Алкални метали. Структура, физични и химични свойства, приложение

Алкални метали - общото наименование на елементите на първата група на периодичната система от химически елементи. Съставът му: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr) и хипотетичният елемент - ununenium (Uue). Името на групата е получено от наименованието на разтворими натриеви и калиеви хидроксиди, които имат алкална реакция и вкус. Разгледайте общите структурни особености на атомите на елементите, свойствата, производството и употребата на прости вещества.

Остаряла и нова номерация на групи

Според остарялата система за номериране, алкалните метали, заемащи най-лявата вертикална колона на периодичната таблица, принадлежат към групата IA. През 1989 г. Международният химически съюз (IUPAC) предложи друг вариант (дългосрочен) като основен. Алкалните метали в съответствие с новата класификация и непрекъснатото номериране принадлежат към първата група. Представител на 2-ри период - литий - отваря този агрегат, допълвайки своя радиоактивен елемент от 7-ми период - Франция. Всички метали от първата група във външната обвивка на атомите съдържат един s-електрон, който лесно раздават (възстановяват).

Структурата на атомите на алкални метали

Елементите на първата група се характеризират с наличието на второ енергийно ниво, повтарящо структурата на предходния инертен газ. Литийът има 2 електрона в последния слой и 8 електрона в другите. При химични реакции атомите лесно отделят външен s-електрон, придобивайки енергийно благоприятна конфигурация на благороден газ. Елементите от първата група имат малки стойности на енергията на йонизацията и електроотрицателността (ЕО). Те лесно образуват единично заредени положителни йони. По време на прехода от литий към Франция броят на протоните и електроните се увеличава, радиусът на атома. Рубидий, цезий и франций по-лесно даряват външен електрон, отколкото елементите, които ги предшестват в групата. Следователно, в групата отгоре надолу, способността за редукция се увеличава.

Съдържание в земната кора

Лесната окисляемост на алкалните метали води до това, че елементи от първата група съществуват в природата под формата на съединения на техните еднозарядни катиони. Съдържанието в земната кора натрий - 2.0%, калий - 1.1%. Други елементи в него са в малки количества, например запаси от Франция - 340 г. Натриев хлорид разтворен в морска вода, солен разтвор на солени езера и устия, образува отлагания от камък или сол. Заедно с халита се откриват силвинит NaCl • KCl и силвин KCl. фелдшпат образуван от калиев алумосиликат K2 [Al2Si6O16]. Във водата на редица езера се разтварят натриев карбонат и сулфатните резерви на елемента са концентрирани в Каспийско море (Кара-Богаз-Гол). Има депозити натриев нитрат в Чили (чилийска селитра). Има ограничен брой естествени литиеви съединения. Рубидийът и цезият се намират като примеси в съединенията от първата група елементи, а в състава на урановите руди се намира франций.

Последователност за откриване на алкални метали

Британският химик и физик Г. Деви през 1807 г. провежда електролизата на алкални стопилки, като първо приема натрий и калий в свободна форма. През 1817 г. шведският учен Йохан Арфведсън открил елемента литий в минералите, а през 1825 г. Г. Деви посочил чист метал. Рубидий е открит за първи път през 1861 г. от Р. Бунсен и Г. Кирххоф. Немски изследователи анализирали състава на алумосиликатите и получили в спектъра червената линия, съответстваща на новия елемент. През 1939 г. служител на Института по радиоактивност в Париж Маргарита Пере установява съществуването на изотопа на Франция. Тя посочи и елемента в чест на родината си. Ununennius (eka-francia) е предварителното име на нов вид атом със сериен номер 119. Химичният символ Uue се използва временно. От 1985 г. изследователите се опитват да синтезират нов елемент, който ще бъде първият в 8-ми период, седмият в първата група.

Физични свойства на алкалните метали

Почти всички алкални метали имат сребристо-бял цвят и метален блясък на свеж разрез (цезийът има златистожълт цвят). Блясъкът потъмнява във въздуха, появява се сив филм, на литий е зеленикаво-черно. Този метал има най-висока твърдост сред съседите си в групата, но е по-малък от талк - най-мекия минерал, който отваря скалата на Мос. Натрий и калий лесно се огъват, могат да се режат. Рубидий, цезий и франций в чиста форма представляват пастообразна маса. Топенето на алкални метали се осъществява при относително ниска температура. За литий тя достига 180,54 ° С. Натрият се топи при 97,86 ° С, калий при 63,51 ° С, рубидий при 39,32 ° С, цезий при 28,44 ° С. Плътността на алкалните метали е по-малка от свързаните вещества. Литий плува в керосин, се издига на повърхността на водата, калий и натрий също плуват в него.

Кристално състояние

Кристализация на алкални метали се осъществява в кубична сингония (центрирана по тялото). Атомите в неговия състав имат зона на проводимост, към която свободните нива могат да прехвърлят електроните. Именно тези активни частици носят специална химическа връзка - метална. Общата структура на енергийните нива и природата на кристалните решетки обясняват сходството на елементите на първата група. При прехода от литий към цезий, масите на атомите на елементите се увеличават, което води до редовно увеличаване на плътността, както и до промяна в други свойства.

Химични свойства на алкалните метали

Единственият външен електрон в атомите на алкални метали е слабо привлечен от ядрото, така че те имат ниска енергия на йонизация, отрицателен или близък до нула електронен афинитет. Елементите на първата група, притежаващи редуцираща активност, на практика не са способни да окисляват. В групата отгоре надолу активността в химичните реакции нараства:

• Натрий, калий и литий с леко затопляне на въздуха. За първите два метала е характерно образуването на пероксиди и перпероксиди в тази реакция, а за литий, оксидът Li ₂ O. Рубидий и цезий във въздуха се самовъзпламеняват.
• Алкалните метали дори могат да намалят водорода. При нагряване взаимодействат с атомите на най-лекия елемент и се възстановяват до отрицателно заредения Н ^- йон. В реакцията се получават хидриди, например NaH, KH.
• Обикновено вещества, съответстващи на елементите на първата група, взаимодействат с вода и образуват основи, например LiOH, NaOH, КОН. Процесът е съпроводен с освобождаване на газообразен водород, който се самовъзпламенява или експлодира. 2Na + 2H2O = 2NaOH + Н2 _^. Рубидий и цезий реагират дори с лед. Съхраняване на алкални метали се допуска под слой минерално масло, в керосин, в запечатани стъклени съдове.
• Металите от първата група активно взаимодействат с халогените, реакцията с флуор и хлор е особено силна, а при нагряване - със сяра и фосфор. Повечето от получените соли имат добра разтворимост.
• Висококачествена реакция - разлагане на соли на алкални метали в огъня на газова горелка. Двойките оцветяват пламъка в определен цвят.
• Когато алкалните метали взаимодействат с алкохоли, се получават алкохолати, а с карбоксилни киселини се получават съответните соли, например натриев формиат.

Приготвяне и използване на алкални метали

Металите, принадлежащи към 1-ва група, са индустриално произведени чрез електролиза на стопилките на техните халогениди и други естествени съединения. При разлагане под действието на електрически ток положителните йони на катода прикрепят електрони и се свеждат до свободен метал. Анионът се окислява на противоположния електрод.

По време на електролизата на хидроксидните стопилки на анода, ОН- частиците се окисляват, отделя се кислород и се получава вода. Друг метод е термичната редукция на алкалните метали от стопилките на техните калциеви соли. Обикновено веществата и съединенията от елементи от първата група са от практическо значение. Литий се използва като суровина в атомната енергия, използвана в ракетната технология. В металургията се използва за отстраняване на остатъчен водород, азот, кислород и сяра. Хидроксидът се допълва с електролит в алкални батерии.

Натрият е необходим за ядрената енергия, металургията, органичния синтез. Цезий и рубидий се използват при производството на фотоволтаични клетки. Широко се използват хидроксиди и соли, особено хлориди, нитрати, сулфати, карбонати на алкални метали. Катионите имат биологична активност, натриевите и калиевите йони са особено важни за човешкото тяло.