Элементы I группы
В данной статье мы познакомимся с элементами I группы главной подгруппы таблицы Менделеева. Рассмотрим главные характеристики и общие свойства данных элементов.
Общая характеристика. К элементам 1(IA) группы относятся следующие щелочные металлы: литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Сs и франций Fr. Элементы данной группы объединяются в семейство щелочных металлов. Гидроксиды щелочных металлов называются щелочами, именно поэтому эти металлы получили свое соответствующее название. Каждый период (кроме первого) начинается с щелочного металла.
Наиболее важными щелочными металлами в практическом применении являются натрий и калий.
Все элементы IA группы имеют один s-электрон на наружном электронном слое, и электронная конфигурация для них может быть представлена в виде ns1, при этом n обозначает номер периода металла. Поскольку у щелочных металлов только один валентный электрон во внешней оболочке, они легко отдают этот электрон другим элементам. Поэтому они являются сильными восстановителями, способными восстанавливать другие вещества, тем самым сами окисляясь. Степень окисления щелочных металлов соответственно всегда равна +1.
Общая химическая активность щелочных металлов усиливается в следующем порядке: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, т. е. восстановительные свойства металлов усиливаются в подгруппе сверху вниз.
Щелочные металлы в зависимости от металла образуют оксиды состава R2O, пероксиды различного состава, гидроксиды общей формулы ROH и гидриды с общей формулой RH.
Нахождение в природе. Из-за своей активности металлы этой группы в свободном состоянии в природе не встречаются. Из соединений щелочных металлов широко распространены соединения калия и натрия, поэтому они относится к числу восьми наиболее распространенных элементов земной коры (2,64 и 2,41% по массе соответственно). Огромное количество солей натрия содержится в морской воде. Минералы натрия очень разнообразны. Наиболее важные из них — галит NaCl (поваренная или каменная соль), мирабилит или глауберова соль, Na2SO4 ⋅ 10H2О, натриевая селитра NaNO3, криолит Na3AIF6, бура Na2B4O7 ⋅ 10H2О. Наибольшие запасы галита (NaCI) находятся в Казахстане в Прикаспийской низменности, Приаралье, по течению реки Иртыш. Много в стране месторождений мирабилита (Na2SO4 ⋅ 10H2О), крупные из них находятся в Алматинской, Кызылординской областях.
Соли калия имеют очень большое значение в жизни растений. Месторождения калийных солей сосредоточены в Западном Казахстане. Наиболее важными минералами калия являются сильвин КСІ, сильвинит NaCI ⋅ KCI, карналит KCI ⋅ MgCI2 ⋅ 6H2О и др. Соединения других щелочных металлов встречаются довольно редко. Франций получен искусственно, радиоактивный металл мало исследован и не имеет практического применения.
Рубидий и цезий имеют широкий спектр применения в различных отраслях промышленности и науки. В частности, их соединения используются для изготовления фотоэлементов, таких как фотодиоды и фоточувствительные приборы, благодаря высокой чувствительности к свету и электрическим сигналам. Кроме того, данные редкие металлы используются в медицине для изучения активности сердечно-сосудистой и нервной систем, а также в органической химии для синтеза органических соединений. Благодаря своим уникальным свойствам они являются ценными элементами для широкого спектра применений и продолжают привлекать внимание исследователей и инженеров.
Физические свойства. Щелочные металлы представляют собой серебристо-белые металлы, очень мягкие, легко режутся ножом. Натрий и калий относятся к легким металлам (ρ = 0,968 г/см3 и ρ = 0,86 г/см3 соответственно). Их хранят под слоем керосина или машинного масла.
Получение. Натрий получают электролизом расплавленного хлорида натрия, реже — гидроксида натрия:
2NaCI → Na + CI2
В технике калий получают натрийтермическим методом из расплавленного хлорида или гидроксида по соответствующим уравнениям:
KCl + Na → NaCl + K
KOH + Na → NaOH + K
Химические свойства. Все щелочные металлы чрезвычайно реакционноспособны. Они являются сильными восстановителями. Химические свойства щелочных металлов рассмотрим на примере натрия.
1. Взаимодействие с кислородом. При окислении натрия в недостатке кислорода при умеренном нагревании образуется оксид натрия:
4Na + O2 (недост.) = 2Na2О
2. Натрий энергично взаимодействует со многими неметаллами, причем взаимодействие с фтором и хлором сопровождается воспламенением:
2Na + CI2 = 2NaCI
хлорид натрия
С серой, водородом и фосфором натрий реагирует под действием температуры:
2Na + S = Na2S
сульфид натрия
2Na + H2 = 2NaH
гидрид натрия
3Na + P = Na3P
фосфид натрия
3. Натрий бурно взаимодействует с водой с образованием гидроксида натрия и выделением водорода:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
4. Очень активно происходит взаимодействие натрия с различными кислотами, например:
2Na + 2HBr = 2NaBr + H2↑
Наиболее важными его соединениями являются оксид натрия Na2O, пероксид натрия Na2O2, гидроксид натрия NaOH и различные соли.
Оксид натрия является типичным основным оксидом. Он взаимодействует с водой с образованием гидроксида натрия, кислотами и кислотными оксидами, например:
Na2O + H2O = 2NaOH
гидроксид натрия
Na2O + SiO2 = Na2SiO3
силикат натрия
Na2O + H2SO4 = Na2SO4 + H2O
сульфат натрия
Гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода) представляет собой белое гигроскопичное твердое вещество. Если оставить кусочек едкого натра на воздухе, то он вскоре расплывается, так как притягивает влагу из воздуха.
Едкий натр является сильным основанием и обладает высокой растворимостью в воде. При растворении его в воде происходит экзотермическая реакция, то есть выделяется большое количество теплоты. Когда мылится раствор гидроксида натрия, он становится скользким на ощупь из-за того, что данное соединение действует как мягкое моющее средство, которое способно разрушать жиры и белки. Однако следует быть осторожным при его использовании, так как он является крайне щелочным веществом и может вызвать ожоги при контакте с кожей. При работе с ним или его растворами нужно остерегаться, чтобы они не попали на руки, лицо или одежду.
1. Гидроксид натрия вступает в реакцию нейтрализации со всеми кислотами с образованием соответствующей соли и воды, например:
NaOH + HCI = NaCI + H2O
хлорид натрия
2. Гидроксид натрия реагирует также со всеми кислотными оксидами, образуя соль и воду:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
карбонат натрия
3. Едкий натр вступает в реакцию и со многими солями, образуя новое основание и новую соль, например:
CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCI
4. Гидроксид натрия также взаимодействует с амфотерным оксидом и амфотерным гидроксидом, например:
2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 + H2O
цинкат натрия
2NaOH + Zn(OH)2 = Na2ZnO2 + 2H2O
Пероксид натрия Na2O2 используется для отбеливания различных материалов, для регенерации кислорода в дыхательных приборах (например, в подводных лодках) по реакции:
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2↑
Также данное соединение применяется для производства кислородных отбеливающих средств, дезинфицирующих средств и в производстве бумаги.
Все соли щелочных металлов окрашивают пламя газовой горелки в различный цвет. Это является качественной реакцией на соответствующие металлы. Данная информация представлена в ниже таблице 1.
Таблица 1 — Окрашивание пламени горелки в разный цвет солями щелочных металлов
| Катионы щелочных металлов | Цвет пламени |
| К+ | фиолетовый |
| Na+ | желтый |
| Li+ | карминовый |
| Rb+ | буро-красный |
| Cs+ | голубой |
Применение. Щелочные металлы находят широкое применение в различных химических процессах, таких как гальванические элементы, производство металлов и сплавов, синтез органических соединений и т.д.
Металлический натрий используется для производства органических соединений, в качестве катализатора в органическом синтезе, а также в производстве фармацевтических препаратов и пластмасс. Также он применяется в качестве смачивателя, чтобы улучшить влажное смачивание поверхностей в химической промышленности.
Натрий относится к жизненно важным элементам, так ион натрия регулирует водный обмен и оказывает влияние на работу ферментов.
Гидроксид натрия используют в качестве реагента в химической промышленности, в производстве бумаги, искусственных волокон, для очистки нефти, масел и т. д.
Карбонат натрия (Na2CO3) также известен как техническая сода, широко используется в производстве стекла, моющих и моюще-очищающих средств, а также в обработке воды и в производстве бумаги.
Гидрокарбонат натрия (NaHCO3), или пищевая сода, используется как разрыхлитель теста, средство для гашения кислот, в производстве безалкогольных напитков и в пищевой промышленности в целом.
Оба продукта играют важную роль в химической промышленности и находят широкое применение в повседневной жизни.
Нитрат натрия (NaNO3) часто используется как удобрение для почвы, так как он содержит азот, который является одним из основных питательных элементов растений. Он также может быть использован в производстве стекла для улучшения его физических свойств, таких как прозрачность и теплопроводность.
В пищевой промышленности нитрат натрия используется как консервант для мяса и рыбы, чтобы предотвратить развитие бактерий и увеличить срок годности продуктов. Также он может быть добавлен в некоторые виды сыра для предотвращения развития плесени.
Однако важно помнить, что избыток нитратов в организме может быть вредным для здоровья, поэтому необходимо соблюдать рекомендуемую дозу при использовании нитрата натрия.
Хлорид натрия (NaCI) (поваренная соль) является одним из самых распространенных минеральных соединений на земле. Он широко используется в пищевой промышленности как вкусо-ароматическая добавка, а также как консервант для продуктов питания.
Помимо прочего используется в технике, в частности в производстве хлора и соды каустической. Применяется в химической промышленности для различных процессов, таких как осаждение металлов из растворов, очистка воды и т.д.
Хлорид натрия также используется в медицине, например, в растворах для инъекций, для увлажнения слизистых оболочек и т.д. Можно сказать, что хлорид натрия играет значительную роль в различных областях нашей жизни и является неотъемлемой частью многих процессов.
Цианид натрия (NaCN) играет важную роль в процессе выщелачивания золота из твердых илов (горных пород). Он растворяет золото из руды, образуя цианидное комплексное соединение, которое затем проходит процесс экстракции золота.
В нитроцементации стали цианид натрия используется для отделения нитрида железа от стали. Этот процесс увеличивает прочность и износостойкость стали, что делает ее более подходящей для различных применений.
В гальванотехнике натриевый цианид используется для электролитического осаждения покрытий из драгоценных металлов, таких как серебро и золото. Он служит в качестве электролита, обеспечивая равномерное и качественное покрытие поверхности металлических изделий.
Несмотря на свою широкое промышленное применение, NaCN является опасным веществом и требует строгого соблюдения мер предосторожности и экологических стандартов при его использовании и хранении.
Хлорат натрия (NaCIO) является эффективным гербицидом, который уничтожает сорняки и другие растения, мешающие нормальному функционированию железнодорожных путей.
Хлорат натрия обычно используется в виде раствора, который наносится на зеленую массу растений на полотне. После обработки хлорат натрия вызывает сушку и гибель нежелательной растительности. Однако следует отметить, что данное вещество может быть опасным для окружающей среды, поэтому его следует использовать с осторожностью, соблюдая при этом все меры предосторожности.
Гидроксид калия (КОН) применяют для получения мыла. Около 90 % добываемых солей калия потребляются в качестве удобрений.
Калий ускоряет процесс фотосинтеза и содействует накоплению углеводов в растениях.
Карбонат калия (К2СО3) содержится в золе растений, придает золе моющие свойства.
Хлорат калия (КСlO3) и нитрат калия (KNO3) используют в пиротехнике.
Ион калия помогает воздействовать на работу мышц, участвует в балансе воды в организме и поддерживает здоровое состояние клеток. Недостаток калия может привести к различным проблемам со здоровьем, включая слабость, усталость, нарушение ритма сердца и мышечные судороги. Поэтому важно иметь достаточное количество калия в рационе, употребляя продукты, богатые этим элементом, например, бананы, картофель, помидоры, фасоль, орехи, сушеные фрукты и др.Перманганат калия (КМnО4), или марганцовка, используется в быту как дезинфицирующее средство и сильнейший окислитель в химии для осуществления многих химических процессов.
Задания для самопроверки:
Задание 1
Выбрать характеристику, не соответствующую щелочным металлам:
А) легко режутся ножом
B) гидроксиды этих металлов называются щелочами
C) степень окисления в соединениях всегда +1
D) из-за активности хранятся под слоем машинного масла
E) оксиды этих металлов получают обжигом соответствующих карбонатов
Задание 2
Оксид натрия реагирует с каждым из двух веществ:
А) CO2, KNO3
B) Al(OH)3, CuCl2
C) Cu(NO3)2 , K2SO4
D) N2O5, H2SO4
E) LiCl, Ba(NO3)2
Задание 3
Ускоряет процесс фотосинтеза и содействует накоплению углеводов в растениях:
А) цезий
B) натрий
C) калий
D) франций
E) литий
Задание 4
Формула сильвинита:
А) Na2B4O7 ⋅ 10H2О
B) NaCI ⋅ KCI
С) КСІ
D) Na3AIF6
E) KCI ⋅ MgCI2 ⋅ 6H2О
Задание 5
В результате взаимодействия гидроксида калия с оксидом цинка образуется соль:
А) Na2ZnO3
B) Na2ZnO
С) NaZnO
D) Na2ZnO2
E) NaZnO2
Ответы:
1 – E, 2 – D, 3 – C, 4 – B, 5 – D.
Загрузка...