Главная Обратная связь

Дисциплины:






Хімічні елементи ІА групи. Лужні метали

Лужні метали – літій , натрій , калій , рубідій , цезій і францій – є хімічними елементами ІА групи Періодичної системи хімічних елементів. Називають їх лужними тому, що їх гідроксиди є лугами (сильними основами). У Періодичній системі ці хімічні елементи розміщені на початку періодів, починаючи з другого. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня їх атомів , тобто вони є s-елементами. Атоми лужних металів у межах свого періоду мають найбільші розміри. Цим можна пояснити їхню здатність легко відщеплювати свої валентні s-електрони, перетворюючись при цьому в позитивно заряджені катіони. Втрачаючи свій єдиний валентний електрон, атоми лужних металів в усіх сполуках набувають ступеня окислення +1. Зовнішній електронний шар їхніх катіонів дуже стійкий, не здатний відчутно деформуватися. Тому з простими і складними (комплексними) аніонами катіони лужних металів (за винятком літію) сполучаються переважно іонними зв’язками з деякою досить незначною часткою ковалентності залежно від природи аніона. Ковалентні зв’язки, що утворюються за участю атомів лужних металів, спостерігаються у дуже нестійких молекулах у газоподібному стані лужних металів за високих температур, їх молярна частка від числа випарованих атомів складає приблизно 1%. Стійкість таких молекул рідко зменшується від літію до францію. Крім того, атоми літію можуть утворювати ковалентні полярні зв’язки у металоорганічних сполуках, наприклад тощо, які використовують в органічному синтезі. Серед усіх металів лужні метали відзначаються найменшими потенціалами іонізації, які зменшуються від літію до францію завдяки тому, що їх атомні розміри збільшуються. Їм найбільш притаманні металічні властивості.

Поширення у природі. Лужні метали як хімічні елементи, які є видами атомів, що мають однаковий заряд ядра (однакове число протонів), у природі, як правило, існують у вигляді декількох різновидів атомів, що відрізняються числом нейтронів у ядрі – ізотопів. Наприклад: літій як хімічний елемент складається з двох різновидів атомів (ізотопів), нуклідами яких є ; калій – з трьох ізотопів, нуклідами яких є ; рубідій – з двох ізотопів, нуклідами яких є . З ізотопів францію найбільш стійким і доступним є радіоактивний з нуклонним числом нукліда 223 . Для натрію і цезію природні ізотопи відсутні, але відомі штучні.

Масові частки (кларки) нуклідів лужних металів у земній корі відповідно такі: 6,5∙10-3% літію, 26% натрію, 2,4% калію, 1∙10-5 % рубідію. В природі вони перебувають у вигляді катіонів, що входять до складу хлоридів, сульфатів, силікатів тощо. Із них найбільш поширені натрій і калій хлориди, які містяться в природних водах, живих організмах та мінералах: сильвініті , карналіті , кам’яній солі . Важлива природна сполука натрію – (глауберова сіль). Мінерали, що містять літій, досить рідкісні. Рубідій та цезій трапляються, як домішки мінералів калію. Францій у природі виявлено в мізерних кількостях у поліметалічних уранових рудах. Усі нукліди францію мають малі періоди піврозпаду (найбільший з них становить 21 хв).



Фізичні властивості. Лужні метали як прості речовини за звичайних умов при відсутності повітря (у вакуумі) – сріблясто-білі речовини з достатньо вираженим металічним блиском (за винятком жовтуватого цезію). Францій у вигляді фази не одержано. Всі лужні метали мають незначну густину (від 0,539 г/см3 для Li до 1,9 г/см3 для Cs), тобто є легкими металами. Літій, натрій, калій – легші за воду. Лужні метали відзначаються малою твердістю (ріжуться ножем), низькими температурами плавлення ( від 28,4 оС для цезію до 180 оС для літію) та кипіння, високою електропровідністю. Для францію, враховуючи закономірність зміни температур плавлення лужних металів, можна допустити, що за звичайних умов він перебував би у вигляді рідкої фази.

Безбарвне полум’я пальника нукліди лужних металів забарвлюють у характерні кольори: літій – у карміново-червоний, натрій – у жовтий, калій – у фіалковий, рубідій – у синювато-червоний, цезій – у синій.

Добування. Літій та натрій добувають, як правило, електролізом розплавів їх солей (переважно хлоридів). Калій одержують дією газоподібного натрію на розплав хлориду калію:

.

Перспективним для добування калію можуть бути як відновники алюміній і силіцій у присутності . Рубідій і цезій добувають із їх хлоридів вакуумічним відновленням кальцієм:

;

.

Зауважимо, що в багатьох реакціях, приведених вище, менш активні метали витісняють більш активні. Тут потрібно враховувати ще температури плавлення продуктів реакції, а також не забувати, що ці реакції оборотні.

Всі лужні метали легко очищують перегонкою у вакуумі.

Хімічні властивості. Усім лужним металам притаманна надзвичайно висока хімічна активність, яка поступово зростає від літію до цезію. При взаємодії з неметалами лужні метали утворюють багато різноманітних бінарних сполук, що належать до різних класів неорганічних сполук (оксидів, солей).

В атмосфері сухого повітря всі лужні метали швидко (лише літій повільно), вкриваються плівками різних сполук з оксигеном, а літій, крім того, - ще й з нітрогеном:

;

;

;

;

;

.

Приведені вище сполуки, що утворюються при взаємодії лужних металів з диоксигеном (киснем), можуть містити незначну кількість інших сполук.

При контакті лужних металів з повітрям, що містить триоксиген (озон) можуть утворюватись, крім приведених вище сполук - - озоніди.

Наприклад: .

Для одержання чистих озонідів лужних металів використовують реакцію безводних гідроксидів цих металів з озоном, що міститься у повітрі:

За звичайних умов лужні метали згоряють в атмосфері флуору та хлору:

;

.

З рештою неметалів лужні метали реагують при нагріванні:

;

;

;

;

.

У деяких реакціях (з воднем, азотом, вугіллям, силіцієм) літій проявляє себе більш активно, ніж інші лужні метали:

;

;

;

.

З водою літій реагує досить енергійно, натрій – бурхливо, калій – з вибухом, а рубідій і цезій спалахують навіть при контакті з льодом: .

З рідким аміаком за низької температури в присутності каталізатора та газоподібним аміаком при нагріванні лужні метали утворюють аміди:

;

.

Лужні метали добре розчиняються у ртуті з утворенням амальгам, при цьому відбувається значне розігрівання. Амальгами лужних металів використовують як відновники. Ще більш активними відновниками є самі лужні метали. Калій і натрій при нагріванні активно взаємодіють з різними оксидами, солями тощо:

;

;

.

Сполуки з оксигеном. Для всіх лужних металів відомі звичайні оксиди , але тільки одержують при безпосередній взаємодії металу з киснем, решта – непрямими способами, відновлюючи одержані пероксиди та супероксиди надлишком відповідного металу:

Цікаво, що оксиди лужних металів, крім літію, у сухому і чистому повітрі знову можуть переходити у відповідні пероксиди та супероксиди:

Оксиди лужних металів – тверді кристалічні речовини з іонним зв’язком. Оксиди літію, натрію, калію безбарвні (білого кольору), оксид рубідію – жовтого, а цезію – помаранчевого.

Всі ці оксиди є типовими основними оксидами. При взаємодії з водою вони утворюють луги:

.

Реакції супроводжуються значним виділенням теплоти. Як основні оксиди вони реагують з кислотними та амфотерними оксидами, кислотами:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Серед інших оксигенвмісних сполук лужних металів відомими є пероксиди , супероксиди та озоніди . Усі вони є кристалічними іонними сполуками, де аніони можуть бути: . Усі ці сполуки легко руйнуються водою та карбон (ІV) оксидом:

Завдяки цим реакціям їх застосовують для регенерації кисню в ізольованому просторі (підводні човни, космічні апарати тощо), а також знищення шкідливих продуктів життєдіяльності, наприклад:

Гідроксиди. Гідроксиди лужних металів – безбарвні, тверді речовини переважно з іонним зв’язком, хоча у вже спостерігаються ознаки ковалентного полярного зв’язку. Всі вони дуже гігроскопічні. При контакті з багатьма матеріалами гідроксиди лужних металів їх роз’їдають, тому їх ще називають їдкими (їдкий натр , їдке калі - ). Всі вони добре розчиняються у воді (найгірше - ), у розбавлених розчинах повністю розпадаються на гідратовані іони, що утворюються за рахунок іон-дипольної взаємодії з молекулами (диполями) води (гідрати літію утворюють частково ковалентний полярний зв'язок). Процес їх дисоціації спрощено можна записати так:

.Тому гідроксиди лужнихметалів належать до лугів. Крім води, гідроксиди лужних металів добре розчиняються у найпростіших спиртах – метанолі та етанолі. Здатність до гідратації катіонів зменшується від до .

При нагріванні розкладається:

Інші гідроксиди лужних металів при нагріванні не розкладаються, переходячи в газоподібний стан.

Натрій гідроксид (їдкий натр, каустичну соду) виробляють у світі в значній кількості, бо його широко застосовують у різних галузях промисловості. У менших обсягах використовують калій гідроксид (їдке калі).

Ці два гідроксиди добувають, як правило, електролізом водних розчинів відповідно натрій хлориду чи калій хлориду:

Можна записати сумарним рівнянням:

.

При цьому, крім натрій чи калій гідроксидів, одержують також водень і хлор.

Значно рідше для добування використовують реакцію каустифікації соди з гашеним вапном :

.

Гідроксиди лужних металів у водних розчинах реагують з металами, оксиди та гідроксиди яких проявляють амфотерні властивості, та деякими неметалами:

;

 

Зауважимо, що гідролізує до , яка поступово у присутності лугу перетворюється в сіль полісилікатної кислоти, яку спрощено записують , і, відповідно, рівняння реакції буде:

.

Луги добре взаємодіють з кислотними та амфотерними оксидами, кислотами, амфотерними гідроксидами, з солями та галогенпохідними:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Лужне середовище значно впливає на окисно-відновні властивості речовин. Наприклад, калій перманганат однією і тією ж речовиною у кислому середовищі відновлюється до сполук , а в лужному – до .

Солі. Немає жодної кислоти, для якої б не були відомі солі лужних металів. Такі солі за звичайних умов є стійкими кристалічними речовинами з іонним зв’язком. Винятком є деякі солі літію, в яких для атомів літію притаманний в певній мірі ковалентний полярний зв'язок. Здебільшого вони добре розчинні (винятків дуже мало), а їх хімічні властивості в значній мірі визначаються природою аніонів. Назвемо найбільш важливі солі лужних металів: натрій хлорид ; натрій карбонат (кальцинована сода); (сода кристалічна); натрій гідроген карбонат (сода питна); натрій сульфат (глауберова сіль); натрій метасилікат (полісилікат) (розчинне скло); натрій тетраборат (бура); натрій сульфіт ; натрій тіосульфат ; калій хлорид ; калій карбонат (поташ); калій хлорат (бертолетова сіль); калій перманганат ; калій гексаціаноферат (ІІ) (жовта кров’яна сіль); калій гексаціаноферат (ІІІ) (червона кров’яна сіль); калій дихромат ; літій карбонат .

Безліч інших солей лужних металів використовують значно рідше наведених вище.

Зауважимо ще раз, що солі лужних металів, як правило, добре розчинні у воді. Винятком є деякі солі літію , калію тощо.

Солі лужних металів та сильних кислот у воді не гідролізують. Їх контакт з водою обмежується іон-дипольною (електростатичною) взаємодією іонів з молекулами води. У випадку іонів можна допускати утворення нестійких аквакомплексів з утворенням слабких ковалентних полярних зв’язків.

Отже, водні розчини цих солей мають нейтральну реакцію середовища.

У випадку солей лужних металів і слабких кислот при контакті з водою відбувається гідроліз, який залежно від природи аніона може бути оборотним або необоротним. При цьому завжди утворюється лужне середовище:

;

;

;

;

;

.

Деякі солі лужних металів (нітриди, аміди, фосфіди, карбіди, алкоголяти, гідриди тощо) гідролізують повністю і необоротно:

;

;

;

;

;

.

Зауважимо, що у випадку гідролізу гідридів лужних металів відбувається і окисно-відновна реакція: .

Біологічна роль та застосування в медицині сполук лужних металів. Натрій і калій є біогенними хімічними елементами, необхідність присутності нуклідів яких у живому організмі доведено. Нагадаємо ще раз, що нукліди – це частинки у вигляді яких хімічний елемент може існувати: ядра, катіони, аніони, вільні атоми, зв’язані атоми. Масові частки (масові кларки) нуклідів натрію в організмі людини складають 0,25 %, калію – 0,22 %. Отже, натрій і калій в організмі людини є макроелементами. Іони натрію зосереджені переважно в позаклітинних рідинах тканини, а також у плазмі крові, лімфі, шлункових та кишкових соках тощо. Іони калію містяться переважно всередині клітин. В організмі людини натрій та калій перебувають у вигляді гідратованих іонів, що входять до складу хлоридів, гідрогенкарбонатів, гідроген- та дигідрогенфосфатів, різних органічних сполук.

Щоб підтримувати підвищену концентрацію усередині клітин потрібно їх постійно активно «накачувати» з позаклітинної рідини через мембрану. Для цього використовується частина вільної енергії , яка виділяється при гідролізі АТФ. Існування калій-натрієвого градієнта концентрацій іонів по обидва боки клітинної мембрани є основним джерелом передачі нервових імпульсів. Порушення необхідного градієнта концентрацій з обох боків клітинної мембрани може призвести до загибелі організму. Катіони і відіграють важливу роль у підтриманні осмотичного тиску в клітинах, у плазмі крові тощо.

Необхідність присутності інших іонів (нуклідів) лужних металів в організмі людини не доведено. Відомо, що присутність інших іонів лужних металів досить незначна. Наприклад, для літію ; для рубідію .

Однак, присутність в організмі людини штучних радіонуклідів цезію, що утворились в ядерних реакторах і розсіялись під час катастрофи, є шкідливою для організму.

Літій карбонат використовують для лікування деяких нервово-психічних захворювань.

Водні розчини натрій хлориду з використовують тимчасово при значній втраті крові або рідини організмом. Їх називають ізотонічними розчинами щодо плазми крові людини.

Розчини з називають гіпертонічними і використовують для очистки гнойових ран.

Натрій гідроген карбонат у вигляді водних розчинів використовують при підвищенні кислотності шлункового соку, як відхаркувальний засіб у мікстурах, для полоскань при кон’юнктивітах, стоматитах тощо.

Інші препарати, що містять іони натрію та калію, буде розглянуто пізніше у відповідних розділах підручника.

Контрольні запитання, вправи та задачі для самостійної роботи

1. Вказати число ізотопів літію, що існують у природі.

2. Вказати нукліди, у вигляді яких літій існує у природі як хімічний елемент.

3. Чи існують природні ізотопи натрію і цезію?

4. Атоми якого із лужних металів найбільш схильні до утворення ковалентних полярних зв’язків?

5. Який із лужних металів найбільш поширений у природі?

6. Який із лужних металів найменш поширений у природі?

7. Який із лужних металів має найвищу температуру плавлення?

8. Який із лужних металів має найменшу густину?

9. Які лужні метали за вмістом їх нуклідів в організмі людини належать до мікроелементів?

10. Які лужні метали належать до біогенних хімічних елементів?

11. Який лужний метал при взаємодії з киснем утворює переважно оксид?

12. Який лужний метал при взаємодії з киснем утворює переважно пероксид?

13. Які лужні метали при взаємодії з киснем утворюють супероксиди?

14. Який лужний метал за кімнатної температури реагує з азотом?

15. Гідроксид якого лужного металу при нагріванні розпадається на оксид і воду?

16. Вказати декілька солей літію, що погано розчиняються у воді.

17. Вказати декілька солей калію, що погано розчиняються у воді.

18. Написати рівняння таких перетворень:

а) ;

б) ;

в) .

19. Написати іонні рівняння першої стадії гідролізу таких солей: .

20. Написати рівняння таких реакцій:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

21.Написати рівняння гідролізу таких сполук: .

22. Обчислити об’єм , що утвориться при взаємодії 23 г натрію з водою за нормальних умов та температури і нормального тиску.

23. Для чого використовують у медицині ізотонічні та гіпертонічні розчини натрій хлориду?





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...