Щелочные металлы: список, свойства, особенности и сферы применения

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

1. /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:

Щелочной металлЦвет пламени

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.

Формула кислородного соединенияЦвет

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.

1. 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

1. 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.

1. 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)

1. 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.
2. В результате реакции с аммиаком образуются амиды:

2Li+2NH3=2LiNH2+H2

1. Взаимодействие с этанолом, фенолами, в ходе которого щелочные металлы замещают атомы водорода в гидроксильной группе ОН этих соединений:

2Na+2C2H5OH=2C2H5ONa+H2

1. 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.