окисляются , поэтому в природе могут находится только в виде соединений , главным образом : хлоридов , сульфатов , карбонатов , нитратов , горных пород силикатного типа .
Наиболее распространены натрий и калий , содержание каждого из них в литосфере составляет приблизительно 2,6 масс.% , тогда на долю остальных щелочных металлов вместе взятых приходится около 0,014 масс.%.
Щелочные металлы не восстанавливаются из природных соединений углём , оксидом углерода ( II ) и водородом.
Поэтому для получения их в свободном виде прибегают к электролизу расплавленных солей или гидроксидов.
Однако металлический калий получают не электролизом , а пропусканием через хлорид или гидроксид калия паров натрия при 800°C :
KCl + Na = K + NaCl
KOH + Na = K + NaOH
Рубидий и цезий восстанавливаются из хлоридов металлическим кальцием при 700 — 800°C , в вакууме :
Ca + 2RbCl = 2Rb + CaCl2
но цезий высокой чистоты получают в вакууме при 1000°C :
2CsCrO4 + 5Zr = 4Cs + 5ZrO + Cr2O3
Металлический литий восстанавливают из алюмината порошко-образным алюминием и так же в вакууме при 1200°C :
3(2Li2O · Al2O3) + 4Al = 12Li + 5Al2O3
Кроме того , литий получают электролизом расплавленного хлора.
- https://jgems.ru/metally/shhelochnye
- https://Wika.TutorOnline.ru/himiya/class/9/osnovnye-harakteristiki-i-svojstva-shhelochnyh-metallov
- https://www.syl.ru/article/141071/mod_schelochnyie-metallyi-stroenie-fizicheskie-i-himicheskie-svoystva-primenenie
- https://obrazovaka.ru/himiya/schelochnye-metally-spisok-svoystva-9-klass.html
- https://znaesh-kak.com/x/li