Какими свойствами обладают щелочные металлы

К щелочным металлам относят химические элементы: одновалентные металлы, составляющие Ia группу: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций.

Эти металлы очень активны, быстро окисляются на воздухе и бурно реагируют с водой. Их хранят под слоем керосина из-за
их сильной реакционной способности.

Общая характеристика

От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств,
реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns1:

• Li – 2s1
• Na – 3s1
• K – 4s1
• Rb – 5s1
• Cs – 6s1
• Fr – 7s1

Природные соединения

В природе щелочные металлы встречаются в виде следующих соединений:

• NaCl – галит (каменная соль)
• KCl – сильвит
• NaCl*KCl – сильвинит

Получение

Получить такие активные металлы электролизом водного раствора – невозможно. Для их получения применяют электролиз расплавов при
высоких температурах (естественно – безводных):

NaCl → Na + Cl2↑ (электролиз расплава каменной соли)

Химические свойства

• Реакция с кислородом

Одной из особенностей щелочных металлов является их реакция с кислородом. Литий в такой реакции преимущественно образует оксид,
натрий – пероксид, калий, рубидий и цезий – супероксиды.

Li + O2 → Li2O (оксид лития)

Na + O2 → Na2O2 (пероксид натрия)

K + O2 → KO2 (супероксид калия)

• Реакции с неметаллами

Помните, что металлы никогда не принимают отрицательных степеней окисления. Щелочные металлы одновалентны, и проявляют постоянную степень окисления
+1 в различных соединениях: гидриды, галогениды (фториды, хлориды, бромиды и йодиды), нитриды, сульфиды и т.д.

Li + H2 → LiH (в гидридах водород -1)

Na + F2 → NaF (в фторидах фтор -1)

Na + S → Na2S (в сульфидах сера -2)

K + N2 → K3N (в нитридах азот -3)

• Реакция с водой

Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом часто происходит воспламенение, а иногда – взрыв.

Na + H2O → NaOH + H2↑ (воду можно представить в виде HOH – натрий вытесняет водород)

• Окрашивание пламени

Иногда в задачах может проскользнуть фраза такого плана: “… в ходе реакции выделился металл, окрашивающий пламя горелки в желтый цвет”.
Тут вы сразу должны догадаться: речь, скорее всего, про натрий.

Щелочные металлы по-разному окрашивают пламя. Литий окрашивает в алый цвет, натрий – в желтый, калий – в фиолетовый, рубидий – синевато-красный,
цезий – синий.

Оксиды щелочных металлов

Имеют общую формулу R2O, например: Na2O, K2O.

Получение

Получение оксидов щелочных металлов возможно в ходе реакции с кислородом. Для лития все совсем несложно:

Li + O2 → Li2O (оксид лития)

В подобных реакциях у натрия и калия получается соответственно пероксид и супероксид, что приводит к затруднениям. Как из
пероксида, так и из супероксида, при желании можно получить оксид:

Na2O2 + Na → Na2O

KO2 + K → K2O

Химические свойства

По свойствам эти оксиды являются основными. Они хорошо реагируют c водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li2O + H2O → LiOH (осн. оксид + вода = основание – реакция идет, только если основание растворимо)

K2O + CO2 → K2CO3 (осн. оксид + кисл. оксид = соль)

Na2O + SO2 → Na2SO3 (обратите внимание – мы сохраняем СО серы +4)

Li2O + HCl → LiCl + H2O

Гидроксиды щелочных металлов

Относятся к щелочам – растворимым основаниям. Наиболее известные представители: NaOH – едкий натр, KOH – едкое кали.

Получение

Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции
щелочных металлов и их оксидов с водой:

KCl + H2O → (электролиз!) KOH + H2 + Cl2 (на катоде выделяется водород, на аноде – хлор)

Li2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + LiOH

K + H2O → KOH + H2↑

Rb2O + H2O → RbOH

Химические свойства

Проявляют основные свойства. Хорошо реагируют с кислотами, кислотными оксидами и солями, если в ходе реакции выпадает осадок, выделяется
газ или образуется слабый электролит (вода).

LiOH + H2SO4 → LiHSO4 + H2O (соотношение 1:1, кислота в избытке – получается кислая соль)

2LiOH + H2SO4 → Li2SO4 + 2H2O (соотношение 2:1, основание в избытке – получается средняя соль)

KOH + SO2 → KHSO3 (соотношение 1:1 – получается кислая соль)

2KOH + SO2 → K2SO3 + H2O (соотношение 2:1 – получается средняя соль)

NaOH + MgBr2 → NaBr + Mg(OH)2↓

С амфотерными гидроксидами реакции протекают с образованием комплексных солей (в водном растворе) или с образованием оксиелов –
смешанных оксидов (при высоких температурах – прокаливании).

NaOH + Al(OH)3 → Na[Al(OH)4] (в водном растворе образуются комплексные соли)

NaOH + Al(OH)3 → NaAlO2 + H2O (при прокаливании образуется оксиел – смесь двух оксидов: Al2O3
и Na2O, вода испаряется)

Реакции щелочей с галогенами заслуживают особого внимания. Без нагревания они идут по одной схеме, а при нагревании эта схема меняется:

NaOH + Cl2 → NaClO + NaCl + H2O (без нагревания хлор переходит в СО +1 и -1)

NaOH + Cl2 → NaClO3 + NaCl + H2O (с нагреванием хлор переходит в СО +5 и -1)

Подобная схема универсальная для брома и для йода. С серой реакция протекает схожим образом:

NaOH + I2 → NaIO + NaI + H2O (без нагревания)

NaOH + I2 → NaIO3 + NaI + H2O (с нагреванием)

NaOH + S → Na2S + Na2SO3 + H2O (сера переходит в СО -2 и +4)

Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO2, который соответствует сразу двум кислотам – и азотной,
и азотистой.

LiOH + NO2 → LiNO2 + LiNO3 + H2O

Щелочные металлы — группа неорганических веществ, простых элементов таблицы Менделеева. Все они обладают похожим атомным строением и соответственно, похожими свойствами. В группу входят калий, натрий, литий, цезий, рубидий, франций и теоретически описанный, но еще не синтезированный элемент унуне́нний. Первые пять веществ существуют в природе, франций — искусственно созданный, радиоактивный элемент. Свое название щелочные металлы получили из-за способности образовывать щелочи в реакции с водой.

Вся элементы группы химически активны, поэтому на Земле встречаются только в составе различных минералов, например, каменной, калийной, поваренной соли, буры, полевого шпата, морской воды, подземных рассолов, чилийской селитры. Франций часто сопутствует урановым рудам; рубидий и цезий — минералам с натрием и калием.

Свойства

Все представители группы — мягкие металлы, их можно резать ножом, сгибать руками. Внешне — блестящие, белого цвета (кроме цезия). Цезий отливает золотистым блеском. Легкие: натрий и калий легче воды, литий всплывает даже в керосине. Классические металлы с хорошей электро- и теплопроводностью. Горят, придают пламени характерный цвет, являющийся одним из аналитических способов определить тип металла. Легкоплавкие, самым «тугоплавким» является литий (+180,5 °С). Цезий тает прямо в руках при температуре +28,4 °С.

Активность в группе увеличивается по мере роста атомной массы: Li →Cs. Обладают восстановительными свойствами, в том числе в реакции с водородом. Проявляют валентность -1. Бурно реагируют с водой (все кроме лития — со взрывом); с кислотами, кислородом. Взаимодействуют с неметаллами, спиртами, водным аммиаком и его производными, карбоновыми кислотами, многими металлами.

Калий и натрий являются биогенными элементами, участвуют в водно-солевом и кислотно-щелочном балансе человеческого организма, необходимы для нормальной циркуляции крови и функционирования многих энзимов. Калий важен для растений.

В нашем организме есть и рубидий. Его нашли в крови, костях, головном мозге, легких. Он оказывает противовоспалительное, противоаллергическое действие, притормаживает реакции нервной системы, усиливает иммунитет, положительно влияет на состав крови.

Меры предосторожности

Щелочные металлы очень опасны, способны воспламеняться и взрываться просто от контакта с водой или воздухом. Многие реакции протекают бурно, поэтому работать с ними допускается только после тщательного инструктажа, с применением всех мер предосторожностей, в защитной маске и защитных очках.

Растворы калия, натрия и лития в воде являются сильными щелочами (гидроксиды калия, натрия, лития); контакт с кожей приводит к глубоким болезненным ожогам. Попадание щелочей, даже низкой концентрации, в глаза может привести к слепоте. Реакции с кислотами, аммиаком, спиртами проходят с выделением пожаро- и взрывоопасного водорода.

Щелочные металлы хранят под слоем керосина или вазелина в герметичных емкостях. Манипуляции с чистыми реактивами проводят в аргоновой атмосфере.

Следует тщательно следить за утилизацией остатков после опытов со щелочными металлами. Все остатки металлов предварительно должны быть нейтрализованы.

Применение

• Цезий и рубидий используются в фотоэлементах, топливных элементах.
• Цезий применяется в источниках тока, энергоемких аккумуляторах, счетчиках радиоактивных частиц, гамма-спектрометрах для космических аппаратов; приборах ночного видения и оружейных прицелах. Изотопы цезия используются для стерилизации пищевой тары, медицинских инструментов, мясных продуктов, лекарств; они входят в состав некоторых лекарств, применяются для радиотерапии опухолей.
• Рубидий входит в состав болеутоляющих, снотворных, успокаивающих препаратов. Применяется в телевизионных трубках, оптических приборах, низкотемпературных источниках тока, в смазке для космических аппаратов, высокочувствительных магнитометрах для космических и геофизических исследований. Производные рубидия используются в атомной промышленности, химпроме, вакуумных радиолампах, высокотемпературных термометрах.
• Калий и натрий применяются в воздухо-восстановительных системах на подводных лодках и батискафах, в автономных противогазах и дыхательных аппаратах.
• Литий востребован в источниках тока, для производства подшипниковых сплавов и литийорганических соединений, как катализатор в химпроме.
• Натрий применяется в газоразрядных лампах, в металлургии; как теплоноситель в атомной индустрии; в химической индустрии в процессах орг.синтеза.
• В разных сферах промышленности и быта используется большое количество производных щелочных металлов, например, пищевая и кальцинированная сода, поваренная соль, натриевая и калийная селитра, нитраты, сульфаты, карбонаты, гидроксиды натрия, калия и лития и пр.

К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns1. В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.

Физические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки

Получение щелочных металлов

Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:

2LiCl = 2Li + Cl2↑

2NaCl = 2Na + Cl2↑

Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:

2MeCl + Ca = 2Mе↑ + CaCl2,

где Ме – металл.

Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:

2Li2O + Si + 2CaO = 4Li + Ca2SiO4

Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:

KOH + Na = K + NaOH

Химические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:

2Me + H2O = 2MeOH + H2↑

где Ме – металл.

Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):

4Li + O2 = 2Li2O

2Na + O2 =Na2O2

K + O2 = KO2

Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.). Например:

2Na + Cl2 =2NaCl

6Li + N2 = 2Li3N

2Li +2C = Li2C2

2K + S = K2S

2Na + H2 = 2NaH

Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:

2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2↑

Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:

3Na + AlCl3 = 3NaCl + Al

Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.

Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2↑

2K + 2C6H5OH = 2C6H5OK + H2↑

2Na + 2CH3COOH = 2CH3COONa + H2↑

Качественные реакции

Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li+ окрашивает пламя в красный цвет, Na+ — в
желтый, а K+, Rb+, Cs+ — в фиолетовый.

Примеры решения задач

Щелочные металлы.

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева:

литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.

Данные металлы получили название щелочных, потому что большинство их соединений растворимо в воде. По-славянски «выщелачивать» означает «растворять», это и определило название данной группы металлов. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.

Основная характеристика щелочных металлов: В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на новом энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1.

Валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа.

Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия — один из самых низких) и электроотрицательности (ЭО).
Далее таблица свойств щелочных металлов:

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы.

1. Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий:

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.
2. Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава:

При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2:

В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:

Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:

Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О22-и надпероксид-ион O2-.

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs:

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

3. Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов:

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных — аминах и амидах:

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

4. Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет: