Что такое физические свойства щелочных металлов

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:

Свойства щелочных металлов

Атомный номер Название, символ Металлический радиус, нм Ионный радиус, нм Потенциал ионизации, эВ ЭО p, г/см³ tпл, °C tкип, °C
3 Литий Li 0,152 0,078 5,32 0,98 0,53 181 1347
11 Натрий Na 0,190 0,098 5,14 0,93 0,97 98 883
19 Калий K 0,227 0,133 4,34 0,82 0,86 64 774
37 Рубидий Rb 0,248 0,149 4,18 0,82 1,53 39 688
55 Цезий Cs 0,265 0,165 3,89 0,79 1,87 28 678

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.

Многие минералы содержат в своём составе металлы главной подгруппы I группы.

Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмюсиликата калия K2[Al2Si6O16], аналогичный минерал, содержащий натрий — альбит — имеет состав Na2[Al2Si6O16].

В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве — соли калия — сильвин KCl, сильвинит NaCl • KCl, карналлит KCl • MgCl2 • 6H2O, полигалит K2SO4 • MgSO4 • CaSO4 • 2H2O. Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, азоту их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

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

Что такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металлов В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:Что такое физические свойства щелочных металлов Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:Что такое физические свойства щелочных металлов 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:

Формула кислородногосоединения Цвет
Li2O Белый
Na2O Белый
K2O Желтоватый
Rb2O Жёлтый
Cs2O Оранжевый
Na2O2 Светло- жёлтый
KO2 Оранжевый
RbO2 Тёмно- коричневый
CsO2 Жёлтый

Что такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металлов Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:Что такое физические свойства щелочных металлов 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:Что такое физические свойства щелочных металлов При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами. Что такое физические свойства щелочных металлов 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:

Окраска пламени щелочными металлами

Li Карминно-красный
Na Жёлтый
K Фиолетовый
Rb Беловато-розовый
Cs Фиолетово-красный
  1. Получение щелочных металлов 1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:
  2. Соединения щелочных металлов. Гидроксиды

катод: Li+ + e → Li анод: 2Cl- — 2e → Cl2 2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов: катод: Na+ + e → Na анод: 4OH- — 4e → 2H2O + O2 Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород. Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрия электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:

Металлы IA группы — Умскул Учебник

  • Кодовое название — щелочные металлы. Откуда оно произошло?
  • Почему щелочные металлы не берут в реакции с кислотами?
  • Рассмотрим химические и физические свойства щелочных металлов;
  • Как можно распознать катионы щелочных металлов?

Эти металлы — очень активные! Именно их кидают в ванны с водой, в результате чего происходят мощщные взрывы.

Щелочные металлы

IA группа называется главной подгруппой первой группы, в которую входят щелочные металлы: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.  

Кодовое название — щелочные металлыДанные металлы получили такое название, так как большинство их соединений растворимы в воде («выщелачивать» означает «растворять»).

Щелочные металлы — серебристо-белые металлы с высокой электро- и теплопроводностью, обладают ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. 

Что такое физические свойства щелочных металлов

  • Главная особенность строения атомов химических элементов  IA группы заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне — их электронная конфигурация ns1.
  • Из этого следует, что атомам щелочных металлов энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа, приобретая при этом степень окисления +1.
  • Основным способом получения таких металлов является электролиз расплавов солей.

Химические свойства

Их химические свойства крайне логичны: 

  • как типичные металлы они будут вступать в реакции со своими противоположностями — неметаллами;
  • как восстановители — реагировать с окислителями (в том числе восстанавливать металлы и неметаллы из их оксидов);
  • как металлы, стоящие в ряду активности до водорода — вступать в реакции вытеснения с водой, кислотами-неокислителями и солями менее активных металлов.

Как типичные восстановители, щелочные металлы могут взаимодействовать со своими противоположностями — неметаллами.  

Что такое физические свойства щелочных металлов

Гидриды металлов подвергаются необратимому гидролизу

Что такое физические свойства щелочных металлов

В реакциях с щелочными металлами кислород образует ряд веществ: 

  • литий («кандидат от народа»), как и подавляющее большинство металлов, образует оксид;4Li + O2 = 2Li2O
  • натрий образует пероксид;2Na + O2 = Na2O2
  • калий и все нижестоящие металлы — надпероксиды/супероксиды.K + O2 = KO2 

В ряду активности щелочные металлы находятся до водорода, поэтому они способны вытеснять водород из воды: 

Что такое физические свойства щелочных металлов Что такое физические свойства щелочных металлов

Можно представить воду как HOH, тогда металл (например, натрий) будет замещать один из атомов водорода с образованием NaOH. 

За счет  крайне низких значений электроотрицательности металлы очень слабо притягивают к себе электроны, а следовательно, у них «легко их украсть». Делаем вывод: в ОВР щелочные металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства, повышая в реакциях степени окисления. 

Что такое физические свойства щелочных металлов

Почему щелочные металлы не берут в реакции с кислотами?Щелочные металлы из-за своей бешенной активности взаимодействуют сначала с водой, крайне бурно, со взрывом! Поэтому для таких реакций их не берут!

Оксиды щелочных металлов

По физическим свойствам это — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. 

Они являются основными оксидами, поэтому: 

  • реагируют с водой с образованием оснований: 

Что такое физические свойства щелочных металлов

  • вступают в основно-кислотные взаимодействия со своими противоположностями, обладающими кислотными свойствами: кислотами, кислотными оксидами, амфотерными оксидами и гидроксидами: 

Что такое физические свойства щелочных металлов Что такое физические свойства щелочных металлов

Гидроксиды щелочных металлов

Что же это такое? По-другому их называют щелочами. Они представляют собой бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. 

По химическим свойствам они являются типичными сильными основаниями, то есть: 

  • диссоциируют в растворах с образованием гидроксид-анионов. создавая в растворах щелочную среду: 

Что такое физические свойства щелочных металлов

  • вступают в основно-кислотные взаимодействия со своими противоположностями (кислотами и кислотными оксидами + амфотерные оксиды и гидроксиды), образуя соли;
  • вступают в реакции ионного обмена с кислотами и солями: 
Читайте также:  Электродуговая сварка: особенности и типы, принцип работы

Какие же специфические свойства щелочей существуют? Рассмотрим некоторые из них: 

  • Окислительно-восстановительные реакции с металлами

Из металлов со щелочами напрямую взаимодействуют только амфотерные бериллий Be, цинк Zn, алюминий Al. 

Эти металлы можно запомнить по аббревиатуре BeZnAl

А какие соли тогда будут образовываться? В растворе образуются комплексные соли, а в расплаве (t) — средние. В качестве еще одного продукта реакции выделяется газообразный водород.

  • Окислительно-восстановительные реакции с неметаллами

Неметаллы, которые могут реагировать со щелочами, можно запомнить по «крестообразному» расположению в таблице Менделеева: 

Пероксиды щелочных металлов

Что же такое пероксиды? Пероксиды — сложные вещества, которые содержат группу —О—О—, где кислород имеет степень окисления −1. 

Как можно распознать катионы щелочных металлов?Как же можно отличить катионы щелочных металлов друг от друга? Самый простой и распространенный метод — по окраске цвета пламени! Соединения этих металлов придают пламени характерные цвета, которые приведены в таблице. Кстати, это используют в пиротехнике при изготовлении смесей для салютов и фейерверков.

Фактчек

  • Металлы IA группы называются щелочными металлами, которые представлены литием, натрием, калием, рубидием, цезием и францием. 
  • Постоянная валентность щелочных металлов I, постоянная степень окисления — +1.
  • Основной способ получения щелочных металлов — электролиз расплавов солей.
  • Щелочные металлы — чрезвычайно активные металлы, могут реагировать с большим рядом простых веществ, с водой.

Проверь себя 

Задание 1.Какой из щелочных металлов имеет самое большое число электронов? 

  1. Литий; 
  2. Натрий; 
  3. Калий; 
  4. Рубидий; 
  5. Цезий; 
  6. Франций

Задание 2.Щелочные металлы имеют постоянную степень окисления: 

Задание 3.Щелочные металлы образуют с серой соединения, называемые: 

  1. Сульфиты; 
  2. Сульфиды; 
  3. Сульфаты; 
  4. Сульфонаты.

Задание 4.При реакции калия с кислородом образуется: 

  1. Оксид калия; 
  2. Пероксид калия; 
  3. Супероксид калия; 
  4. Озонид калия 

Задание 5.При внесении солей натрия в пламя оно приобретает окраску: 

  1. Фиолетовую; 
  2. Желтую; 
  3. Небесно-голубую; 
  4. Малиновую

Ответы: 1. — 6; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3; 5. — 2.

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.

Что такое физические свойства щелочных металлов

Общая характеристика

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

Что такое физические свойства щелочных металлов

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 — сильвин
  • NaCl*KCl — сильвинит

Что такое физические свойства щелочных металлов

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.

    1. Li + H2 → LiH (в гидридах водород -1)
    2. Na + F2 → NaF (в фторидах фтор -1)
    3. Na + S → Na2S (в сульфидах сера -2)
    4. 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.

    Что такое физические свойства щелочных металлов

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

  1. Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции щелочных металлов и их оксидов с водой:
  2. KCl + H2O → (электролиз!) KOH + H2 + Cl2 (на катоде выделяется водород, на аноде — хлор)
  3. Li2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + LiOH
  4. K + H2O → KOH + H2↑
  5. Rb2O + H2O → RbOH

Что такое физические свойства щелочных металлов

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 окиселов — 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 окисел — 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)
  • В реакциях щелочей с йодом образуется исключительно иодат, так как гипоиодит неустойчив даже при комнатной температуре, не говоря о нагревании. С серой реакция протекает схожим образом:
  • NaOH + I2 → NaIO3 + NaI + H2O (с нагреванием)

Что такое физические свойства щелочных металлов

  1. NaOH + S → Na2S + Na2SO3 + H2O (сера переходит в СО -2 и +4)
  2. Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO2, который соответствует сразу двум кислотам — и азотной, и азотистой.
  3. LiOH + NO2 → LiNO2 + LiNO3 + H2O

Щелочные металлы

Что такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металловЧто такое физические свойства щелочных металлов

  • К щелочным металлам относятся литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr.
  • Щелочные металлы
  • Строение атомов щелочных металлов
  • Физические свойства щелочных металлов
  • Химические свойства щелочных металлов

Щелочные металлы:

Щелочные металлы – это химические элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева (по устаревшей классификации – элементы главной подгруппы I группы):

  1. литий Li,
  2. натрий Na,
  3. калий K,
  4. рубидий Rb,
  5. цезий Cs,
  6. франций Fr.
  7. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами.

Строение атомов щелочных металлов:

Особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1. Щелочные металлы относятся к элементам s-семейства.

Очевидно, что 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 – самый низкий) и электроотрицательности. Как следствие, в большинстве соединений щелочные металлы присутствуют в виде однозарядных катионов.

Так, электронная конфигурация атома лития 1s2 2s1. атом лития состоит из положительно заряженного ядра (+3), вокруг которого по атомным оболочкам (двум s-орбиталям) движутся три электрона. Поскольку литий расположен во втором периоде, оболочки всего две, одна из которых является внешней. При этом 2 электрона находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем.

Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома цезия на 2s-орбитали находятся один неспаренный электрон. Электроны, расположенные на внешней оболочке, называются валентными и участвуют в образовании химических связей.

В свою очередь ядро атома лития состоит из трех протонов и четырех нейтронов.

Радиус атома лития составляет 145 пм. Потенциал ионизации (первый электрон) атома лития равен 5,39 эВ (519,9 кДж/моль). Электроотрицательность атома лития равна 0,98 (шкала Полинга).

Электронная конфигурация атома натрия 1s2 2s2 2p6 3s1. Атом натрия состоит из положительно заряженного ядра (+11), вокруг которого по трем оболочкам движутся 11 электронов. При этом 10 электронов находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем. Поскольку натрий расположен в третьем периоде, оболочек всего три.

Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома натрия – на 3s-орбитали находится один неспаренный электрон.

В свою очередь ядро атома натрия состоит из 11 протонов и 12 нейтронов.

Радиус атома натрия составляет 190 пм. Потенциал ионизации атома натрия равен 5,14 эВ (495,6 кДж/моль). Электроотрицательность атома натрия равна 0,93 (шкала Полинга).

Электронная конфигурация атома калия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Атом калия состоит из положительно заряженного ядра (+19), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 19 электронов. При этом 18 электронов находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем. Поскольку калий расположен в четвертом периоде, оболочек всего четыре.

Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и третья – внутренние оболочки представлена s- и р-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома калия – на 4s-орбитали находится один неспаренный электрон.

В свою очередь ядро атома калия состоит из 19 протонов и 20 нейтронов.

Радиус атома калия составляет 235 пм. Потенциал ионизации атома калия равен 4,34 эВ (418,5 кДж/моль). Электроотрицательность атома калия равна 0,82 (шкала Полинга).

Электронная конфигурация атома рубидия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s1. Атом рубидия состоит из положительно заряженного ядра (+37), вокруг которого по пяти оболочкам движутся 37 электронов. При этом 36 электронов находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем. Поскольку рубидий расположен в пятом периоде, оболочек всего пять.

Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и четвертая – внутренние оболочки представлены s- и р-орбиталями. Третья – внутренняя оболочка представлена s-, р- и d-орбиталями. Пятая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома рубидия на 5s-орбитали находится один неспаренный электрон.

В свою очередь ядро атома рубидия состоит из 37 протонов и 48 нейтронов.

Радиус атома рубидия составляет 248 пм. Потенциал ионизации атома рубидия равен 4,17 эВ (402,8 кДж/моль). Электроотрицательность атома рубидия равна 0,82 (шкала Полинга).

Электронная конфигурация атома цезия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s1. Атом цезия состоит из положительно заряженного ядра (+55), вокруг которого по шести оболочкам движутся 55 электронов. При этом 54 электрона находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем. Поскольку цезий расположен в шестом периоде, оболочек всего шесть.

Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и пятая – внутренние оболочки представлены s- и р-орбиталями. Третья и четвертая – внутренние оболочки представлены s-, р- и d-орбиталями. Шестая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома цезия на 6s-орбитали находятся один неспаренный электрон.

В свою очередь ядро атома цезия состоит из 55 протонов и 78 нейтронов.

Радиус атома цезия составляет 267 пм. Потенциал ионизации атома цезия равен 3,89 эВ (375,5 кДж/моль). Электроотрицательность атома цезия равна 0,79 (шкала Полинга).

С увеличением порядкового номера у щелочных металлов увеличиваются радиус атома, способность отдавать валентные электроны и восстановительная активность, уменьшается электроотрицательность и энергия ионизации.

Физические свойства щелочных металлов:

Все щелочные металлы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень легкие, мягкие и пластичные, их можно резать скальпелем и ножом.

Щелочные металлы имеют небольшую плотность. Так, литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней. Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Они имеют низкую температуру плавления и кипения.

С увеличением порядкового номера у щелочных металлов уменьшаются плотность, температура плавления, температура кипения, твердость.

Химические свойства щелочных металлов:

Все щелочные металлы обладают высокой химической активностью. Они проявляют высокую химическую активность при взаимодействии с водой, кислородом, галогенами и другими соединениями.

Поэтому хранят щелочные металлы под слоем керосина или в запаянных ампулах. В соединениях щелочные металлы проявляют единственную степень окисления +1. Все соединения щелочных металлов носят ионный характер.

Почти все соединения растворимы в воде.

С увеличением порядкового номера у щелочных металлов усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические свойства, увеличивается восстановительная способность, возрастает химическая активность их щелочей.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

карта сайта

Щелочные металлы в химии

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

  1. 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:
  2. 2LiCl = 2Li + Cl2↑
  3. 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:

  1. 2Me + H2O = 2MeOH + H2↑
  2. где Ме – металл.
  3. Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):
  4. 4Li + O2 = 2Li2O
  5. 2Na + O2 =Na2O2
  6. 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

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Урок 6: Щелочные металлы

  • План урока:
  • Представители щелочных металлов
  • Строение атомов щелочных металлов
  • Изменение химических свойств щелочных металлов
  • Внешний вид и физические свойства щелочных металлов
  • Нахождение в природе
  • Качественные реакции
  • Химические свойства щелочных металлов
  • Получение щелочных металлов
  • Применение соединений щелочных металлов

Представители щелочных металлов

Щелочные металлы – это группа высокоактивных металлов. Название происходит от продукта взаимодействия этих веществ с водой, в результате которой образуется щелочь (сложное химическое соединение). Найти в природе такие металлы, сделать из них изделие или просто хранить в виде слитка невозможно. Эти металлы сразу окисляются кислородом воздуха.

К щелочным металлам относятся: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.

Строение атомов щелочных металлов

В таблице Менделеева щелочные металлы расположены в первой группе. Такое положение не случайно, а отражает строение атома и химические свойства.

Химические свойства элементов напрямую зависят от строения атома. Атом любого элемента состоят из ядра, имеющего положительный заряд и электронов, образующих энергетически облака вокруг ядра.

Ядро и электроны притягиваются за счет электростатического напряжения. Соответственно, чем меньше у электрона силы сопротивления, тем ближе он будет к ядру. Электроны с большей энергией способны отдаляться на периферию атома.

По мере смены периодом, количество электронов и энергетических уровней будет увеличиваться. Общий параметр атомов всех щелочных металлов является 1 электрон на внешнем энергетическом уровне.

Изменение химических свойств щелочных металлов

По мере продвижения от первого до последнего периода, в атомах щелочных металлов происходит увеличение количества атомов и электронных облаков. Чем дальше атом оказался от ядра, тем меньше притяжение между ними.

За счет этого, отдаленный (последний) электрон проще отсоединить от атома. Легкость отщепления электронов определяет реакционную способность.

Отщепление электрона приводит к окислению собственного атома и восстановлению окислителя.

Таким образом, восстановительные свойства щелочных металлов увеличиваются сверху вниз в группе. Самый активный металл – цезий.

Внешний вид и физические свойства щелочных металлов

Щелочные металлы обладают всеми характерными свойствами: серебристый цвет (исключение: цезий – золотистого цвета) металлический блеск, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность.

Особенным качеством является мягкость и легкость за счет низкой плотности вещества. Эти металлы можно резать ножом, разминать руками (в перчатках) и ломать.

Нахождение в природе щелочных металлов

Из-за высокой реакционной активности, щелочные металлы не встречаются в природе в виде самородков или чистых залежей. Обнаружить их можно в составе солей. Многие природные минералы содержат ион щелочного металла в своей структуре.

Таблица. Минералы, в состав которых входят ионы щелочных металлов

Как видно из таблицы, чем выше активность элемента, тем ниже его встречаемость в природе. Элемент последнего периода первой группы – франций – вообще не встречается в природе даже в составе минералов. Этот элемент является радиоактивным и является промежуточным продуктом распада Урана-235. Его общее содержание в земной коре оценивается в 380 граммов.

Обнаружение ионов металлов в соединениях

Самый простой способ определения иона металла – окраска пламени. Для соли каждого металла характерен свой цвет:

  • Литий – красный,
  • Калий – фиолетовый,
  • Натрий – желтый,
  • Рубидий – розовый,
  • Цезий – синий.

Соли франция такой проверке не подвергаются.

Для такой проверки важно, чтобы в пламени не было других примесей, меняющий цвет, иначе проверка будет недостоверна.

Качественные реакции

Обнаружение катионов лития

Обнаружить ионы металлов в соли можно с помощью качественной реакции.

  1. Для обнаружения катионов лития используют фосфорную кислоту. Получившийся белый фосфат лития растворим только в концентрированной азотной кислоте и солях аммония:
  2.  3Li+ + PO43- = Li 3РО 4↓
  3. В растворимых солях литий можно обнаружить с помощью фторида аммония. При реакции образуется белый нерастворимый осадок фторида лития:
  4. Li+ + F- = LiF↓

Обнаружение катиона натрия

Ионы натрия можно обнаружить реакцией с комплексной солью гексагидроксостибатом (V). При низких температурах и в нейтральной среде образуется мелкокристаллическая белая соль натрия:

Na+ + [Sb (OH)6]– = Na[Sb(OH)6] ↓

Эту реакцию проводят на предметном стекле. За образованием и формой кристаллов наблюдают под микроскопом или бинокуляром.

Обнаружение катиона калия

В кислой и нейтральной среде ионы калия образуют двойную комплексную соль с гексанитрокабальтатом натрия (III). Эта соль нерастворима в воде и имеет желтый цвет:

2K+ + Na3[Co(NO2)6] = NaK2[Co(NO2)6] ↓+ 2Na+

Особенность реакции в ее медленном течении. Реакционную смесь оставляют на несколько часов. Для ускорения реакции можно тереть стеклянной палочкой по стенке пробирки. Это приводит к формированию статического электричества, что усиливает притяжение ионов друг к другу.

Еще одним способом обнаружения катионов калия служит реакция с гидротартратом натрия NaHC4H4O6. В этом случае образуется соль белого цвета. Реакцию можно ускорить потиранием стеклянной палочной о поверхность пробирки:

K+ + NaHC4H406= KHC4H4O6↓ + Na+.

Обнаружение катионов рубидия, цезия

Катионы рубидия и цезия – высокоактивные ионы, поэтому не обнаруживаются качественными реакциями. Все соединения прозрачные и хорошо растворимы в воде. Основными способами их обнаружения в составе соли служит осаждение органическими ароматическими растворами. Способа разделения цезия и рубидия из смеси в настоящее время нет.

Обнаружение ионов франция

Как радиоактивный металл, франций не входит в состав обычных солей. Его обнаружение проводится методом спектрометрии и радиационных приборов.

Химические свойства щелочных металлов

Все металлы являются восстановителями, поэтому они вступают в реакцию с различными окислителями. К таким относятся простые неметаллы и сложные соединения, обладающие окислительными свойствами.

Реакция с простыми неметаллами

Щелочные металлы активно вступают в реакции с галогенами. При этом образуется соответствующий галогенид. С серой, фосфором и водородом с образованием сульфидов, гидридов, фосфидов реагируют только при нагревании:

  • 2Na + Cl2→ 2NaCl
  • 2К + S   К2S
  • 2Rb + H2  2RbH
  • 3Na + P   Na3P
  • В реакции с кислородом щелочные металлы образуют пероксиды (кроме лития), повторное окисление которых приводит к образованию оксидов:
  • 2Na + О2 = Na2О2
  • 2 Na2О2 + О2 = 2Na2О
  • Специальных условий для окисления металлов кислородом не требуется, поэтому щелочные металлы хранят под слоем парафина, вазелина или масла без доступа кислорода.

Взаимодействие с водой

Реакция щелочных металлов с водой происходит с выделением большого количества тепла. Выделяющийся в ходе реакции водород может воспламеняться, что в некоторых случаях приводит к взрыву.

 

Взаимодействие с сильными кислотами

  1. В реакциях щелочных металлов с кислотами образуются соответствующие соли. Особенных проявлений свойств щелочных металлов здесь нет:
  2. 8K + 10HNO3 (конц) → 8KNO3 + N2O +5 H2O
  3. 8Na + 5H2SO4 (конц) → 4Na2SO4 + H2S↑ + 4H2O

Специфические химические свойства лития

  • В некоторых реакциях литий проявляет отличные от остальных щелочных металлов свойства. Например, это единственный металл, реагирующий с азотом без нагревания:
  • 6Li + N2 = 2Li3N
  • Нитрид лития подвергается необратимому гидролизу.
  • Li3N + 3H2O → 3LiOH + NH3↑
  • В реакции с лития с кислородом образуется оксид лития:
  • 4Li + О2 = 2Li2О

Получение щелочных металлов

Получить щелочные металлы в чистом виде можно только электролизом расплавов их солей:

  1. NaCl   Na+ + Cl–;
  2. катод (–) (Na+): Na+ + е = Na0,
  3. анод (–) (Cl–): Cl– – е = Cl0, 2Cl0 = Cl2;
  4. 2NaCl = 2Na + Cl2 .
  5. Если использовать раствор соли, катионы металла будут сразу вступать в реакцию с образованием щелочей:
  6. NaCl   Na+ + Cl–,
  7. H2O   Н+ + ОН–;
  8. катод (–) (Na+; Н+): H+ + е = H0, 2H0 = H2
  9. (2H2O + 2е = H2 + 2OH–),
  10. анод (+) (Cl–; OН–): Cl– – е = Cl0, 2Cl0 = Cl2;
  11. 2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2  + H2 .

Применение соединений щелочных металлов

Основные области применения данных солей – медицина, кулинария, строительство, химическая промышленность.

Наиболее используемый щелочной металл – натрий. Он служит катализатором синтеза металлов, служит теплоносителем в атомных реакторах.

Хлорид натрия – соединение, используемое в каждом доме. Это безопасная соль, используемая в кулинарии. Так же, хлорид натрия применяется в медицине для приготовления физиологических растворов.

Литий и его щелочи служат основой изготовления щелочных батареек. Длительное время это был единственный способ создания портативных энергоносителей.

Калий и натрий используются для изготовления мыла в качестве омыляющего компонента.

Соли калия используются в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Калий, рубидий и натрий используются в атомной промышленности и атомной энергетике. Эти металлы служат катализаторами многих реакций.

  • Литий добавляется во многие сплавы для улучшения металлических свойств.
  • Соединения лития, рубидия и цезия используют при изготовлении цветных стекол.
  • Франций пока не имеет практического применения в связи с высокой радиоактивностью.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector