Щелочные металлы

Министерство связи Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций

им. проф. Бонч-Бруевича

Кафедра химии

Реферат

Предмет: Химия

Тема: Щелочные металлы

Составители: студенты гр. Р-73

Смирнов Игорь

Васильев Валерий

Самим

Санкт-Петербург

1999г.

Что такое металлы

В периодической системе металлы преобладают. По многим свойствам металлы очень отличаются друг от друга: литий вдвое легче воды, а осмий тя-желее ее в 22,5 раза. Цезий или галлий можно легко расплавить в ладони, а вольфраму для плавления нужна температура лишь вдвое меньше, чем темпера-тура поверхности Солнца; литий, натрий или калий можно резать ножом, а чис-тый хром не всякий резец возьмет… Различна и химическая активность метал-лов – от почти полной химической инертности золота или платины до неукро-тимой реакционной способности калия или натрия.

Но, несмотря на все свое разнообразие, эти элементы образуют единую семью, потому что все они относительно легко расстаются со своими наружны-ми электронами и превращаются в положительные ионы.

Элемент легко отдает электроны, если их на внешнем энергетическом уровне мало (поэтому элементы первых трех групп, не считая бора, – металлы) или если радиус атома так велик, что ядро не в состоянии прочно удерживать наружные электроны (поэтому висмут, атом которого имеет на внешнем энерге-тическом уровне пять электронов, все-таки относят к металлам).

Проследив, как изменяются свойства у элементов III периода, мы увидим, что с увеличением числа электронов во внешнем энергетическом уровне эле-менты постепенно переходят от активного металла натрия к активному неме-таллу хлору. IV период тоже начинается активным металлом калием. В конце этого периода перед инертным газом криптоном также стоит активный неме-талл бром. Следовательно, и в этом периоде должен происходить такой же пе-реход.

Почему же этот переход такой медленный? Дело в том, что у элементов IV периода от скандия до цинка «достраивается» не внешний энергетический уро-вень, а предыдущий. И лишь после цинка (начиная с галлия) число электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается, так что у германия здесь че-тыре электрона. Он – «пограничный» элемент, за которым следуют неметаллы.

Поскольку у элементов от скандия до никеля на внешнем энергетическом уровне не больше двух электронов, то они металлы. Каждый большой период включает в себя подобный ряд, состоящий только из металлов.

У этих рядов четные номера, а из большинства расположенных в них ме-таллов состоят побочные подгруппы периодической системы.

Получение и химические свойства

Впервые металлы I группы (Na и K) были получены английским химиком Х. Дэви в 1807г. электролизом щелочей, откуда и возникло их групповое назва-ние – щелочные металлы.

В чистом виде элементы I группы – легкие, мягкие, блестящие металлы, быстро тускнеющие на воздухе из-за окисления кислородом и реакции с водой. Их основные свойства представлены в виде таблицы 1-1 в приложении I.

Литий

Литий Li – s-элемент 1s22s1. У лития, имеющего только один валентный электрон и большой атомный радиус, энергия ионизации значительно меньше, чем у бериллия (5,39эв против 9,32эв у Be). Это типичный металлический эле-мент, щелочной металл. Однако от остальных щелочных металлов литий отли-чает небольшой размер атома и иона; литий по свойствам напоминает также магний.

Для лития наиболее характерно образование ионной связи. Поэтому коор-динационное число Li в соединениях в отличие от остальных элементов второго периода больше 4. Вместе с тем вследствие небольшого размера ион лития ха-рактеризуется высокой энергией сольватации, а в литийорганических соедине-ниях литий образует ковалентную связь.

Литий достаточно широко распространен в земной коре (0,002ат.%). При-родный литий состоит из двух стабильных изотопов: 6Li (7,3%) и 7Li (92,7%). Искусственно получены радиоактивные изотопы. Наибольшую ценность имеют минералы сподумен LiAl(SiO3)2, амблигонит LiAl(PO4)F и лепидолит Li2Al2(SiO3)3(F, OH)2.

Литий – единственный элемент, реагирующий при обычных условиях с азотом. Поскольку при контакте с воздухом одновременно протекают реакции с кислородом и влагой, лития, как и другие щелочные металлы, можно хранить только без доступа воздуха.

При горении лития на воздухе одновременно образуются и оксид, и нит-рид:

2Li (кр) + 1/2O2 (г) = Li2O (кр), H = -598кДж;

3Li (кр) + 1/2N2 (г) = Li3N (кр), H = -164кДж.

При небольшом нагревании литий реагирует с водородом, углеродом, фосфором и другими элементами, образуя многочисленные бинарные соедине-ния, в кристаллах которых он присутствует в виде однозарядного криптона.

При реакциях с органическими галогенами образуются литийорганические соединения.

C2H5Cl + 2Li = C2H5Li + LiCl.

Это чрезвычайно реакционно-способные вещества, загорающиеся при контакте с влажным воздухом. Их хорошая растворимость в неполярных рас-творителях указывает на ковалентный характер связи лития с органическим ра-дикалом. Часто эти соединения образуют полимеры, в которых координацион-ное число лития достигает четырех.

Литий используется в специальных легких сплавах, литийорганические производные широко применяются при синтезе различных классов органиче-ских соединений.

Простое вещество литий

В виде простого вещества литий – мягкий серебристо-белый металл (т. пл. 179.C, т. кип. 1370C). Из металлов он самый легкий (пл. 0,534 г/см3).

Литий высоко химически активен. С кислородом и азотом взаимодейству-ет уже при обычных условиях, поэтому на воздухе тотчас окисляется, образуя темно-серый налет продуктов взаимодействия (Li2O, Li3N). При температуре выше 200C загорается. В атмосфере фтора и хлора, а так же в парах брома и йода самовоспламеняется при обычных условиях. При нагревании непосредст-венно соединяется с серой, углем, водородом и другими неметаллами. Будучи накален, горит в CO2.

С металлами литий образует интерметаллические соединения. С магнием, алюминием, цинком и с некоторыми другими металлами, кроме того, образует ограниченные твердые растворы. Заметно отличается атомным радиусом от ос-тальных щелочных металлов, дает с ними эвтектические смеси.

Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Напри-мер, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.

Литий по химической активности уступает некоторым металлам, хотя зна-чение его стандартного электродного потенциала наиболее отрицательное (E298= 3,01 в). Это обусловлено большой энергией гидратации иона Li+, что обеспечивает смещение равновесия

Li(т)  Li+(p) + e-

в сторону ионизации металла в значительно большей степени, чем это имеет место у остальных щелочных металлов. Для слабо сольватирующих раствори-телей (например, в расплавах солей) значение его электродного потенциала со-ответствует его меньшей химической активности в ряду щелочных металлов.

Литий энергично разлагает воду, выделяя из нее водород; еще легче взаи-модействует с кислотами.

Литий получают электролизом расплава эвтектической смеси LiCl – KCl. Его хранят под слоем вазелина или парафина в запаянных сосудах.

Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Литий, кроме того, используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Натрий

Атомный и ионный радиус натрия Na (1s22s22p63s1) значительно больше, чем лития, и признаки металлического элемента у натрия выражены сильнее. В этом отношении он уступает лишь элемента подгруппы калия.

Натрий – один из наиболее распространенных элементов на Земле (2,0 ат. %). Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве.

Важнейшие минералы натрия: NaCl (каменная соль, галит), Na2SO410H2O (мирабилит, глауберова соль), Na3AlF6 (криолит), Na2B4O710H2O (бура) и др. В сочетании с другими элементами он входит в состав многих природных силика-тов и алюмосиликатов. Огромное количество солей натрия находится в гидро-сфере. Абсолютное содержание натрия в морской воде около 1,51016m.

Соединения натрия содержатся в растительных и животных организмах, в последнем случае главным образом в виде NaCl. В крови человека ионы Na+ со-ставляют 0,32%, в костях 0,6%, в мышечной ткани 0,6 – 1,5%.

Натрий – наиболее употребительный их щелочных металлов. Его получа-ют в больших количествах электролизом расплава NaCl с добавками CaCl2, KCl и другими для понижения температуры плавления.

Это мягкий металл, легко реагирующий с водой, окисляющийся кислоро-дом и другими элементами-окислителями – галогенами, халькогенами т.д. Хра-нят натрий в запаянных сосудах, а небольшое количество – под слоем керосина.

Применяется натрий в металлотермии и как активный восстановитель в органическом синтезе. Так же его используют в газоразрядных