Щелочные металлы
Семейство щелочных металлов
Щелочные металлы имеют сходные химические свойства, но заметно различаются по температуре плавления, плотности и активности. Эти различия важно учитывать, когда сравнивают реакции металлов и способы их хранения.
| Свойство | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| Температура плавления, °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 |
| Окраска пламени | Малиновая. | Жёлтая. | Фиолетовая. | Красно-фиолетовая. | Голубая. |
Литий — самый лёгкий металл: он плавает в керосине. Щелочные металлы хранят под керосином или маслом, чтобы они не соприкасались с воздухом и влагой. Литий, который легче керосина, хранят под вазелином. Некоторые сплавы натрия с калием жидкие при комнатной температуре; их используют как теплоносители в реакторах на быстрых нейтронах.
history_eduОткрытие цезия и рубидия с помощью спектрального анализа
В 1860 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф разработали спектральный анализ. Исследуя минеральную воду Дюркгейма, они обнаружили две голубые линии неизвестного элемента и назвали его цезием (лат. caesius — «небесно-голубой»). В 1861 году исследование лепидолита выявило тёмно-красные линии другого элемента — рубидия (rubidus — «тёмно-красный»). Чтобы выделить несколько граммов цезия, пришлось выпарить 40 тонн воды.
С водой все щелочные металлы образуют щёлочь и водород. Однако по мере перехода от лития к цезию реакция становится всё более бурной.
scienceРеакции щелочных металлов с водой
- \(\ce{2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2 ^}\) — литий реагирует с водой сравнительно спокойно.
- \(\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}\) — натрий движется по поверхности воды и плавится от теплоты реакции.
- \(\ce{2K + 2H2O -> 2KOH + H2 ^}\) — выделяющийся водород воспламеняется; пламя имеет фиолетовую окраску.
- \(\ce{2Cs + 2H2O -> 2CsOH + H2 ^}\) — реакция протекает со взрывом; цезий реагирует даже со льдом при −116 °C.
infoПочему литий реагирует с водой медленнее цезия
Стандартный электродный потенциал лития (\(-3{,}04\) В) наиболее отрицателен. Поэтому в водном растворе литий термодинамически является сильнейшим восстановителем среди щелочных металлов; этому способствует большая энергия гидратации маленького иона \(\ce{Li+}\). Но электродный потенциал не определяет скорость реакции с водой: здесь главную роль играет кинетика. У лития выше энергия ионизации, прочнее металлическая решётка и выше температура плавления: от теплоты реакции он не плавится. Цезий, напротив, плавится уже при 28 °C и легче других щелочных металлов отдаёт электрон. Поэтому его реакция с водой протекает гораздо быстрее.
Реакции с неметаллами
Щелочные металлы вступают в реакции с кислородом, водородом и другими неметаллами. При этом продукты реакции с кислородом различаются: литий образует оксид, натрий — пероксид, а калий — надпероксид. Особое положение занимает литий: из перечисленных металлов только он реагирует с азотом при комнатной температуре.
scienceРеакции щелочных металлов с неметаллами
- \(\ce{4Li + O2 -> 2Li2O}\); \(\ce{2Na + O2 -> Na2O2}\); \(\ce{K + O2 -> KO2}\) — при взаимодействии с кислородом литий образует оксид, натрий — пероксид, а калий — надпероксид (урок 101).
- \(\ce{2Na + H2 ->[t] 2NaH}\) — при нагревании натрий реагирует с водородом с образованием гидрида натрия.
- \(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\) — при комнатной температуре с азотом реагирует только литий.
- \(\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}\); \(\ce{2K + S -> K2S}\) — натрий реагирует с хлором, а калий реагирует с серой.
- \(\ce{2Na + 2NH3 ->[Fe] 2NaNH2 + H2}\) — в присутствии железа натрий реагирует с аммиаком с образованием амида натрия; при растворении натрия в жидком аммиаке образуются синие растворы (урок 126).
Получение щелочных металлов. Для получения натрия и лития применяют электролиз расплавов: натрий получают из \(\ce{NaCl}\) с добавкой \(\ce{CaCl2}\) в ванне Даунса, а литий — из смеси \(\ce{LiCl + KCl}\). Калий получают восстановлением его хлорида натрием: \(\ce{KCl + Na ->[850 °C] NaCl + K ^}\). При этой температуре образующийся калий улетучивается и непрерывно покидает реакционную смесь.
boltСмещение равновесия при улетучивании продукта
Стандартные электродные потенциалы из таблицы относятся к водным растворам: по ним нельзя напрямую оценить равновесие реакции в расплаве при 850 °C. Калий кипит при 759 °C, поэтому в условиях его получения он испаряется, тогда как натрий улетучивается меньше. Удаление паров калия смещает равновесие в сторону продуктов согласно принципу Ле Шателье. Рубидий и цезий также получают восстановлением их хлоридов кальцием.
auto_awesomeПрименение лития в батареях
Малая масса лития и наиболее отрицательный электродный потенциал делают металлический литий подходящим материалом для анодов литиевых источников тока. Литий-ионные аккумуляторы, в которых анодом служит не металлический литий, а графит с внедрёнными ионами лития, питают телефоны и электромобили. За работы, связанные с такими аккумуляторами, Гуденаф, Уиттингем и Ёсино получили Нобелевскую премию 2019 года. За десятилетие спрос на литий вырос в несколько раз.
Особенности лития
Литий отличается от остальных щелочных металлов не только характером реакции с водой. Некоторые его соединения по свойствам напоминают соединения магния. Такое сходство элементов, расположенных по диагонали в Периодической системе, называют диагональным сходством. Одна из его причин состоит в том, что маленькие ионы \(\ce{Li+}\) и \(\ce{Mg^2+}\) обладают высокой плотностью заряда и заметно влияют на свойства своих соединений.
| Свойство | Li (сходство с Mg) | Na, K |
|---|---|---|
| Горение на воздухе | Образуются \(\ce{Li2O}\) и \(\ce{Li3N}\). | Образуются пероксид и надпероксид. |
| Реакция с азотом | Образуется \(\ce{Li3N}\). | При комнатной температуре с азотом не реагируют. |
| Нагревание карбоната | Протекает реакция \(\ce{Li2CO3 -> Li2O + CO2}\). | Карбонаты не разлагаются. |
| Нагревание нитрата | Образуются оксид, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{O2}\). | Образуются нитрит и \(\ce{O2}\). |
| Растворимость \(\ce{LiF}\), \(\ce{Li2CO3}\), \(\ce{Li3PO4}\) | Перечисленные соли малорастворимы. | Соответствующие соли растворимы. |
auto_awesomeПрименение лития в медицине
С 1949 года, после работ Джона Кейда, карбонат лития применяют как одно из наиболее эффективных средств при биполярном расстройстве. Механизм его действия до сих пор не выяснен полностью. Поскольку терапевтическая доза близка к токсической, концентрацию лития в крови постоянно контролируют.
Сходство лития с магнием особенно заметно при нагревании карбоната и нитрата лития. Кроме того, при нагревании гидроксид лития разлагается с выделением воды, а фторид лития выпадает в осадок из раствора.
scienceРеакции, характерные для соединений лития
- \(\ce{Li2CO3 ->[t] Li2O + CO2}\) — при нагревании карбонат лития разлагается подобно \(\ce{MgCO3}\).
- \(\ce{4LiNO3 ->[t] 2Li2O + 4NO2 + O2}\) — при нагревании нитрат лития, как и нитрат магния, образует оксид, диоксид азота и кислород.
- \(\ce{2LiOH ->[t] Li2O + H2O}\) — при нагревании гидроксид лития отщепляет воду, в отличие от NaOH.
- \(\ce{LiCl + NaF -> LiF v + NaCl}\) — при смешении растворов образуется осадок малорастворимого фторида лития.
push_pinГлавное
Щелочные металлы мягкие, лёгкие и легкоплавкие. Вниз по группе их реакция с водой становится более бурной: \(\ce{Li}\) реагирует спокойно, хотя его электродный потенциал наиболее отрицателен; при реакции \(\ce{K}\) выделяющийся водород воспламеняется, а реакция \(\ce{Cs}\) протекает со взрывом. Различие в скорости этих реакций связано не только с термодинамикой, но и с кинетикой. При взаимодействии с водой образуются щёлочь и водород; с кислородом литий образует оксид, натрий — пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды. С водородом щелочные металлы образуют гидриды, а с азотом при комнатной температуре реагирует только литий. Литий напоминает магний способностью образовывать \(\ce{Li3N}\), разложением карбоната при нагревании и малой растворимостью \(\ce{LiF}\) и \(\ce{Li2CO3}\). Металлы различают и по окраске пламени: Li окрашивает его в малиновый цвет, Na — в жёлтый, K — в фиолетовый, Rb — в красно-фиолетовый, Cs — в голубой. Именно спектральный анализ позволил открыть рубидий и цезий.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.