Оксиды, пероксиды и гидриды металлов группы 1

9 заданий

Кислородные соединения и CO₂

При горении щелочных металлов образуются разные кислородные соединения: литий образует оксид, натрий — пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды (урок 101). Они по-разному реагируют с водой и углекислым газом. В таблице показаны продукты этих реакций; их количества указаны в расчёте на одну формульную единицу соединения из первого столбца.

Соединение	Реакция с водой	Реакция с \(\ce{CO2}\)
\(\ce{Li2O}\)	Образуется \(\ce{2LiOH}\).	Образуется \(\ce{Li2CO3}\).
\(\ce{Na2O2}\)	На холоде образуются \(\ce{2NaOH + H2O2}\).	Образуется \(\ce{Na2CO3}\) и выделяется ½ \(\ce{O2}\).
\(\ce{KO2}\)	Образуются \(\ce{KOH}\), ½ \(\ce{H2O2}\) и ½ \(\ce{O2}\).	Образуется ½ \(\ce{K2CO3}\) и выделяется ¾ \(\ce{O2}\).

Реакции пероксида и надпероксида с углекислым газом полезны для регенерации воздуха: эти вещества поглощают \(\ce{CO2}\) и одновременно выделяют \(\ce{O2}\). При этом на одинаковый объём поглощённого углекислого газа надпероксид калия выделяет больше кислорода, чем пероксид натрия. Во влажном воздухе надпероксид калия может образовывать не карбонат, а гидрокарбонат.

boltСмесь для дыхательного аппарата

Человек выдыхает примерно 0,8 объёма \(\ce{CO2}\) на объём потреблённого \(\ce{O2}\). При поглощении одного объёма \(\ce{CO2}\) пероксид натрия выделяет 0,5 объёма \(\ce{O2}\), а надпероксид калия — 1,5 объёма. Поэтому смесь этих веществ подбирают так, чтобы выделение кислорода возмещало его потребление и газовый состав воздуха оставался постоянным.

scienceРегенерация воздуха

\(\ce{2Na2O2 + 2CO2 -> 2Na2CO3 + O2}\) — пероксид натрия поглощает углекислый газ и выделяет кислород.
\(\ce{4KO2 + 2CO2 -> 2K2CO3 + 3O2}\) — надпероксид калия поглощает углекислый газ и выделяет кислород.
\(\ce{4KO2 + 4CO2 + 2H2O -> 4KHCO3 + 3O2}\) — во влажном воздухе надпероксид калия образует гидрокарбонат калия и кислород.
\(\ce{2LiOH + CO2 -> Li2CO3 + H2O}\) — гидроксид лития служит лёгким поглотителем \(\ce{CO2}\) на космических кораблях, но кислород при этой реакции не выделяется.

auto_awesomeАполлон-13

В 1970 году астронавты повреждённого «Аполлона-13» перешли в лунный модуль. Для поглощения углекислого газа им понадобились патроны с гидроксидом лития из командного модуля, однако квадратные патроны не подходили к круглым гнёздам лунного модуля. Инженеры на Земле придумали переходник из пластиковых пакетов, картона и скотча. Это спасло экипаж от отравления углекислым газом.

Гидриды

Щелочные металлы образуют гидриды — ионные соединения, содержащие гидрид-ион \(\ce{H-}\) (урок 98). Их кристаллическая решётка имеет тип NaCl, а устойчивость уменьшается от LiH к CsH. Гидрид лития получают реакцией металла с водородом. При действии воды он, напротив, выделяет водород, поэтому его можно использовать как источник этого газа.

scienceГидриды щелочных металлов

\(\ce{2Li + H2 ->[700 °C] 2LiH}\) — при нагревании литий реагирует с водородом и образует гидрид лития.
\(\ce{LiH + H2O -> LiOH + H2 ^}\) — гидрид лития реагирует с водой; из 0,35 г LiH получают около 1 л водорода, что используют в водородных патронах для метеозондов.
\(\ce{4LiH + AlCl3 -> LiAlH4 + 3LiCl}\) — реакцией гидрида лития с хлоридом алюминия получают алюмогидрид лития.
\(\ce{NaH + CH3OH -> CH3ONa + H2}\) — гидрид натрия реагирует с метанолом и образует метилат натрия; в органическом синтезе NaH используют как сильное основание.

Способность гидридов выделять водород связана со свойствами гидрид-иона. Он реагирует с веществами, которые могут отдавать протон, поэтому реакция идёт не только с водой.

boltГидрид-ион и протонные реагенты

Вода, спирты, кислоты и аммиак реагируют с \(\ce{H-}\) по общей схеме \(\ce{H- + HA -> H2 + A-}\). При этом количество образовавшегося водорода равно количеству вступивших в реакцию гидрид-ионов.

auto_awesomeТермоядерный гидрид

Дейтерид лития-6 \(\ce{^6LiD}\) служит термоядерным топливом водородной бомбы. Под действием нейтронов литий-6 превращается в тритий (\(\ce{^6Li + n -> ^3H + ^4He}\)), который вступает в реакцию синтеза с дейтерием. Применение твёрдого вещества вместо жидкого дейтерия при −250 °C позволило сделать термоядерное оружие компактным; примером стало советское «изделие РДС-6с» (1953).

Щёлочи

В реакциях оксидов, пероксидов и надпероксидов с водой образуются гидроксиды щелочных металлов — щёлочи. Один из важнейших примеров — гидроксид натрия, который также называют едким натром и каустической содой. Его получают электролизом рассола (урок 84): около 80 млн т в год. Раньше гидроксид натрия получали каустификацией соды известью: \(\ce{Na2CO3 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + 2NaOH}\).

При хранении и применении щелочей необходимо учитывать их свойства:

Щёлочи гигроскопичны и поглощают \(\ce{CO2}\) из воздуха. Поэтому при хранении на воздухе в твёрдом NaOH появляется карбонат (урок 68).
При растворении щелочей выделяется много теплоты.
Щёлочи растворяют амфотерные металлы, кремний, серу и галогены, а стекло разрушают медленно.
Щёлочи омыляют жиры, что используют в мыловарении, и разрушают белки. Химические ожоги щёлочью особенно опасны, поскольку она проникает в ткани глубже, чем кислота.

Некоторые из перечисленных свойств иллюстрируют следующие реакции. В частности, реакция с углекислым газом объясняет, почему щёлочь, хранившаяся на воздухе, содержит примесь карбоната.

scienceЩёлочи в реакциях

\(\ce{2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O}\) — гидроксид натрия поглощает углекислый газ и образует карбонат натрия.
\(\ce{2NaOH + SiO2 ->[t] Na2SiO3 + H2O}\) — при нагревании гидроксид натрия реагирует с оксидом кремния и образует силикат натрия.
\(\ce{6NaOH + 3S ->[t] 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O}\) — при нагревании сера реагирует со щёлочью с образованием сульфида и сульфита натрия.
\(\ce{(C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH -> 3C17H35COONa + C3H5(OH)3}\) — при омылении жира образуются мыло и глицерин.

Поглощение воды и углекислого газа важно учитывать и при приготовлении растворов: масса навески гидроксида натрия не позволяет точно определить количество самого вещества.

boltСухая щёлочь не подходит для точных навесок

Для приготовления раствора точной концентрации NaOH не используют точную навеску твёрдой щёлочи, поскольку она поглощает воду и \(\ce{CO2}\). Сначала готовят раствор приблизительной концентрации, а затем устанавливают её по щавелевой кислоте или гидрофталату калия.

push_pinГлавное

При горении лития образуется \(\ce{Li2O}\), натрия — \(\ce{Na2O2}\), а калия, рубидия и цезия — надпероксиды общей формулы \(\ce{MO2}\) (урок 101). При реакции с водой эти соединения образуют щёлочи; при реакции с \(\ce{CO2}\) образуются карбонаты, причём пероксиды и надпероксиды также выделяют кислород. Гидриды \(\ce{MH}\) являются ионными соединениями: содержащийся в них \(\ce{H-}\) реагирует с водой с выделением \(\ce{H2}\). NaOH получают электролизом рассола. Щёлочи поглощают воду и \(\ce{CO2}\) из воздуха, растворяют алюминий, цинк и кремний, медленно разрушают стекло. Едкий натр разрушает белки и омыляет жиры с образованием мыла.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.