С чем взаимодействуют щелочные металлы: Химические свойства щелочных металлов и щелочноземельных

Содержание

общая характеристика, строение; свойства и получение простых веществ — урок. Химия, 8–9 класс.

Щелочными металлами называются химические элементы-металлы \(IA\) группы Периодической системы Д. И. Менделеева: литий \(Li\), натрий \(Na\), калий \(K\), рубидий \(Rb\), цезий \(Cs\) и франций \(Fr\).

 

Электронное строение атомов. На внешнем энергетическом уровне атомы щелочных металлов имеют один электрон ns1. Поэтому для всех металлов группы \(IA\) характерна степень окисления \(+1\).

Этим объясняется сходство свойств всех щелочных металлов.

Для них (сверху вниз по группе) характерно:

  • увеличение радиуса атомов;
  • уменьшение электроотрицательности;
  • усиление восстановительных, металлических свойств.

Нахождение в природе. Из щелочных металлов наиболее широко распространены в природе натрий и калий. Но из-за высокой химической активности они встречаются только в виде соединений.

Основными источниками натрия и калия являются:

  • каменная соль (хлорид натрия \(NaCl\)),
  • глауберова соль, или мирабилит — декагидрат сульфата натрия Na2SO4 \(·\) 10h3O,
  • сильвин — хлорид калия \(KCl\),
  • сильвинит — двойной хлорид калия-натрия \(KCl\) \(·\)\(NaCl\) и др.

Соединения лития, рубидия и цезия в природе встречаются значительно реже, поэтому их относят к числу редких и рассеянных.


Физические свойства простых веществ. В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Наличие металлической связи обусловливает общие физические свойства простых веществ-металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.

 

В свободном виде простые вещества, образованные элементами \(IA\) группы — это легкоплавкие металлы серебристо-белого (литий, натрий, калий, рубидий) или золотисто-жёлтого (цезий) цвета, обладающие высокой мягкостью и пластичностью.

 

Рис. \(1\). Литий

  

Рис. \(2\). Натрий

 

Наиболее твёрдым является литий, остальные щелочные металлы легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу.

 

Только у натрия плотность немного больше единицы ρ=1,01 г/см3, у всех остальных металлов плотность меньше единицы.

 

Химические свойства. Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, реагируя с кислородом и другими неметаллами. 

Поэтому хранят щелочные металлы под слоем керосина или в запаянных ампулах. Они являются сильными восстановителями.

 

Все щелочные металлы активно реагируют с водой, выделяя из неё водород.

Пример:

2Na+2h3O=2NaOH+h3↑.

 

Взаимодействие натрия с водой протекает с выделением большого количества теплоты (т. е. реакция является экзотермической). Кусочек натрия, попав в воду, начинает быстро двигаться по её поверхности. Под действием выделяющейся теплоты он расплавляется, превращаясь в каплю, которая, взаимодействуя с водой, быстро уменьшается в размерах. Если задержать её, прижав стеклянной палочкой к стенке сосуда, капля воспламенится и сгорит ярко-жёлтым пламенем.

Получение. Металлический натрий в промышленности получают главным образом электролизом расплава хлорида натрия с инертными (графитовыми) электродами.

В расплаве хлорида натрия присутствуют ионы:


 NaCl⇄Na++Cl−.

 

При электролизе

на катоде восстанавливаются катионы Na+, а на аноде окисляются анионы Cl−:

 

катод (\(–\)):  2Na++2e=2Na,

 

анод (\(+\)): 2Cl−−2e=Cl2↑.

Суммарное уравнение реакции при электролизе расплава хлорида натрия:

 

2NaCl→2Na+Cl2↑.

Источники:

Рис. 1. Литий © ЯКласс

Рис. 2. Натрий © ЯКласс

общая характеристика, строение; свойства и получение — урок. Химия, 8–9 класс.

Щелочноземельными металлами называют \(4\) химических элемента \(I\)\(I\)\(A\) группы Периодической системы Д. И. Менделеева, начиная с кальция:

 

кальций \(Ca\), стронций \(Sr\), барий \(Ba\), радий \(Ra\).

Электронное строение атомов

На внешнем энергетическом уровне атомы металлов \(IIA\) группы имеют два электрона.

 

Поэтому для всех щелочноземельных металлов характерна степень окисления \(+2\).

Этим объясняется сходство их свойств.

 

Для металлов \(I\)\(I\)\(A\) группы (сверху вниз) характерно:

  • увеличение радиуса атомов;
  • уменьшение электроотрицательности;
  • усиление восстановительных, металлических свойств.

Нахождение в природе

Из щелочноземельных металлов кальций наиболее широко распространён в природе, а радиоактивный радий — менее всего.

 

Все щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, поэтому встречаются в природе только в виде соединений.

 

Основными источниками кальция являются его карбонаты CaCO3 (мел, мрамор, известняк).


В свободном виде простые вещества представляют собой типичные металлы от серого до серебристого цвета.

Физические свойства простых веществ

В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Это обусловливает общие физические свойства простых веществ металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.

 

Тем не менее, металлы \(I\)\(I\)\(A\) группы имеют разные значения температуры плавления, плотности и других физических свойств.

Химические свойства

Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.

 

Они являются сильными восстановителями.

 

Щелочноземельные металлы активно реагируют с:

 

водой, образуя соответствующие гидроксиды и выделяя водород:

 

Ba+2h3O=Ba(OH)2+h3↑;

 

кислотами, легко растворяясь в их растворах с образованием соответствующих солей:

 

Ba+2HCl=BaCl2+h3↑;

 

с неметаллами, образуя оксиды или соответствующие соли (гидриды, галогениды, сульфиды и др.):

 

 

Bа+Cl2=BаCl2,

 

Bа+S=BаS.

Щелочноземельные металлы получают в основном электролизом расплавов галогенидов. Чаще используются хлориды металлов.

 

При этом на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы.

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида кальция: 

 

CaCl2=эл. токCa+Cl2↑. 

Характерные химические свойства щелочных металлов » HimEge.ru

•Восстановительная способность увеличивается в ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.

•Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.

•Практически все соли растворимы в воде.

•Вследствие своей активности щелочные металлы хранят под слоем керосина, чтобы преградить доступ воздуха и влаги. Литий очень легкий и в керосине всплывает на поверхность, поэтому его хранят под слоем вазелином.

1.      Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2­

2Li + 2H2O → 2LiOH + H2­

 2.      Реакция щелочных металлов с кислородом:

4Li + O2 → 2Li2O (оксид лития)

2Na + O2 → Na2O2 ( пероксид натрия)

K + O2 → KO(надпероксид калия)

На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.).

3.      В реакциях щелочных металлов с другими неметаллами образуются бинарные соединения:

2Li + Cl2

→ 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na2S (сульфиды)

2Na + H2 → 2NaH (гидриды)

6Li + N2 → 2Li3N (нитриды)

2Li + 2C → Li2C2 (карбиды)

4.      Реакция щелочных металлов с кислотами

(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой):

2Na + 2HCl → 2NaCl + H2­

5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком

(образуется амид натрия):

2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2

6. Взаимодействие щелочных металлов со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2;

2K + 2C6H5OH = 2C6H5OK + H2;

7.
Качественная реакция на катионы щелочных металлов — окрашивание пламени в следующие цвета:

Li+ – карминово-красный

Na+ – желтый

K+, Rb+ и Cs+ – фиолетовый

Получение щелочных металлов

Металлические литий, натрий и калий получают электролизом расплава солей (хлоридов), а рубидий и цезий – восстановлением в вакууме при нагревании их хлоридов кальцием: 2CsCl+Ca=2Cs+CaCl

2
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:

2NaCl+CaC2=2Na+CaCl2+2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl2+Ca2SiO4.

Активные щелочные металлы выделяются в вакуум-термических процессах благодаря своей высокой летучести (их пары удаляются из зоны реакции).

Особенности химических свойств s-элементов I группы и их физиологическое действие

Электронная конфигурация атома лития 1s22s1 .  У него самый большой во 2-м периоде атомный радиус, что облегчает отрыв валентного электрона и возникновение иона Li+ со стабильной конфигурацией инертного газа (гелия). Следовательно, его соединения образуются с передачей электрона от лития к другому атому и возникновением ионной связи с небольшой долей ковалентности. Литий ‑ типичный металлический элемент. В виде вещества это щелочной металл. От других членов I группы он отличается малыми размерами и наименьшей, по сравнению с ними, активностью. В этом отношении он напоминает расположенный по диагонали от Li элемент II группы ‑ магний. В растворах ион Li

+ сильно сольватирован; его окружают несколько десятков молекул воды. Литий по величине энергии сольватации — присоединения молекул растворителя, стоит ближе к протону, чем к катионам щелочных металлов.

Малый размер иона Li+, высокий заряд ядра и всего два электрона создают условия для возникновения вокруг этой частицы довольно значительного поля положительного заряда, поэтому в растворах к нему притягивается значительное число молекул полярных растворителей и его координационное число велико, металл способен образовывать значительное число литийорганических соединений.

Натрием начинается 3-й период, поэтому у него на внешнем уровне всего 1е

, занимающий 3s-орбиталь. Радиус атома Na — наибольший в 3-м периоде. Эти две особенности определяют характер элемента. Его электронная конфигурация 1s22s22p63s1.  Единственная степень окисления натрия +1. Электроотрицательность его очень мала, поэтому в соединениях натрий присутствует только в виде положительно заряженного иона и придает химической связи ионный характер. По размеру ион Na+ значительно больше, чем Li+, и сольватация его не так велика. Однако в растворе в свободном виде он не существует.

Физиологическое значение ионов К+ и Na+ связано с их различной адсорбируемостью на поверхности компонентов, входящих в состав земной коры. Соединения натрия лишь незначительно подвержены адсорбции, в то время как соединения калия прочно удерживаются глиной и другими веществами. Мембраны клеток, являясь поверхностью раздела клетка ‑ среда, проницаемы для ионов К+, вследствие чего внутриклеточная концентрация К

+ значительно выше, чем ионов Na+ . В то же время в плазме крови концентрация Na+ превышает содержание в ней калия. С этим обстоятельством связывают возникновение мембранного потенциала клеток. Ионы К+ и Na+ ‑  одни из основных компонентов жидкой фазы организма. Их соотношение с ионами Са2+ строго определенно, а его нарушение приводит к патологии. Введение ионов Na+ в организм не оказывает заметного вредного влияния. Повышение же содержания ионов К+ вредно, но в обычных условиях рост его концентрации никогда не достигает опасных величин. Влияние ионов Rb+, Cs+, Li+ еще недостаточно изучено.

Из различных поражений, связанных с применением соединений щелочных металлов, чаще всего встречаются ожоги растворами гидроксидов. Действие щелочей связано с растворением в них белков кожи и образованием щелочных альбуминатов. Щелочь вновь выделяется в результате их гидролиза и действует на более глубокие слои организма, вызывая появление язв.

Ногти под влиянием щелочей становятся тусклыми и ломкими. Поражение глаз, даже очень разбавленными растворами щелочей, сопровождается не только поверхностными разрушениями, но нарушениями более глубоких участков глаза (радужной оболочки) и приводит к слепоте. При гидролизе амидов щелочных металлов одновременно образуется щелочь и аммиак, вызывающие трахеобронхит фибринозного типа и воспаление легких.

Калий был получен Г. Дэви практически одновременно с натрием в 1807 г. при электролизе влажного гидроксида калия. От названия этого соединения ‑ «едкое кали» и получил свое наименование элемент. Свойства калия заметно отличаются от свойств натрия, что обусловлено различием величин радиусов их атомов и ионов. В соединениях калия связь более ионная, а в виде иона К

+ он обладает меньшим поляризующим действием, чем натрий, из-за больших размеров. Природная смесь состоит из трех изотопов 39К, 40К, 41К. Один из них 40Крадиоактивен и определенная доля радиоактивности минералов и почвы связана с присутствием этого изотопа. Его период полураспада велик ‑ 1,32 млрд. лет. Определить присутствие калия в образце довольно легко: пары металла и его соединения окрашивают пламя в фиолетово-красный цвет. Спектр элемента довольно прост и доказывает наличие 1е на 4s-орбитали. Изучение его послужило одним из оснований для нахождения общих закономерностей в строении спектров.

В 1861 г. при исследовании соли минеральных источников спектральным анализом Роберт Бунзен обнаружил новый элемент. Его наличие доказывалось темно-красными линиями в спектре, которых не давали другие элементы. По цвету этих линий элемент и был назван рубидием (rubidus—темно-красный). В 1863 г. Р. Бунзен получил этот металл и в чистом виде восстановлением тартрата рубидия (виннокислой соли) сажей. Особенностью элемента является легкая возбудимость его атомов. Электронная эмиссия у него появляется под действием красных лучей видимого спектра. Это связано с небольшой разницей в энергиях атомных 4d и 5s-орбиталей. Из всех щелочных элементов, имеющих стабильные изотопы, рубидию (как и цезию) принадлежит один из самых больших атомных радиусов и маленький потенциал ионизации.

Такие параметры определяют характер элемента: высокую электроположительность, чрезвычайную химическую активность, низкую температуру плавления (390C) и малую устойчивость к внешним воздействиям.

Открытие цезия, как и рубидия, связано со спектральным анализом. В 1860 г. Р.Бунзен обнаружил две яркие голубые линии в спектре, не принадлежащие ни одному известному к тому времени элементу. Отсюда произошло и название «цезиус» (caesius), что значит небесно-голубой. Это последний элемент подгруппы щелочных металлов, который ещё встречается  в измеримых количествах. Наибольший атомный радиус и наименьшие первые потенциалы ионизации определяют характер и поведение этого элемента. Он обладает ярко выраженной электроположительностью и ярко выраженными металлическими качествами. Стремление отдать внешний 6s-электрон приводит к тому, что все его реакции протекают исключительно бурно. Небольшая разница в энергиях атомных 5d- и 6s-орбиталей обусловливает легкую возбудимость атомов. Электронная эмиссия у цезия наблюдается под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловых).

Указанная особенность структуры атома определяет хорошую электрическую проводимость тока. Все это делает цезий незаменимым в электронных приборах. В последнее время все больше внимания уделяется цезиевой плазме как топливу будущего и в связи с решением проблемы термоядерного синтеза.

На воздухе литий активно реагирует не только с кислородом, но и с азотом и покрывается пленкой, состоящей из Li3N (до 75%) и Li2O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na2O2) и надпероксиды (K2O4 или KO2).

Перечисленные вещества реагируют с водой:

Li3N + 3 H2O = 3 LiOH + NH3 ;

Na2O2 + 2 H2O = 2 NaOH + H2O2 ;

K2O4 + 2 H2O = 2 KOH + H2O2 + O2 .

Для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях, в изолирующих противогазах и дыхательных аппаратах боевых пловцов (подводных диверсантов) использовалась смесь «оксон»:

Na2O2+CO2=Na2CO3+0,5O2 ;

K2O4 + CO2 = K2CO3+ 1,5 O2 .

В настоящее время это стандартная начинка регенерирующих патронов изолирующих противогазов для пожарных.
Щелочные металлы реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды:

2Li+H2=2LiH.

Гидрид лития используется как сильный восстановитель.

Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде:

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 13000С). Некоторые соединения натрия называют содами:

а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na2CO3;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na2CO3.10H2O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO3;
г) гидроксид натрия NaOH называют  каустической содой или каустиком.

 

Щелочные металлы в химии

К щелочным металлам относятся металлы IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один валентный электрон. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns1. В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +1. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон.

Физические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки

Получение щелочных металлов

Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:

2LiCl = 2Li + Cl2

2NaCl = 2Na + Cl2

Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:

2MeCl + Ca = 2Mе↑ + CaCl2,

где Ме – металл.

Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:

2Li2O + Si + 2CaO = 4Li + Ca2SiO4

Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:

KOH + Na = K + NaOH

Химические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой образуя гидроксиды. Из-за высокой химической активности щелочных металлов протекание реакции взаимодействия с водой может сопровождаться взрывом. Наиболее спокойно с водой реагирует литий. Уравнение реакции в общем виде:

2Me + H2O = 2MeOH + H2

где Ме – металл.

Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха образую ряд различных соединений – оксиды (Li), пероксиды (Na), надпероксиды (K, Rb, Cs):

4Li + O2 = 2Li2O

2Na + O2 =Na2O2

K + O2 = KO2

Все щелочные металлы при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др. ). Например:

2Na + Cl2 =2NaCl

6Li + N2 = 2Li3N

2Li +2C = Li2C2

2K + S = K2S

2Na + H2 = 2NaH

Щелочные металлы способны взаимодействовать со сложными веществами (растворы кислот, аммиак, соли). Так, при взаимодействии щелочных металлов с аммиаком происходит образование амидов:

2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2

Взаимодействие щелочных металлов с солями происходит по следующему принципу –вытесняют менее активные металлы (см. ряд активности металлов) из их солей:

3Na + AlCl3 = 3NaCl + Al

Взаимодействие щелочных металлов с кислотами неоднозначно, поскольку при протекании таких реакций металл первоначально будет реагировать с водой раствора кислоты, а образующаяся в результате этого взаимодействия щелочь будет реагировать с кислотой.

Щелочные металлы реагируют с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2

2K + 2C6H5OH = 2C6H5OK + H2

2Na + 2CH3COOH = 2CH3COONa + H2

Качественные реакции

Качественной реакцией на щелочные металлы является окрашивание пламени их катионами: Li+ окрашивает пламя в красный цвет, Na+ — в желтый, а K+, Rb+, Cs+ — в фиолетовый.

Примеры решения задач

Щелочные металлы, подготовка к ЕГЭ по химии

К щелочным металлам относят химические элементы: одновалентные металлы, составляющие Ia группу: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций.

Эти металлы очень активны, быстро окисляются на воздухе и бурно реагируют с водой. Их хранят под слоем керосина из-за их сильной реакционной способности.

Общая характеристика

От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns1:

  • Li — 2s1
  • Na — 3s1
  • K — 4s1
  • Rb — 5s1
  • Cs — 6s1
  • Fr — 7s1
Природные соединения

В природе щелочные металлы встречаются в виде следующих соединений:

  • NaCl — галит (каменная соль)
  • KCl — сильвин
  • NaCl*KCl — сильвинит
Получение

Получить такие активные металлы электролизом водного раствора — невозможно. Для их получения применяют электролиз расплавов при высоких температурах (естественно — безводных):

NaCl → Na + Cl2↑ (электролиз расплава каменной соли)

Химические свойства
  • Реакция с кислородом
  • Одной из особенностей щелочных металлов является их реакция с кислородом. Литий в такой реакции преимущественно образует оксид, натрий — пероксид, калий, рубидий и цезий — супероксиды.

    Li + O2 → Li2O (оксид лития)

    Na + O2 → Na2O2 (пероксид натрия)

    K + O2 → KO2 (супероксид калия)

  • Реакции с неметаллами
  • Помните, что металлы никогда не принимают отрицательных степеней окисления. Щелочные металлы одновалентны, и проявляют постоянную степень окисления +1 в различных соединениях: гидриды, галогениды (фториды, хлориды, бромиды и йодиды), нитриды, сульфиды и т.д.

    Li + H2 → LiH (в гидридах водород -1)

    Na + F2 → NaF (в фторидах фтор -1)

    Na + S → Na2S (в сульфидах сера -2)

    K + N2 → K3N (в нитридах азот -3)

  • Реакция с водой
  • Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом часто происходит воспламенение, а иногда — взрыв.

    Na + H2O → NaOH + H2↑ (воду можно представить в виде HOH — натрий вытесняет водород)

  • Окрашивание пламени
  • Иногда в задачах может проскользнуть фраза такого плана: «. .. в ходе реакции выделился металл, окрашивающий пламя горелки в желтый цвет». Тут вы сразу должны догадаться: речь, скорее всего, про натрий.

    Щелочные металлы по-разному окрашивают пламя. Литий окрашивает в алый цвет, натрий — в желтый, калий — в фиолетовый, рубидий — синевато-красный, цезий — синий.

Оксиды щелочных металлов

Имеют общую формулу R2O, например: Na2O, K2O.

Получение

Получение оксидов щелочных металлов возможно в ходе реакции с кислородом. Для лития все совсем несложно:

Li + O2 → Li2O (оксид лития)

В подобных реакциях у натрия и калия получается соответственно пероксид и супероксид, что приводит к затруднениям. Как из пероксида, так и из супероксида, при желании можно получить оксид:

Na2O2 + Na → Na2O

KO2 + K → K2O

Химические свойства

По свойствам эти оксиды являются основными. Они хорошо реагируют c водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li2O + H2O → LiOH (осн. оксид + вода = основание — реакция идет, только если основание растворимо)

K2O + CO2 → K2CO3 (осн. оксид + кисл. оксид = соль)

Na2O + SO2 → Na2SO3 (обратите внимание — мы сохраняем СО серы +4)

Li2O + HCl → LiCl + H2O

Гидроксиды щелочных металлов

Относятся к щелочам — растворимым основаниям. Наиболее известные представители: NaOH — едкий натр, KOH — едкое кали.

Получение

Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции щелочных металлов и их оксидов с водой:

KCl + H2O → (электролиз!) KOH + H2 + Cl2 (на катоде выделяется водород, на аноде — хлор)

Li2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + LiOH

K + H2O → KOH + H2

Rb2O + H2O → RbOH

Химические свойства

Проявляют основные свойства. Хорошо реагируют с кислотами, кислотными оксидами и солями, если в ходе реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

LiOH + H2SO4 → LiHSO4 + H2O (соотношение 1:1, кислота в избытке — получается кислая соль)

2LiOH + H2SO4 → Li2SO4 + 2H2O (соотношение 2:1, основание в избытке — получается средняя соль)

KOH + SO2 → KHSO3 (соотношение 1:1 — получается кислая соль)

2KOH + SO2 → K2SO3 + H2O (соотношение 2:1 — получается средняя соль)

NaOH + MgBr2 → NaBr + Mg(OH)2

С амфотерными гидроксидами реакции протекают с образованием комплексных солей (в водном растворе) или с образованием окиселов — смешанных оксидов (при высоких температурах — прокаливании).

NaOH + Al(OH)3 → Na[Al(OH)4] (в водном растворе образуются комплексные соли)

NaOH + Al(OH)3 → NaAlO2 + H2O (при прокаливании образуется окисел — смесь двух оксидов: Al2O3 и Na2O, вода испаряется)

Реакции щелочей с галогенами заслуживают особого внимания. Без нагревания они идут по одной схеме, а при нагревании эта схема меняется:

NaOH + Cl2 → NaClO + NaCl + H2O (без нагревания хлор переходит в СО +1 и -1)

NaOH + Cl2 → NaClO3 + NaCl + H2O (с нагреванием хлор переходит в СО +5 и -1)

В реакциях щелочей с йодом образуется исключительно иодат, так как гипоиодит неустойчив даже при комнатной температуре, не говоря о нагревании. С серой реакция протекает схожим образом:

NaOH + I2 → NaIO3 + NaI + H2O (с нагреванием)

NaOH + S → Na2S + Na2SO3 + H2O (сера переходит в СО -2 и +4)

Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO2, который соответствует сразу двум кислотам — и азотной, и азотистой.

LiOH + NO2 → LiNO2 + LiNO3 + H2O

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Химия — 9

 

Шкатулка знаний • При обычных условиях щелочные металлы окисляются кис- лородом воздуха, покрываясь при этом оксидной плёнкой состава M2O (Li, Na, K). По этой причине их (Na, K) хранят под слоем керосина. Так как литий легче керосина, его хранят под слоем вазелина.

При сжигании в кислороде литий образует оксид (Li2O), натрий – пероксид (Na2O2), а калий, рубидий и цезий – супероксиды состава MO2:

Оксиды щелочных металлов, взаимодействуя с водой, образуют щелочи:

Na2O + H2O → 2NaOH

Щелочные металлы с галогенами и серой образуют соли, а с водородом – гидриды:

Литий с азотом реагируют при комнатной температуре, а остальные – при нагревании, образуя при этом нитриды:

Щелочные металлы и их гидриды взаимодействуют с водой, выделяя при этом водород:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑                   LiH + H2O → LiOH + H2

Щелочные металлы не вытесняют менее активные металлы из водных растворов их солей, так как, щелочные металлы в первую очередь реагируют с водой, образуя щелочь.

Применение. Из щелочных металлов натрий используется как восстановитель в цветной металлургии и как теплоноситель в ядерных реакторах. Его также применяют в качестве катализатора при синтезе каучука. Цезий используется в фотоэлементах, преобразующих световую энергию в электрическую. Из щелочных металлов наиболее широко применяются натрий и калий.


Натрий, калий и их соединения

Нахождение в природе. Из важнейших природных соединений натрия следует отметить галит NaCl, сильвинит NaCl·KCl, чилийскую селитру NaNO3 и криолит Na3[AlF6]. Из соединений калия широко распространены сильвин KCl, сильвинит NaCl·KCl, каинит KCl·MgSO4 ·3H2O и ряд др. минералов.

Получение. В промышленности натрий и калий получают электролизом расплавов их хлоридов, а натрий также электролизом расплава NaOH:

Физические и химические свойства (см. физические и химические свойства щелочных металлов).

Щелочные металлы взаимодействие с водой

    Взаимодействие щелочных металлов с водой [c.162]

    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ [c.302]

    При взаимодействии 3,45 г щелочного металла с водой образовалось 5,6 л водорода. Назовите щелочной металл. [c.127]

    Одинаково ли активно протекают реакции взаимодействия щелочных металлов с водой  [c.268]

    Объясните резкое возрастание активности взаимодействия щелочных металлов с водой при переходе от лития к цезию. Для ответа на вопрос используйте данные таблицы 5 (см. приложение), причем не только такие, как изменение энтальпии взаимодействия щелочных металлов с водой и гидратации их ионов, но и такие физические характеристики, как температура плавления и плотность. [c.159]


    Взаимодействие щелочных металлов с водой. Поочередно отрежьте небольшие кусочки щелочных металлов (Li, Na, К), обратив внимание на поверхность среза и изменение ее на воздухе. Пинцетом осторожно (в вытяжном шкафу) внесите металл в заранее наполненный кристаллизатор с водой, в которую добавлено 1—2 капли раствора фенолфталеина или лакмуса. Наблюдайте энергичное взаимодействие металлов с водой и изменение окраски раствора. Одинакова ли активность взаимодействия металлов и какие образуются продукты  [c.265]

    Объясните причину изменения характера взаимодействия щелочных металлов с водой. Изменение энтальпии в реакции с водой, а также величины некоторых свойств металлов даны в табл. 72. [c.173]

    Предполагают, что первой стадией взаимодействия щелочного металла с водой является процесс  [c.265]

    Галогены обладают способностью взаимодействовать с водой, в результате чего образуются кислоты и атомарный кислород однако эти реакции идут менее активно, чем взаимодействие щелочных металлов с водой. [c.181]

    При взаимодействии 1,11 г щелочного металла с водой образуется 0,16 г водорода. Назовите этот металл. [c.41]

    Каковы химические свойства щелочных металлов Взаимодействуют ли непосредственно щелочные металлы с азотом, кислородом, хлором, водородом, серой, водой Написать соответствующие уравнения реакций. [c.8]

    Щелочные металлы взаимодействуют с водой со взрывом, сопровождаемым разбрасыванием металла. [c.176]

    Проверим, можно ли различные реакционные способности взаимодействия щелочных металлов с водой объяснить различиями в энтальпиях растворения их кристаллических гидроокисей. Для этого определим энтальпию реакции [c.362]

    Карбиды щелочных металлов взаимодействуют с водой со взрывом и выделением углерода по реакции [c.319]

    В атмосфере хлора и фтора щелочные металлы самовоспламеняются. С жидким бромом литий и натрий реагируют замедленно, остальные металлы — бурно, со взрывом. С иодом взаимодействие протекает менее энергично. Литий с водой взаимодействует спокойно, для натрия наблюдается значительный тепловой эф( зект, но выделяющийся водород обычно не воспламеняется. У калия взаимодействие с водой сопровождается самовоспламенением водорода, рубидий и цезий реагируют с водой со взрывом, вытесняют водород из воды (льда) даже при —108 °С. Щелочные металлы взаимодействуют ие только с водой, но и с другими водородсодержащими соединениями, например со спиртами  [c.252]

    Примечание. Кристаллизатор, в котором будет демонстрироваться взаимодействие щелочных металлов с водой, следует тщательно вымыть- раствором соды. Помнить, что шарик натрия легко пристает к стеклу, если оно недостаточно хорошо вымыто. [c.174]

    Фенолфталеин в полученном растворе окрашивается в малиновый цвет. Так оправдывается ожидаемое сходство кальция с щелочными металлами он, как и щелочные металлы, взаимодействует с водой с выделением водорода. Его гидроокись, как и гидроокиси щелочных металлов, растворима в воде, т. е. представляет собой щелочь. [c.133]

    Химические реакции протекают с различной скоростью. Некоторые реакции протекают быстро (например, реакции нейтрализации, реакции взаимодействия щелочных металлов с водой и др.), некоторые медленно (например, коррозия металлов). [c.136]

    Как изменяется характер взаимодействия щелочных металлов с водой и кислородом в зависимости от размера атома Напишите формулы оксида и пероксида натрия. [c.248]

    Например, реакция взаимодействия гидрида щелочного металла с водой, как известно, протекает с образованием малораствори- [c. 150]

    При взаимодействии некоторых реактивов с водой могут образовываться горючие газы. Эти реакции, как правило, экзотер-мичны, т. е. протекают с выделением большого количества тепла. В одних случаях, например, при контакте щелочных металлов с водой, реакция проходит настолько бурно, что выделившийся водород самовоспламеняется со взрывом. В других случаях, например, при взаимодействии гидрида кальция с водой, реакция протекает более спокойно и выделившегося тепла бывает недостаточно для самовоспламенения образовавшегося водорода. Однако и в последнем случае образующиеся газы представляют собой большую опасность, так как они могут воспламениться от воздействия внешнего источника зажигания. [c.73]


    Взаимодействие щелочных металлов с водой. Натрий бурно реагирует с водой. В результате реакции образуются газообразный водород и водный раствор гидроокиси натрия (едкого натра) NaOH  [c. 143]

    Трудности в применении этого метода возникают при попытках изучения систем, содержащих компоненты, электродные потенциалы которых в данном электролите близки. При этом, помимо основной токообразующей реакции, возможна реакция между солью компонента А в электролите и компонентом В в сплаве, приводящая к изменению концентрации в поверхностном слое электрода и к его концентрационной поляризации. В этом случае определение термодинамической активности по уравнению (1) будет тем более ошибочным, чем меньше разница в электродных потенциалах компонентов и исходная концентрация компонента А в сплаве. Аналогичные трудности в равной степени возникают и при исследовании термодинамических свойств водных растворов смесей электролитов. Кроме того, при исследовании термодинамических свойств растворов солей щелочных металлов в воде с помощью цепей без переноса возникают осложнения, связанные с взаимодействием амальгамы щелочного металла с водой. Применение сложной техники проточного амальгамного электрода не устраняет до конца этих осложнений, в связи с чем измерения, проведенные при концентрациях растворов[c. 84]

    Общим свойством элементов обеих групп является способность взаимодействовать с водой, но продукты этих реакций и сам характер взаимодействия — прямо противоположны щелочные металлы разлагают воду как сильные восстановители, образуя при этом щелочи и свободный водород, а галогены — как сильные окислители, образуя кислоты свободный (атомарный) кислород  [c.182]

    Получение газообразного водорода. Взаимодействие амальгам щелочных металлов с водой сопровождается выделением газообразного водорода  [c.67]

    Водород выделяется из щелочных растворов на металлах с большим перенапряжением, например на ртути, при рН10 — в результате химического взаимодействия промежуточно образующихся амальгам щелочных металлов с водой. В щелочном растворе разряд молекул воды не наблюдается. Напротив, на галлие-вом электроде при рН>10 выделение водорода протекает только за счет разряда молекул воды. Электрон переходит на молекулу воды, при этом образуется адсорбированный атом водорода и гидроксил  [c. 328]

    Слоистые соединения щелочных металлов с графитом сохраняют многие свойства щелочных металлов взаимодействуют с водой с выделением водорода, поглощают водород уже при 18—25 °С с образованием нестехиометрических продуктов, например состава КН сС8 (дс = 0,0-0,67), взаимодействуют с галогенами, превращаясь в смесь графита и галогенида металла. [c.513]

    Некоторые исследования позволили установить, что растворенный в воде неэлектролит влияет на гидратацию и сольватацию ионов. Результаты измерения свободной энтальпии переноса хлоридов щелочных металлов из воды в смесь метанол — вода были объяснены Войсом [386]. Согласно этой интерпретации, при переносе из воды в смесь метанол — вода сольватная оболочка иона Li+ стабилизируется больше, чем оболочка иона Na+, что является следствием более сильного электростатического влияния иона Li+ из-за его меньшего радиуса. Однако стабилизация иона Rb+ ниже, чем имеющего больший радиус иона s+, что обусловлено его неэлектростатическим влиянием на растворитель. В исследовании [38в] изучена тольватация двухзарядных ионов в смесях метаиол — вода. Установлено, что координационное число двухзарядных ионов больше, чем у однозарядных с таким же радиусом. Ион Ba + более стабилен в смесях метанол — вода, чем К+, даже если вычисление отнести к единице заряда. Во взаимодействии ионов Sf2+ и Ва + с координирующимися с ними молекулами воды [c.556]

    Такое изображение вполне правдоподобно, так как алкоголяты щелочных металлов взаимодействуют аналогичным образом с двуокисью углерода, давая смешанные карбонаты щелочного металла и алкила. Подобно алифатическим соединениям, фенилкарбонат натрия гидролизуется при соприкосновении с водой и обратимо разлагается на компоненты при низком давлении или при 80° и нормальном давлении. [c.173]

    В ряду напряжений германий располагается после водорода — между медью и серебром. Германий не взаимодействует с водой и не раство-стся в разбавленной и концентрированной соляной кислоте. Растворяется в горячей концентрированной серной кислоте с образованием Ое (804)2 и выделением ЗОз, При взаимодействии с азотной кислотой образует осадок диоксида германия хОеОа-уНгО, Хорошо растворяется в царской водке и смеси НР+НМО,, Лучшим растворителем для германия является щелочной раствор пероксида водорода. Быстро растворяют германий расплавленные едкие щелочи. При этом образуются гер-манаты щелочных металлов, гидролизующиеся водой. [c.220]

    Другой способ определения коэффициентов распределения ионов основан на обоснованности модификации уравнения Борна, В частности, этот метод был использован Коци и др. [13, 14] для получения коэффициентов распределения ионов щелочных металлов между водой, с од1 ой стороны, и ацетонитрилом и сульфоланом —с другой. Основное допущение в этом случае состоит в том, что взаимодействие между ионами щелочных металлов и упомянутыми выше апротонным 1 растворителями и водой имеет преимущественно электростатическую природу и что разница в энергии сольватации пар этих ионов в апротонных растворителях может быть отнесена к разнице в энергии в воде с соответствующей эмпирической поправкой на кристаллографические ионные радиусы в уравнении Борна. Альфенаар [c.414]

    Наряду с твердыми ионообменинками в ионообменном синтезе используются жидкие иониты — органические кислоты и основания, обычно в виде растворов в углеводородах и других низкополярных жидкостях, нерастворимых в воде. Особенно широкое применение нашли амины и четвертичные аммониевые основания (ЧАО), механизм взаимодействия которых с электролитами подобен механизму реакций на соответствующих твердых анионитах. Кислоты с аминами образуют кислые соли Ат(НХ) , соли тяжелых металлов — комплексы [(Ат) Ме] +, соли щелочных металлов взаимодействуют с солями аминов по реакциям присоединения или замещения. Для ЧАО типичны реакции истинного анионного обмена [c.69]

    Как хорошо известно, растворение щелочных металлов в воде сопровождается весьма интенсивным химическим взаимодействием их с растворителем с большим выделением тепла. Ничего подобного, однако, не происходит, если металл растворять в жидком аммиаке. Металл просто растворится в аммиаке, именно растворится потому что никакого химического взаимодействия при Этсш [c.8]

    Вода катализирует протекание многих реакций. Например, щелочные металлы взаимодействуют при комнатной температуре только в присутствии следов воды. Так как молекулы воды полярны, то они хорошо растворяют многие полярные и диссоциирующие на ионы соединения. В воде также хорошо растворимы вещества, образующие с водой водородные связи (SO2, Nh4, 2H5OH и др.). Растворимость в воде малополярных веществ низкая. [c.391]


    Для проверки конца реакции проводят около крышки тигля стеклянной палочкой, смоченной крепкой НС1. В присутствии аммиака образуется белый дымок хлористого аммония. По окончании выделения аммиака нагрев усиливают до 900—1000° (т. е. до светло-красного накала) и продолжают спекание 1—2 часа, пока спекшаяся масса не отделится от стенок тигля. В это время идет разложение избытка СаСОд до СаО и HgO и образующаяся окись кальция соединяется с кремнеземом, в то время как щелочные металлы взаимодействуют с хлоридом кальция. По окончании спекания тигель охлаждают и спек переносят в фарфоровую чашку диаметром 12 см. Тигель и крышку обмывают горячей дистиллированной водой, тщательно отделяя оставшиеся частицы спека от тигля. Измельчают спек стеклянным пестиком, приливают в чашку 50 мл горячей дистиллированной воды и ставят ее на водяную баню для отстаивания осадка. Затем декантируют раствор через рыхлый фильтр и продолжают выщелачивание хлоридов, промывая остаток спека горячей дистиллированной водой и декантируя раствор из чашки через фильтр. Выщелачивание водой повторяют 2—3 раза, после чего фильтр промывают несколько раз горячей дистиллированной водой до слабой опалесценции промывных вод от AgNOg, подкисленного [c.134]

    Aul получают синтезом из элементов при 100°С или при взаимодействии АигОз с HI. Твердое вещество жел того цвета, разлагающееся при 177°С. Раство(ряется в HI и иодидах щелочных металлов, разлагается водой. [c.346]


Щелочные металлы: факты об элементах в первой колонке Периодической таблицы

Щелочные металлы сейчас окружают вас повсюду. Натрий содержится в поваренной соли, литий — в батарее телефона, а калий — в бананах. Щелочные металлы состоят из шести различных элементов, содержащихся в первом столбце периодической таблицы. Это:

  • литий (Li),
  • натрия (Na),
  • калий (K),
  • рубидий (Rb),
  • цезий (Cs)
  • франций (Fr)

Они часть S-блока элементов периодической таблицы, которая, наряду с водородом, гелием, кальцием и другими, имеет внешний электрон на S-орбитали.Щелочные металлы — это мягкие металлы, которые очень реагируют с водой и кислородом. Они такие мягкие, что их можно разрезать пластиковым ножом. Они также имеют серебристый блеск и являются отличными проводниками тепла и света.

Щелочные металлы называются так, потому что, реагируя с водой, они создают сильно щелочные вещества. Щелочность относится к pH вещества или способности нейтрализовать кислоту. Сильнощелочные вещества могут образовывать сильные основания, способные нейтрализовать кислоты и поддерживать стабильный уровень pH.

У каждого элемента есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и щелочные металлы не исключение. Ядра атомов окружают электроны — частицы с отрицательным зарядом. Эти электроны существуют в энергетических оболочках вокруг ядер атомов, каждый из которых может содержать различное количество электронов. Первая оболочка может содержать до двух электронов, вторая — до восьми, третья — 18 и четвертая — 32. Именно эти оболочки электронов и структура щелочных металлов делают их такими реактивными.

Естественно, что все атомы хотят иметь полностью полную внешнюю оболочку из электронов. Однако все элементы в этом первом столбце периодической таблицы имеют по одному электрону на внешней оболочке. Эта самая внешняя оболочка также называется валентной оболочкой, а находящиеся в ней электроны называются валентными электронами.

Наличие только одного электрона во внешней оболочке позволяет атомам щелочных металлов легко достигать точек стабильности — им просто нужно потерять один электрон! Эта готовность и легкость потери электрона для достижения состояния равновесия известна как высокая реактивность.Фактически, реакционная способность в химии определяется количеством электронов во внешней оболочке. Благородные газы (такие элементы, как неон и гелий) очень инертны, потому что их внешние электронные оболочки заполнены.

«Поскольку щелочные металлы имеют только один валентный электрон, они обычно достигают этого состояния, отдавая этот электрон. В этом процессе щелочной металл окисляется, и все, что отнимает электрон у щелочного металла, восстанавливается. Все щелочных металлов любят отдавать свой единственный валентный электрон », — говорит д-р.Чип Натаро, профессор химии в колледже Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания. «Поскольку электроны имеют заряд -1, потеря электрона приводит к тому, что атом имеет заряд +1. Когда это происходит, атом называют ионом, а поскольку он будет иметь положительный заряд, его называют катионом. . Итак, все щелочные металлы любят образовывать катионы с зарядом +1 ».

Поскольку щелочные металлы обладают такой реакционной способностью, они обычно встречаются в природе вместе с другими металлами.

Если элемент имеет высокую реактивность, его сложнее найти естественным путем.

«Все эти элементы были впервые обнаружены в соединениях, [и] некоторые открытия трудно приписать из-за обилия и использования соединений», — говорит Натаро. «По мере того, как вы спускаетесь по таблице Менделеева, щелочные металлы становятся более склонными терять свой валентный электрон» и, таким образом, «количество элемента, обнаруженного в природе, также уменьшается, [что приводит к] более поздним датам открытия».

Когда были обнаружены щелочные металлы?

Литий был впервые обнаружен в 1817 году, когда шведский химик Йохан Август Арфведсон занимался анализом минеральной руды.Цезий и рубидий были открыты в 1860 и 1861 годах, соответственно, немецкими химиками Робертом Бунзеном (назвавшим горелку Бунзена своим именем) и Густавом Кирхгофом (разработавшим законы Кирхгофа для электрического тока). Франций, наиболее реактивный из известных нам щелочных металлов, был открыт в 1939 году французским ученым Маргерит Перей в Институте Кюри в Париже.

Натрий и калий, два очень распространенных щелочных металла, имеют неизвестные даты открытия, они так долго использовались. Но они не были выделены в чистом виде до 1807 года (известным химиком Хамфри Дэви). Рубидий не выделяли до 1928 года, также Бунзеном и Кирхгофом.

Одна из наиболее распространенных черт щелочных металлов — их реакционная способность по отношению к воде и воздуху. Эти элементы будут танцевать, шипя из-за образования газообразного водорода, и часто взрываются. Они становятся более реактивными, чем дальше вы идете по таблице Менделеева, при этом цезий и франций настолько реактивны, что могут загореться, просто оказавшись на воздухе.Элементы также увеличиваются в атомном радиусе, уменьшаются электроотрицательность и уменьшаются точки плавления и кипения по мере того, как вы перемещаетесь по таблице Менделеева.

Вы можете задаться вопросом, как в природе вообще были открыты щелочные металлы, если они так бурно реагируют на воздух и воду. Оказывается, большинство щелочных металлов встречаются в природе в виде ионов из-за их сильного желания вступить в реакцию и потерять один валентный электрон. В ионной форме металлы гораздо менее химически активны.

Щелочные металлы в повседневной жизни

Щелочные металлы обладают интересной химической двойственностью, потому что они очень распространены в повседневной жизни, но также очень редко встречаются в необработанных элементарных формах.

Например, натрий не встречается в природе и должен быть получен из соединений. Натрий и калий являются важными элементами повседневной жизни, при этом натрий помогает регулировать кровяное давление и перемещать электролиты по клеткам. Натрий также соединяется с другими соединениями, образуя поваренную соль и пищевую соду. Калий помогает регулировать кровяное давление и уровень глюкозы, он содержится в удобрениях. Литий, как упоминалось ранее, используется в производстве батарей, а также является лекарством, стабилизирующим настроение.

Более химически активные элементы, цезий, рубидий и франций, имеют меньшее естественное применение.Цезий используется в атомных часах, сверлении и создании оптического стекла среди других узкоспециализированных приложений. Рубидий используется в медицинской визуализации и электронных лампах. Франций, который встречается очень редко, не имеет большого коммерческого применения, но используется в исследованиях и для диагностики некоторых форм рака.

Наконец, все щелочные металлы также являются невероятно полезными учебными пособиями в области химии. Учителя любят демонстрировать принцип реакционной способности, бросая щелочной металл в воду только для того, чтобы класс с трепетом наблюдал, как он изрыгает огонь и взрывается.

12.2: Группа IA — щелочные металлы

Li, Na, K, Rb и Cs являются элементами группы IA, также известными как щелочные металлы. Седьмой член группы, франций (Fr), радиоактивен и настолько редок, что только 20 атомов Fr могут существовать на Земле в любой момент времени [1] . Термин « щелочь » происходит от арабского слова, означающего «зола». Соединения калия, а также других щелочных металлов были получены из древесной золы ранними химиками. Все щелочные металлы мягкие и, за исключением желтого Cs, имеют серебристо-серый цвет.

Литий, натрий, калий, рубидий и цезий обладают множеством других общих свойств. Все твердые вещества при 0 ° C и плавятся ниже 200 ° C. Каждый из них обладает металлическими свойствами, такими как хорошая проводимость тепла и электричества, пластичность (способность раскалывать листы) и пластичность (способность вытягиваться в проволоку). Высокая теплопроводность (теплопроводность) и относительно низкая температура плавления (для металла) натрия делают его идеальным теплоносителем. Он используется для охлаждения некоторых типов ядерных реакторов (жидкометаллические реакторы на быстрых нейтронах, LMFBR) и по этой причине для охлаждения клапанов автомобильных двигателей большой мощности.

Некоторые общие свойства щелочных металлов приведены в таблице ниже. Все эти металлические атомы содержат одиночный электрон вне конфигурации благородного газа, поэтому валентный электрон хорошо защищен от ядерного заряда, а атомные радиусы относительно велики. Большой объем каждого атома приводит к низкой плотности — достаточно малой, чтобы Li, Na и K плавали на воде, реагируя с ней.

Атомы не имеют сильного притяжения для одиночного валентного электрона, поэтому он легко теряется (малая первая энергия ионизации) от +1 иона.Так как они легко отдают электроны таким образом, все щелочные металлы являются сильными восстановителями. Они довольно реактивны, даже восстанавливают воду.

Слабое притяжение валентного электрона также приводит к слабой металлической связи, потому что именно притяжение между ядрами и многочисленными валентными электронами удерживает атомы металла вместе. Слабая металлическая связь приводит к низким температурам плавления, особенно для более крупных атомов в нижней части группы. Cs, например, плавится чуть выше комнатной температуры.Слабая металлическая связь также объясняет то, что все эти металлы довольно мягкие.

То, что химия щелочных металлов ограничивается степенью окисления +1, подтверждается большими энергиями второй ионизации. Удаление первого электрона с большой диффузной орбитали легко, но удаление второго электрона из октета в ионе M + слишком сложно для любого окислителя.

Два других элемента находятся в группе IA. Водород, хотя многие из его соединений имеют формулы, аналогичные щелочным металлам, является неметаллом и практически уникален по своим химическим свойствам.Поэтому его обычно не включают в эту группу. Франций (Fr) достаточно радиоактивен, и лишь небольшие количества доступны для изучения; поэтому его тоже обычно опускают. Однако его свойства похожи на свойства Cs и других щелочных металлов.

Химические реакции и соединения

Элемент литий бурно и эффектно соединяется с водой, как показано в этом видео:

Выделяется газообразный водород, который перемещает металлический литий по воде, когда он вступает в реакцию.Если избыток воды испаряется, соединение гидроксида лития (LiOH) остается. LiOH визуализируется индикатором фенолфталеина, который становится розовым по мере производства LiOH, основы. Таким образом, уравнение этой реакции равно

.

\ [\ text {2Li} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2LiOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

Элементы натрий, калий, рубидий и цезий также бурно соединяются с водой с образованием гидроксидов. Уравнения их реакций:

\ [\ text {2Na} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2NaOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

\ [\ text {2K} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2KOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

\ [\ text {2Rb} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2RbOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

\ [\ text {2Cs} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2CsOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

Поскольку все щелочные металлы реагируют с водой одинаково, можно записать общее уравнение :

\ [\ text {2M} (s) + \ text {2H} _ \ text {2} \ text {O} (l) \ rightarrow \ text {2MOH} (aq) + \ text {H} _ \ text {2} (г) \]

с M = K, Li, Na, Rb или Cs.

Символ M представляет любой из пяти элементов.

Щелочные металлы не только ведут себя при добавлении в воду, но и напрямую реагируют со многими элементами. Все они быстро соединяются с кислородом воздуха с образованием белого оксида:

\ [\ text {4M} (s) + \ text {O} _2 (g) \ rightarrow \ text {2M} _2 \ text {O} (s) \]

с M = Li, Na, K, Rb или Cs

(Li 2 O — оксид лития, Na 2 O — оксид натрия и т. Д.)

Все, кроме лития, далее реагируют с образованием желтых пероксидов, M 2 O 2 :

\ [\ text {2M} _2 \ text {O} (s) + \ text {O} _2 (g) \ rightarrow \ text {2M} _2 \ text {O} _2 (s) \] M = Na, K, Rb или Cs

(Na 2 O 2 — пероксид натрия и т. Д.)

Калий, рубидий и цезий обладают достаточной реакционной способностью, поэтому могут образовываться желтые супероксиды (общая формула которых MO 2 ):

\ [\ text {2M} _2 \ text {O} _2 (s) + \ text {O} _2 (g) \ rightarrow \ text {2MO} _2 (s) \]

с M = K, Rb или Cs

Если поверхность образца щелочного металла не будет очищена, он будет иметь белый или серый цвет вместо серебристого металлического блеска. Это связано с оксидным, пероксидным или супероксидным покрытием, которое образуется после нескольких секунд пребывания на воздухе.В следующем фильме показано, как только что отрезанный кусок лития блестит, но становится тусклым до серого под воздействием кислорода воздуха. В видео также уделяется внимание еще одному важному свойству щелочных металлов: они мягкие и легко режутся по сравнению с другими металлами.

Тускло-серый окисленный цилиндр из металлического лития вырезан, обнажая блестящую серебристую поверхность. Через 1 минуту поверхность потускнела, а через 10 минут поверхность среза стала тускло-серой по сравнению с остальным металлическим литием. Поскольку щелочным металлом является литий, происходит единственная реакция с кислородом:

\ [\ text {4Li} (s) + \ text {O} _2 (g) \ rightarrow \ text {2Li} _2 \ text {O} (s) \]

Щелочь также напрямую соединяется с газообразным водородом с образованием соединений, известных как гидриды, MH:

\ [\ text {2M} (s) + \ text {H} _2 (g) \ rightarrow \ text {2MH} (s) \]

с M = Li, Na, K, Rb или Cs

Они реагируют с серой с образованием сульфидов, M 2 S:

\ [\ text {2M} (s) + \ text {S} (g) \ rightarrow \ text {M} _2 \ text {S} (s) \]

с M = Li, Na, K, Rb или Cs

Эти оксиды, гидриды, гидроксиды и сульфиды растворяются в воде с образованием основных растворов, и эти соединения относятся к числу сильных оснований. {-} + \ text {3O} _2 (g) \]

Оба последних уравнения описывают окислительно-восстановительные, а также кислотно-основные процессы, что вы можете подтвердить, присвоив степени окисления. Ионы пероксида и супероксида содержат атомы O в необычных (для O) степенях окисления –1 и –½:

Следовательно, диспропорционирование (одновременное окисление и восстановление) O 2 2– или O 2 до более распространенных степеней окисления 0 (в O 2 ) и –2 (в OH ) возможно.

Щелочные металлы также напрямую реагируют с галогенами, например с хлором, с образованием хлоридов,

\ [\ text {2M} (s) + \ text {Cl} _2 (g) \ rightarrow \ text {2MCl} (s) \] M = Li, Na, K, Rb или Cs

Ниже приведен пример реакции Na с Cl 2

Кусок металлического натрия добавляется в колбу, содержащую газообразный хлор. Первоначально реакция не происходит, но когда добавляется капля воды, натрий и хлор вступают в реакцию, резко вспыхивая и выделяя столько тепла, что на дне колбы требуется песок, чтобы поглотить тепло и предотвратить растрескивание стекла. Это уравнение для этой реакции:

\ [\ text {2Na} (s) + \ text {Cl} _2 (g) \ rightarrow \ text {2NaCl} (s) \]

с фтором с образованием фторидов, MF:

\ [\ text {2M} (s) + \ text {F} _2 (g) \ rightarrow \ text {2MF} (s) \] M = Li, Na, K, Rb или Cs

и с бромом с образованием бромидов, MBr:

\ [\ text {2M} (s) + \ text {Br} _2 (g) \ rightarrow \ text {2MBr} (s) \] M = Li, Na, K, Rb или Cs

Ниже приведен пример реакции K с Br 2

На этом видео калий, который хранится в инертном минеральном масле из-за его высокой реакционной способности, помещается в стакан с жидким бромом после удаления защитного слоя минерального масла.Калий взрывно реагирует с бромом. Контейнер накрывается на протяжении всего процесса, чтобы предотвратить попадание реагентов и продуктов в окружающую среду. Химическое уравнение этой реакции:

\ [\ text {2K} (s) + \ text {Br} _2 (g) \ rightarrow \ text {2KBr} (s) \]

Натрий и калий довольно распространены, занимая шестое и седьмое места среди всех элементов земной коры, но другие щелочные металлы встречаются редко. Ионы натрия и калия являются компонентами многочисленных силикатных кристаллических решеток, видимых в земной коре, но, поскольку большинство их соединений растворимы в воде, они также являются важными составляющими морской воды и подземных отложений рассола.Хлорид натрия, полученный из таких рассолов, является основным коммерческим источником натрия, в то время как калий можно получить из руд сильвита (KCl) или карналлита (KCl • MgCl 2 • 6H 2 O).

Ионы натрия (Na + ) и калия (K + ) необходимы для живых систем. Na + является основным катионом в жидкостях, окружающих клетки, в то время как K + является наиболее важным внутри клеток. Na + играет роль в сокращении мышц, а K + и Na + играют роль в передаче нервных импульсов.K более важен для растений, чем Na, и это один из трех элементов (K, P, N), которые необходимо добавлять в удобрения для поддержания высоких урожаев. K особенно много в деревьях — древесная зола от пожаров на кухне (поташ) была основным источником этого элемента еще столетие назад, и она до сих пор является хорошим удобрением для вашего сада. Древесная зола содержит смесь оксида калия и карбоната калия, последний образуется в результате комбинации K 2 O с CO 2 , образующегося, когда C в древесине соединяется с O 2 :

\ [\ text {K} _2 \ text {O} + \ text {CO} _2 \ rightarrow \ text {K} _2 \ text {CO} _3 \]

соединений Na получают в промышленных масштабах из рассола или морской воды.{-} (водн.) \]

Этот процесс описан более подробно в разделе, посвященном электрохимическим элементам, но из уравнения видно, что электрический ток окисляет Cl до Cl 2 и восстанавливает H 2 O до H 2 . NaOH ( водн. ) используется в качестве прочной основы во многих промышленных процессах для производства мыла, вискозы, целлофана, бумаги, красителей и многих других продуктов. Щелок также используется в очистителях бытовых сточных вод. С ним нужно обращаться осторожно, потому что он сильно щелочной, очень едкий и может сильно обжечь кожу.{-} (водн.) \]

Процесс Сольве представляет собой кислотно-щелочную реакцию в сочетании с осаждением. Ангидрид кислоты, CO 2 , реагирует с H 2 O с образованием H 2 CO 3 . Эта слабая кислота отдает протон NH 3 , давая NH 4 + и HCO 3 , и последний ион осаждается с Na + . Слабоосновный гидрокарбонат натрия, полученный по способу Сольвея, может быть очищен для использования в качестве антацида (бикарбонат соды), но большая его часть превращается в карбонат натрия (кальцинированная сода) при нагревании:

\ [\ text {2NaHCO} _3 (s) \ xrightarrow {\ Delta} \ text {Na} _2 \ text {CO} _3 (s) + \ text {H} _2 \ text {O} (g) + \ текст {CO} _2 (g) \]

(Δ в этом уравнении указывает на нагревание реагента. ) Карбонат натрия (Na 2 CO 3 ) используется в производстве стекла и бумаги, а также в некоторых моющих средствах. Однако карбонат-ион является довольно сильным основанием, и моющие средства, содержащие Na 2 CO 3 (сода для стирки), вызвали серьезные химические ожоги у некоторых маленьких детей, которые из любопытства съели их.

Металлы, щелочи, очень активные | CAMEO Chemicals

Лист данных реактивной группы

Что такое реактивные группы?

Реактивные группы — это категории химических веществ, которые обычно реагируют одинаково. способами, потому что они похожи по своей химической структуре.Каждое вещество с химическая таблица была отнесена к одной или нескольким реакционным группам, и CAMEO Chemicals использует назначения реактивных групп для определения своей реакционной способности. предсказания. Подробнее о прогнозах реактивности …

Если вы не можете найти химическое вещество в базе данных, но знаете, какая реактивная группа он принадлежит — вместо этого вы можете добавить реактивную группу в MyChemicals, чтобы чтобы увидеть прогнозы реактивности.

Есть 14 химических паспортов назначен этой реактивной группе.

Описание

Воспламеняемость

Щелочные металлы негорючие, но горючие. Они также могут гореть в углекислом газе и в азоте. Их реакция с водой очень быстрая и экзотермическая. Он производит газообразный водород и другие продукты. Вырабатываемого тепла достаточно для расплавления непрореагировавшего металла, воспламенения выделившегося водорода и воспламенения самого металла.

Реакционная способность

Материалы этой группы обычно энергично реагируют с любым веществом, содержащим активные атомы водорода, с выделением газообразного водорода.Сюда входят спирты и кислоты и, самое главное, вода. Они реагируют с сульфидами, окислителями, альдегидами и цианидами. Они быстро разъедают при контакте с воздухом, покрываясь белыми оксидами и пероксидами. На практике большинство других органических соединений, включая простые эфиры, являются достаточно влажными (содержат достаточно воды в качестве примесей), чтобы вызывать нагревание и выделение газов при контакте с щелочными металлами. Все щелочные металлы и сплавы, содержащие щелочные металлы, являются мощными восстановителями.

Токсичность

Все материалы этой группы реагируют с влагой с образованием едких продуктов (гидроксидов). Контакт этих металлов с кожей может вызвать химические ожоги под действием этих продуктов и термические ожоги от тепла реакции.

Прочие характеристики

Материалы этой группы — это элементы IA группы периодической таблицы и их сплавы.

Примеры

Цезий, литий, калий, натрий, рубидий, амальгама натрия, NaK (натрий-калиевый сплав).

Документация по реактивности

Воспользуйтесь ссылками ниже, чтобы узнать, как эта реактивная группа взаимодействует с любыми реактивных групп в базе данных.

Прогнозируемые опасности и побочные газы для каждой пары реактивных групп будут будет отображаться, а также документация и ссылки, которые использовались для сделать прогнозы реактивности.

Mix Metals, Alkali, Very Active с:

  • Ацетали, кеталы, полуацетали и полуацетали
  • Кислоты карбоновые
  • Кислоты сильные неокисляющие
  • Кислоты сильные окисления
  • Кислоты слабые
  • Акрилаты и акриловые кислоты
  • Ацилгалогениды, сульфонилгалогениды и хлорформиаты
  • Спирты и полиолы
  • Альдегиды
  • Алкины с ацетиленовым водородом
  • Алкины без ацетиленового водорода
  • Амиды и имиды
  • Амины ароматические
  • Амины, фосфины и пиридины
  • Ангидриды
  • Арилгалогениды
  • Азо, диазо, азидо, гидразин и азидные соединения
  • Базы крепкие
  • Базы, слабые
  • Карбаматы
  • Карбонатные соли
  • Хлорсиланы
  • Конъюгированные диены
  • Цианиды, неорганические
  • Соли диазония
  • Эпоксиды
  • Сложные эфиры, сульфатные эфиры, фосфатные эфиры, тиофосфатные эфиры и боратные эфиры
  • Эфиры
  • Фторидные соли растворимые
  • Фторированные органические соединения
  • Галогенированные органические соединения
  • Галогенирующие агенты
  • Углеводороды алифатические насыщенные
  • Углеводороды алифатические ненасыщенные
  • Углеводороды ароматические
  • Недостаточно информации для классификации
  • Изоцианаты и изотиоцианаты
  • Кетоны
  • Гидриды металлов, алкилы металлов, арилы металлов и силаны
  • Металлы, щелочи, очень активные
  • Металлы, элементарные элементы и порошок, активный
  • Металлы, менее реактивные
  • Соединения нитратов и нитритов, неорганические
  • Нитриды, фосфиды, карбиды и силициды
  • Нитрилы
  • Нитро, нитрозо, нитраты и нитритные соединения, органические
  • Не окислительно-восстановительные неорганические соединения
  • Не реагирует химически
  • Металлоорганические
  • Окислители сильные
  • Окисляющие агенты, слабые
  • Оксимы
  • Пероксиды органические
  • Фенольные соли
  • Фенолы и крезолы
  • Полимеризуемые соединения
  • Четвертичные соли аммония и фосфония
  • Восстановители сильные
  • Восстанавливающие агенты, слабые
  • Соли кислые
  • Соль, основная
  • Силоксаны
  • Сульфиды неорганические
  • Сульфиды органические
  • Сульфитные и тиосульфатные соли
  • Сульфонаты, фосфонаты и тиофосфонаты, органические
  • Тиокарбаматные эфиры и соли / Дитиокарбаматные эфиры и соли
  • Вода и водные растворы

Реакции щелочных металлов с водой — Группа 1 — щелочные металлы — GCSE Chemistry (Single Science) Revision — Other

газообразного водорода и получается гидроксид металла . Скорость и жестокость реакции увеличивается по мере того, как вы спускаетесь по группе . Это показывает, что реакционная способность щелочных металлов возрастает по мере того, как вы спускаетесь в группу 1.

Литий

При добавлении лития в воду литий всплывает. Он постоянно шипит и становится меньше, пока в конце концов не исчезнет.

  • литий + вода → гидроксид лития + водород
  • 2 O (l) → 2LiOH (водн.) + H 2 (г)

Натрий

При добавлении натрия к В воде натрий плавится, образуя шар, который движется по поверхности.Он быстро шипит, и образовавшийся водород может загореться оранжевым пламенем, прежде чем натрий исчезнет.

  • натрий + вода → гидроксид натрия + водород
  • 2Na (s) + 2H 2 O (л) → 2NaOH (водн.) + H 2 (г)

При добавлении калия к вода, металл плавится и плавает. Он очень быстро перемещается по поверхности воды. Водород мгновенно воспламеняется. Металл тоже загорелся, с искрами и сиреневым пламенем.Иногда в конце реакции происходит небольшой взрыв.

  • калий + вода → гидроксид калия + водород
  • 2K (s) + 2H 2 O (l) → 2KOH (вод.) + H 2 (g)

Сильные щелочи

Гидроксиды, образующиеся в все эти реакции растворяются в воде с образованием щелочных растворов. Эти растворы становятся универсальными индикаторами пурпурного цвета, показывая, что они сильно щелочные . Сильные щелочи вызывают коррозию.При их использовании необходимо соблюдать осторожность — надевать защитные очки и перчатки.

Элементы щелочного металла: свойства, характеристики и реакции — видео и стенограмма урока

Свойства и характеристики

Щелочные металлы серебристые, мягкие и не очень плотные. Их легко разрезать ножом для масла, а цезий даже может плавиться в ладони. Они имеют низкие температуры плавления и обладают невероятной реакционной способностью — настолько реактивными, что их необходимо хранить в специальных растворах или контейнерах, чтобы предотвратить непреднамеренную реакцию.Отчасти щелочные металлы обладают такой реакционной способностью, потому что в их внешнем электронном слое находится один электрон. Как и многие другие металлы, щелочные металлы не хотят ничего, кроме электронных структур, подобных их знаменитым стабильным и инертным собратьям, благородным газам.

Чтобы удалить этот крайний электрон из щелочного металла, требуется очень мало энергии. Таким образом, щелочные металлы легко теряют свой внешний электрон и превращаются в ион +1. Это случается так часто, что редко можно найти образец щелочного металла со всеми его электронами; большинство щелочных металлов присутствуют в их ионной +1 форме.

Энергия, необходимая для удаления электрона из элемента, называется первой энергией ионизации . Щелочные металлы имеют самую низкую энергию первой ионизации из всех элементов. Фактически, по мере того, как вы спускаетесь по столбцу 1A, энергия первой ионизации становится все ниже и ниже, что делает цезий наиболее легко ионизируемым элементом в периодической таблице.

Реакции

Реакции со щелочными металлами — одни из самых захватывающих и самых опасных. Вообще говоря, чем легче удалить электрон, тем более энергичной будет реакция.Легкость удаления электрона из щелочного металла приводит к фантастическому высвобождению энергии.

Этот принцип хорошо демонстрируется в реакции щелочного металла с водой. Ниже представлена ​​общая форма щелочного металла (обозначена буквой M) с водой и химическая реакция металлического калия, реагирующего с водой. Щелочной металл, добавляемый в воду, образует газообразный водород, ионы щелочных металлов и ионы гидроксида.

Записанная химическая реакция намного менее захватывающая, чем реальная реакция.Когда калий реагирует с водой, он производит газообразный водород, ионы калия и ионы гидроксида. Во время реакции образующийся водород может стать достаточно горячим, чтобы воспламениться, образуя пламя. Натрий, калий, рубидий и цезий имеют такие низкие температуры плавления, что тепло от реакции заставляет их плавиться, увеличивая площадь поверхности, контактирующую с водой, и величину реакции.

Щелочные металлы реагируют с неметаллами с образованием ионных соединений. В этих типах реакций щелочной металл отдает свой внешний электрон неметаллу, который жадно поглощает электроны. Подобные реакции, в которых элемент обменивается электроном на другой, называется окислительно-восстановительной реакцией или окислительно-восстановительной реакцией . Они очень распространены между щелочными металлами и неметаллами. В результате химической реакции металлического натрия с газообразным хлором образуется хлорид натрия.

Щелочные металлы часто встречаются в природе, но редко в чистом виде. Их обычно можно найти в ионных соединениях или просто в виде ионов. Наши тела загружены ионами натрия и калия; они играют важную роль в клеточных функциях.Натрий часто используется в электрических лампочках, и во многих городах до сих пор используются натриевые уличные фонари, которые можно отличить по их оранжево-желтому свечению. Ионы лития используются, чтобы сделать аккумуляторные батареи популярными в портативной электронике.

Краткое содержание урока

Щелочные металлы имеют один электрон во внешнем слое и находятся в столбце 1A периодической таблицы. Обычно встречаются в виде ионных соединений или ионов, они легко отдают свой электрон другим элементам. Это часто вызывает довольно драматические реакции окислительно-восстановительного потенциала с неметаллами, в которых участвует газообразный водород, который воспламеняется.

  • Найдено в столбце 1A периодической таблицы
  • Имеют один электрон во внешнем слое электронов
  • Легко ионизируемый
  • Серебристый, мягкий, неплотный
  • Низкие температуры плавления
  • Невероятно реактивный

Результаты обучения

После того, как вы закончите, вы сможете:

  • Назвать щелочные металлы и идентифицировать их в периодической таблице
  • Обсудить общие свойства щелочных металлов
  • Объясните, что такое окислительно-восстановительные реакции

Объяснение взрыва щелочного металла | Исследование

По мнению ученых из Чешской Республики, химия, лежащая в основе падения натрия в воду и наблюдения за его взрывом, может потребовать переосмысления. Они говорят, что бурная реакция может быть вызвана не воспламенением газообразного водорода, как считалось ранее, а большой нестабильностью заряда внутри металла.

Щелочной металл, взрывающийся в воде, был практической опорой для учителей, желающих продемонстрировать своим ученикам изменчивую силу химии, причем многие объясняли этот процесс тем, что электроны покидают металл с образованием водорода, который затем воспламеняется, вызывая небольшой взрыв. Но Павла Юнгвирта и его коллег из Академии наук Чехии это объяснение не удовлетворило.

«Есть одно важное условие для взрывоопасного поведения: вам необходимо обеспечить эффективное смешивание реагентов, таких как порох», — говорит Юнгвирт. «Когда начинается реакция [между натрием и водой], вы выделяете водород и пар, и это фактически буферный слой, который разделяет реагенты, поэтому реакция должна затухать, она не должна быть взрывоопасной».

Он продолжает утверждать, что если вы проводите классическую демонстрацию в средней школе, «она иногда взрывается, а иногда нет», потому что условия могут быть неподходящими, что намекает на важность того, чтобы реагенты оставались в прямом контакте, чтобы вызвать взрыв.

Чтобы провести расследование, Юнгвирт и его коллеги сбросили каплю натрий-калиевого сплава в воду и наблюдали за последующим взрывом на высокоскоростной камере со скоростью 10 000 кадров в секунду, что позволило просматривать его в 400 раз медленнее, чем в реальном времени.

Они обнаружили, что после 300 мкс нахождения в воде металлические дендриты выступают из капли и пробивают слой пара вокруг нее. Эти шипы придают сплаву гораздо большую площадь поверхности и позволяют ему быстро реагировать с окружающей водой.По словам Юнгвирта, причина такого быстрого роста кроется в зарядке.

«Учитель средней школы [скажет] вам, что электроны покидают металл и переходят в воду», — объясняет он. «Но они не говорят вам, что если электроны покидают металл, тогда металл сильно заряжается положительно».

Используя моделирование молекулярной динамики, команда показала, что сплав становится невероятно нестабильным в результате этого избыточного положительного заряда. Заряды отталкиваются друг от друга и вызывают «кулоновский взрыв», в результате чего возникают шипы, свидетелями которых стали исследователи во время экспериментов по визуализации. Команда утверждает, что это расширение является триггером агрессивного поведения щелочных металлов в воде.

«Это интересный документ», — комментирует Нил Борн, директор Национального центра по исследованию материи в экстремальных условиях Великобритании. «Это открывает вопросы для этой области». Но он добавляет, что исследования, возможно, выиграли от более совершенных методов высокоскоростной визуализации: «Есть много новых и интересных методов, которые они могли бы использовать, что сделало бы их выводы более надежными». Он также сомневается, что работа «напрямую связана с какими-либо промышленными [процессами]».

Юнгвирт утверждает, однако, что исследовательское сообщество не обязательно было их основной целью при выполнении этой работы. «Я был бы очень счастлив, если бы школьные учителя поняли это сообщение», — говорит он. «Я думаю, что самое важное, если в следующий раз этот эксперимент будет проводиться в старших классах, он будет связан с правильным объяснением. Мы сделаем все возможное, чтобы распространить эту информацию ».

Динамика реакционной способности щелочных металлов | Эксперимент

Эти демонстрации показывают сходство физических и химических свойств щелочных металлов и тенденцию к снижению реакционной способности группы 1 Периодической таблицы.

Эксперименты занимают 10–20 минут, если все подготовлено заранее. Предварительная подготовка включает отрезание кусков щелочных металлов до рекомендованного размера, наполнение желобов для воды и установку защитных экранов. Вам следует попробовать эксперименты заранее, если вы не делали их раньше.

Оборудование

Аппарат

Все эксперименты
  • Очки или маска для демонстратора, защита глаз для зрителей
  • Пинцет или щипцы
  • Фильтровальная бумага
  • Стакан, 150 см 3
  • Керамическая плитка
  • Скальпель или острый нож для резки металлов
Первый эксперимент
  • Защитные перчатки (желательно нитриловые)
  • Маленький железный гвоздь
  • Источник питания, ~ 6 В
  • Лампочка в патроне (для проверки проводимости)
  • Электрические провода
  • Чашки Петри с крышками
  • Скотч (для заклеивания чашек Петри)
Второй эксперимент
  • Одна или несколько больших стеклянных желобов, 5 дм 3 вместимость
  • Защитные экраны, не менее x2
  • Листы из стекла или плексигласа для покрытия желобов (дополнительно)

Химические вещества

Бутылочки с маслом, содержащие мелкие кусочки следующего металла (Примечание 1):

  • Литий (легковоспламеняющийся, коррозионный), кубы 5 мм
  • Натрий (легковоспламеняющийся, коррозионный), кубики 4 мм
  • Калий (легковоспламеняющийся, коррозионный), кубики 3 мм

Доступ к:

  • Этанол (легковоспламеняющийся) или технический денатурированный спирт (IDA) (легковоспламеняющийся, вредный), 150 см 3 (Примечание 2)
  • 2-метилпропан-2-ол (легковоспламеняющийся, вредный), 150 см 3 (примечание 2)
  • Моющее средство, 1 капля
  • Универсальный индикаторный раствор (легковоспламеняющийся)

Технические примечания

  1. Техник должен подготовить металлические детали и хранить их в масле. Пинцетом удалите из масла большой кусок щелочного металла. Убедитесь, что условия сухие. Положите металл на плитку и скальпелем или острым ножом нарежьте кусочки лития (кубики 5 мм), натрия (кубики 4 мм) и калия (кубики 3 мм). Поместите мелкие детали в отдельные бутылки с маслом, на которых будет указано название металла и знак опасности. Разрежьте каждый щелочной металл отдельно и верните более крупный кусок в бутылку перед тем, как приступить к следующему.
  2. После использования поместите любой инструмент, используемый для резки (а позже и обработки) металла (фильтровальная бумага, скальпели и т. Д.), В емкость с водой.Небольшие кусочки щелочного металла, предназначенные для утилизации, должны полностью прореагировать с этанолом (для лития и натрия) или 2-метилпропан-2-олом (для калия) до прекращения шипения перед смыванием водой.

Здоровье и безопасность

  • Прочтите наше стандартное руководство по охране труда
  • Демонстрант должен носить защитные очки или маску для лица. Ученики должны находиться на расстоянии 2–3 м и носить защитные очки.
  • Литий, Li (s), натрий, Na (s) и калий, K (s), (все ОГНЕОПАСНЫЕ, КОРРОЗИОННЫЕ) — см. CLEAPSS Hazcards HC058a.
  • Этанол, C 2 H 5 OH (l), (легковоспламеняющийся или, если IDA, легковоспламеняющийся, вредный) — см. CLEAPSS Hazcard HC040a.
  • 2-метилпропан-2-ол, (CH 3 ) 3 COH (l) — см. CLEAPSS Hazcard HC084a.
  • Универсальный индикаторный раствор (ВОСПЛАМЕНЯЮЩИЙСЯ) — см. Карту опасностей CLEAPSS и Книгу рецептов CLEAPSS.

Процедура

Эксперимент 1: Физические свойства

Сделайте следующее с небольшими кусочками каждого металла, лития, натрия и калия

  1. Пинцетом удалите металлическую часть бутылки с маслом.
  2. Разрежьте металл скальпелем (труднее всего резать литий). Положите в масло те кусочки, которые не будут использоваться.
  3. Надев защитные перчатки, сожмите оставшийся металл рукой в ​​перчатке, чтобы показать его мягкость. Литий сложнее всего формовать.
  4. Бросьте каждый металл с высоты нескольких сантиметров на фильтровальную бумагу на скамейке. Сравните с железкой примерно такого же размера. Обратите внимание на легкие удары, которые показывают, что металлы имеют низкую плотность.
  5. Используйте схему, чтобы показать, что металлы хорошо проводят электричество.
  6. Поместите металлический предмет в чашку Петри и раздайте классу. Они НЕ должны касаться куска металла — при необходимости заклейте крышку скотчем.
  7. Удалите литий и натрий в этаноле, а калий удалите в 2-метилпропан-2-ол.

Эксперимент 2: Реакция с водой
  1. Наполните желоб (и) водой примерно наполовину.Добавьте каплю моющего средства (чтобы металл не прилипал к краю). Помешивая, налейте достаточное количество универсального индикаторного раствора в каждый до тех пор, пока цвет не станет отчетливо виден.
  2. Следует использовать не менее двух защитных экранов как можно ближе к желобам. В качестве альтернативы используйте стеклянные пластины, чтобы закрыть корыто (и).
  3. Перед началом реакции убедитесь, что бутыли с жидкостью закрыты (и что металл не контактирует с разбрызгиваемой водой).
  4. Убедитесь, что учащиеся не могут подобрать кусочки щелочных металлов.
  5. Сухим пинцетом удалите небольшой кусочек лития из бутыли с жидкостью, поместите литий на фильтровальную бумагу и закройте бутыль. Используйте фильтровальную бумагу, чтобы стереть масло.
  6. С помощью пинцета опустите металлический предмет на поверхность воды в корыте (и накройте корыто крышкой).
  7. Повторите то же самое с листом фильтровальной бумаги, плавающим на поверхности воды, поместив на бумагу еще один кусок лития.
  8. В обоих случаях литий должен плавать и шипеть с выделением водорода.Вода в поилке становится щелочной. Литий не загорается.
  9. Используйте свежую корыто (или пресную воду) для следующего металла. Обратите внимание, что в результате реакции вода нагревается.
  10. Повторите с натрием. На этот раз кусок на воде плавает, более энергично движется и шипит. Он может загореться, если прилипнет к стенке корыта. На фильтровальной бумаге он только загорится. Он горит желтым пламенем и выделяет белый дым. БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ при возгорании натрия и калия — они выделяют едкие оксиды в виде дыма.Ученики должны находиться достаточно далеко, чтобы не дышать ими (или желоба должны быть закрыты).
  11. Замените воду и повторите с калием. Не используйте фильтровальную бумагу. Будьте осторожны, так как калий очень реактивен. Калий энергично перемещается, плавится, шипит и загорается, горя сиреневым пламенем.
  12. Будьте осторожны и убедитесь, что на пинцете, фильтровальной бумаге и т. Д. Не осталось следов металлов. Самый простой способ — поместить их в одну из емкостей с водой, чтобы они отреагировали.Небольшие кусочки металлов можно утилизировать в этаноле (для лития и натрия) или в 2-метилпропан-2-оле (для калия), а остаток смыть в раковину, когда реакция прекратится.

Учебные заметки

Реакцию с водой можно проводить с желобом на диапроекторе. Сначала проектор следует сфокусировать на плавающей в воде спичке. В качестве альтернативы используйте гибкую камеру, подключенную к проектору или экрану телевизора.

Реакции:

2M (с) + 2H 2 O (л) → 2MOH (водн.) + H 2 (г)

, где М представляет собой щелочной металл.Растворы образующихся гидроксидов щелочные.

Реакции ясно показывают, что последовательность реакционной способности литий <натрий <калий.

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Этот сборник из более чем 200 практических занятий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое упражнение содержит исчерпывающую информацию для учителей и технических специалистов, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции.Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.