Характеристика элементов главной подгруппы I группы
Главную подгруппу I группы Периодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.
Атомный номер Название Электронная конфигурация r г/см3 t°пл. °C t°кип. °C ЭО ПИ эВ Атомный радиус, нм Степень окисления Литий Li [He] 2s1 0,531 180,5 0,97 5,39 0,157 +1 Натрий Na [Ne]3s1 0,97 97,9 882,9 1,01 5,138 0,191 +1 Калий K [Ar] 4s1 0,859 63,65 0,91 4,339 0,236 +1 Рубидий Rb [Kr] 5s1 1.53 38,4 0,89 4,176 0,253 +1 Цезий Cs [Xe] 6s1 1,88 28.4 0,86 3,893 0,274 +1 Франций Fr [Rn] 7s1 – – – – – – +1
Атомы этих элементов имеют на внешнем энергетическом уровне один s-электрон: ns1 . Вступая в химические взаимодействия, атомы легко отдают электрон внешнего энергетического уровня, проявляя в соединениях постоянную степень окисления +1.
Элементы этой подгруппы относятся к металлам. Их общее название – щелочные металлы.
В природе наиболее распространены натрий и калий. Массовая доля натрия в земной коре 2,64%, калия – 2,60%. Щелочные металлы в природе в свободном состоянии в природе не встречаются. Основными природными соединениями Na являются минералы галит, или каменная соль, NaCl, и мирабилит, или глауберова соль (Na2SO4 · 10H2O). К важнейшим соединениям калия относится сильвин (KCl), карналлит (KCl · MgCl2 · 6H2O), сильвинит
Франций - радиоактивный элемент. Следы этого элемента обнаружены в продуктах распада природного урана. Из-за малого времени жизни изотопов Fr его трудно получать в больших количествах, поэтому свойства металлического Франция и его соединений изучены еще недостаточно.
Свойства: Щелочные металлы серебристо-белые вещества с малой плотностью. Литий из них – самый легкий. Это мягкие металлы, по мягкости Na, K, Rb, Cs подобны воску. Щелочные металлы легкоплавкие. Температура плавления цезия 28,5°С, наибольшая температура плавления у лития (180,5°С). Обладают хорошей электрической проводимостью.
Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, их активность увеличивается в ряду Li-Na-K-Rb-Cs-Fr. В реакциях являются сильными восстановителями.
1. Взаимодействие с простыми веществами.
Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом. Все они легко окисляются кислородом воздуха, а рубидий и цезий даже самовоспламеняются.
4Li + O2® 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2® Na2O2 (пероксид натрия)
K + O2® KO2 (надпероксид калия)
Щелочные металлы самовоспламеняются во фторе, хлоре, парах брома, образуя галогениды:
При нагревание взаимодействуют со многими неметаллами:
2Na + S ® Na2S (сульфиды)
6Li + N2® 2Li3N ( нитриды)
2Li + 2C ® 2Li2C2 (карбиды)
2. Взаимодействие с водой. Все щелочные металлы реагируют с водой, восстанавливая ее до водорода. Активность взаимодействия металлов с водой увеличивается от лития к цезию.
2Na + 2H2O ® 2NaOH + H2
2Li + 2H2O ® 2LiOH + H2
3. Взаимодействуют с кислотами. Щелочные металлы взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:
2Na + 2HCl ® 2NaCl +H2
Концентрированную серную кислоту восстанавливают главным образом до сероводорода:
8Na + 5H2SO4® 4Na2SO4+ H2S + 4H2O
При этом возможно параллельное протекание реакции восстановления серной кислоты до оксида серы (IV) и элементарной серы.
При реакции щелочного металла с разбавленной азотной кислотой преимущественно получается аммиак или нитрат аммония, а с концентрированной – азот или оксид азота (I):
8Na +10HNO3(разб.)® 8NaNO3+ NH4NO3+ 3 H2O
8K +10HNO3(конц.)® 8KNO3+ NO2+ 5H2O
Однако, как правило, одновременно образуется несколько продуктов.
4. Взаимодействие с оксидами металлов и солями. Щелочные металлы вследствие высокой химической активности могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:
BeO +2Na ®Be + Na2O
CaCl2+ 2Na® Ca + 2NaCl
Металлический натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с инертными электродами. В расплаве хлорид натрия диссоциирует на ионы:
При электролизе на катоде восстанавливается катион Na+ , на аноде окисляется анион Cl-:
катод: 2 Na++2е ® 2Na
анод: 2 Cl--2е ® Сl2
2Na++ 2Cl-® 2Na + Cl2 или 2NaCl®2Na + Cl
Таким образом при электролизе образуются натрий и хлор. Иногда натрий получают электролизом расплава гидроксида натрия.
Другим способом получения натрия является восстановление соды углем при высоких температурах:
Na2CO3+ 2C®2Na + 3CO
Калий получают замещение его натрием из расплава хлорида калия или гидроксида калия:
KCl + Na ® K + NaCl
Калий может быть получен также электролизом расплавов его соединений (KCl; KOH).
Металлический литий получают электролизом расплава хлорида лития или восстановлением оксида лития алюминием.
Рубидий и цезий получают, восстанавливая металлами их галогениды в вакууме:
2RbCl + Ca = 2Rb + CaCl2 ; 2CsCl + Mg = 2Cs + CaCl2
Оксиды щелочных металлов (R2O):
Оксиды лития и натрия – белые вещества, оксид калия имеет светло-желтую окраску, рубидия – желтую, цезия – оранжевую. Все оксиды – реакционноспособные соединения, обладают ярко выраженными основными свойствами, причем в ряду от оксида лития к оксиду цезия основные свойства усиливаются.
Окислением металла получается только оксид лития:
Остальные оксиды получают косвенным путем. Так, оксид натрия получают восстановлением соединения натрия металлическим натрием:
Na2O2+ 2Na ® 2Na2O
2NaOH + 2Na ® 2Na2O + H2
Оксиды щелочных металлов легко взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды, например:
Li2O + H2O ® 2LiOH
С кислотными оксидами и кислотами они реагируют, образуя соли:
Na2O + SO3 ® Na2SO4
K2O + 2HNO3 ® 2KNO3+ H2O
Гидроксиды щелочных металлов (ROH):
Представляют собой белые кристаллические вещества. Все гидроксиды щелочных металлов являются сильными основаниями, растворимыми в воде. Общее название – щелочи.
Гидроксиды образуются при взаимодействии щелочных металлов или их оксидов с водой:
2Li + 2H2O ® 2LiOH + H2
Li2O + H2O ® 2LiOH
Гидроксиды натрия и калия, имеющие большое практическое значение, в промышленности получают электролизом хлоридов:
2NaCl + 2H2O ® 2NaOH + H2 + Cl2
катод: 2H++ 2ē ® H02
анод: 2Cl-– 2ē ® Cl02
Гидроксиды щелочных металлов проявляют все характерные свойства оснований: они взаимодействуют с кислотами и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами, кислотами, солями. В водных растворах щелочей растворяются некоторые металлы, образующие амфотерные гидроксиды, например: