Щелочные металлы
Семейство щелочных металлов
| Li | Na | K | Rb | Cs | |
|---|---|---|---|---|---|
| т. пл., °C | 181 | 98 | 63 | 39 | 28 |
| плотность, г/см³ | 0,53 | 0,97 | 0,86 | 1,53 | 1,93 |
| \(E^\circ\), В | −3,04 | −2,71 | −2,93 | −2,98 | −3,03 |
| пламя | малиновое | жёлтое | фиолетовое | красно-фиолет. | голубое |
Литий — самый лёгкий металл (плавает в керосине). Металлы хранят под керосином или маслом (литий — под вазелином: он легче керосина). Сплав натрия с калием жидок при комнатной температуре — теплоноситель в реакторах на быстрых нейтронах.
history_eduЦезий и рубидий — из спектра
В 1860 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф изобрели спектральный анализ и в минеральной воде Дюркгейма увидели две голубые линии неизвестного элемента — цезий (лат. caesius — «небесно-голубой»). В 1861 году в лепидолите — тёмно-красные линии: рубидий (rubidus — «тёмно-красный»). Чтобы выделить несколько граммов цезия, пришлось выпарить 40 тонн воды.
scienceЩелочные металлы с водой
- \(\ce{2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2 ^}\) — спокойно.
- \(\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}\) — натрий бегает по воде, плавится.
- \(\ce{2K + 2H2O -> 2KOH + H2 ^}\) — водород воспламеняется (фиолетовое пламя).
- \(\ce{2Cs + 2H2O -> 2CsOH + H2 ^}\) — со взрывом, даже с водой при −116 °C.
infoПочему литий реагирует медленнее цезия
Потенциал лития (\(-3{,}04\) В) самый отрицательный — термодинамически он сильнейший восстановитель в воде (благодаря огромной энергии гидратации маленького \(\ce{Li+}\)). Но скорость реакции определяют кинетика: литий имеет высокую температуру плавления (не плавится от теплоты реакции), прочнее металлическая решётка и выше энергия ионизации. Цезий плавится при 28 °C и отдаёт электрон легче всех.
Реакции с неметаллами
scienceЩелочные металлы и неметаллы
- \(\ce{4Li + O2 -> 2Li2O}\); \(\ce{2Na + O2 -> Na2O2}\); \(\ce{K + O2 -> KO2}\) (урок 101).
- \(\ce{2Na + H2 ->[t] 2NaH}\) — гидриды.
- \(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\) — только литий, при комнатной температуре.
- \(\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}\); \(\ce{2K + S -> K2S}\).
- \(\ce{2Na + 2NH3 ->[Fe] 2NaNH2 + H2}\) — амид натрия; в жидком аммиаке — синие растворы (урок 126).
Получение. Щелочные металлы получают электролизом расплавов: натрий — из \(\ce{NaCl}\) (с добавкой \(\ce{CaCl2}\), ванна Даунса), литий — из \(\ce{LiCl + KCl}\). Калий — восстановлением натрием: \(\ce{KCl + Na ->[850 °C] NaCl + K ^}\) — реакция идёт, потому что калий летучее и уходит из смеси.
boltРавновесие, сдвинутое улетучиванием
По потенциалам натрий не может восстановить калий. Но при 850 °C калий испаряется (т. кип. 759 °C), а натрий — меньше; удаление пара калия сдвигает равновесие вправо (принцип Ле Шателье). Так же рубидий и цезий получают восстановлением их хлоридов кальцием.
auto_awesomeЛитий в батареях
Литий — лёгкий и с самым отрицательным потенциалом — идеальный анод. Литий-ионные аккумуляторы (Гуденаф, Уиттингем, Ёсино — Нобелевская премия 2019 года) питают телефоны и электромобили; спрос на литий за десятилетие вырос в несколько раз.
Особенности лития
Литий заметно отличается от остальных щелочных металлов и похож на магний — это диагональное сходство: \(\ce{Li+}\) и \(\ce{Mg^2+}\) близки по отношению заряда к радиусу.
| Свойство | Li (как Mg) | Na, K |
|---|---|---|
| горение на воздухе | \(\ce{Li2O}\) (+ \(\ce{Li3N}\)) | пероксид, надпероксид |
| с азотом | \(\ce{Li3N}\) | не реагируют |
| карбонат при нагревании | \(\ce{Li2CO3 -> Li2O + CO2}\) | не разлагается |
| нитрат при нагревании | оксид + \(\ce{NO2}\) + \(\ce{O2}\) | нитрит + \(\ce{O2}\) |
| растворимость \(\ce{LiF}\), \(\ce{Li2CO3}\), \(\ce{Li3PO4}\) | малорастворимы | растворимы |
auto_awesomeЛитий в медицине
Карбонат лития с 1949 года (Джон Кейд) — одно из самых эффективных средств при биполярном расстройстве. Механизм до сих пор до конца не ясен. Терапевтическая доза близка к токсической — концентрацию лития в крови постоянно контролируют.
scienceЛитий как магний
- \(\ce{Li2CO3 ->[t] Li2O + CO2}\) — как \(\ce{MgCO3}\).
- \(\ce{4LiNO3 ->[t] 2Li2O + 4NO2 + O2}\) — как нитрат магния.
- \(\ce{2LiOH ->[t] Li2O + H2O}\) — гидроксид лития отщепляет воду, NaOH — нет.
- \(\ce{LiCl + NaF -> LiF v + NaCl}\) — малорастворимый фторид.
push_pinГлавное
Щелочные металлы — мягкие, лёгкие, легкоплавкие; активность вниз по группе растёт (\(\ce{Li}\) реагирует с водой спокойно, хотя потенциал у него самый отрицательный, — это кинетика; \(\ce{K}\) воспламеняется, \(\ce{Cs}\) взрывается). Окраска пламени: Li — малиновая, Na — жёлтая, K — фиолетовая, Rb и Cs — красно-фиолетовая и голубая (открыты спектроскопически). С водой — щёлочь и водород; с кислородом — оксид (Li), пероксид (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs); с водородом — гидриды; с азотом — только литий. Литий похож на магний: \(\ce{Li3N}\), разлагающийся карбонат, малорастворимые \(\ce{LiF}\) и \(\ce{Li2CO3}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.