Фзико-химические свойства простых веществ
Литий, натрий,калий, рубидий, франций имеют серебристый металлический блеск, а цезий – золотисто-желтую окраску. Все щелочные металлы очень мягкие, легко режутся ножом (кроме лития), Rb, Cs, и Fr при обычной температуре растообразны.
На воздухе все щелочные металлы бысто покрываются тёмно-серым налётом из оксидов, только у Li появляется зеленовато-чёрная плёнка Li2N. Склонность к окислению возрастает от лития к Fr, причём Rb, Cs и Fr окисляются уже с воспламенением. Поэтому щелочные металлы хранят под слоем обезвоженного парафинового или вазелинового масла. Кислород окисляет все щелочные металлы, но если литий превращается только в Li2O, то остальные щелочные металлы превращаются в Ме2О2 или в МеО2:
4Li(тв) + О2(г) = 2Li2O(тв);
2Na(тв) + О2(г) = Na2O2 (ТВ) ;
К(ТВ) + О2(г) = КО2 (ТВ).
Щелочные металлы относятся к числу наиболее активных в химическом отношении элементов. Их высокая химическая активность объясняется небольшими значениями энергий ионизации, которая уменьшается от лития к францию. Восстановительная способность при этом возрастает. Щелочные металлы энергично взаимодействуют с большинством неметаллов, разлагают воду; на холоде бурно реагируют с разбавленными растворами кислот.
Водород окисляет щелочные металлы при нагревании с образованием гидридов МеН:
2Na + H2 = 2MeH.
Гидриды – бесцветные кристаллические вещества с ионной решеткой типа NaCl, анионом является Н‾. Гидриды ряда NaH – CsH подвергаются термической диссоциации не плавясь. Гидриды сильные восстановители: реагируют с кислотами, кислородом, водой. Например:
NaH + HCl = NaCl + H2↑,
2NaH + O2 = 2NaOH
NaH + H2O = NaOH + H2↑.
Энергично щелочные металлы реагируют с галогенами, особенно с хлором и фтором, образуя галогениды МеГ:
2Na(ТВ) + F2(Г) = 2NaF(ТВ)
2К(т) + Cl2(г) = 2КCl(Т)
Щелочные металлы взаимодействуют при нагревании с серой, образуя сульфиды. Например:
2Li + S = Li2S
С азотом из щелочных металлов реагирует только литий:
6Li + N2 = 2Li3N.
С другими металлами щелочные металлы образуют сплавы и интерметаллиды.
Все щелочные металлы реагируют с водой, образуя гидроксиды МеОН:
2Ме(т) + 2Н2О(ж) = 2МеОН(ж) + Н2(Г)
Интенсивность взаимодействия с водой значительно увеличивается в подгруппе при переходе от Li к Сs. Причиной этого является снижение ТПЛ металлов, выделяющейся теплоты хватает на плавление металла, что увеличивает площадь соприкосновения металла с водой. Например, кусочки натрия под действием выделяющейся теплоты реакции расплавляются в шарики, которые начинают беспорядочно двигаться по поверхности воды вседствие выделения водорода. При этом на отдельных участках происходит самовоспламенение водорода или местные взрывы гремучего газа (характерные щелчки). При этом возможно разбрызгивание раствора щелочи (работать в очках!).
Оксиды.
Все оксиды, кроме Li2O, получают косвенным путём. Например:
Na2O2 + 2Na = 2Na2O;
2NaOH + 2Na = 2Na2O + H2.
Оксиды щелочных металлов – кристаллические вещества, очень реакционноспособные, с ярко выраженными основными свойствами, усиливающимися от Li к Cs. Оксиды энергично взаимодействуют с водой, образуя щелочи, например:
Na2O + H2O = 2NaOH.
Оксиды щелочных металлов взаимодействуют с амфотерными и кислотными оксидами, растворами кислот. При этом образуются соли, например:
Li2O + Al2O3 = 2LiAlO2 (сплавление)
K2O + CO2 = K2CO3 (t=4000C)
Na2O + 2HCl (разб.) = 2NaCl + H2O.
Пероксиды и надпероксиды
Пероксид натрия образуется при сгорании натрия на воздухе. Пероксиды калия, рубидия и цезия Ме2О2 получают косвенным путём, они менее устойчивы, чем Na2O2.
К, Rb, Cs при сгорании образуют надпероксиды МеО2 (КО2, RbO2, CsO2).
Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов сильные окислители, например:
Na2O2(ТВ) + 2СО2 = 2Na2CO3(ТВ) + О2↑
2КO2 + S = K2SO4.
Пероксиды и надпероксиды легко разлагаются водой, например:
Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2;
2KO2 + 2H2O = 2KOH + H2O2 + O2.
Гидроксиды
Гидроксиды щелочных металлов Ме(ОН) – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключая LiOH), являются сильными электролитами (существуют в воде только в виде ионов). В ряду Li – Cs растворимость гидроксидов и их основные свойства усиливаются.
Гидроксиды активно поглощают из воздуха СО2 и Н2О (поэтому всегда содержат примеси – карбонаты).
Гидроксиды проявляют все характерные свойства оснований:
NaOH + HCl = NaCl + H2O,
NaOH + CO2 = NaHCO3,
2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 + H2O (сплавление),
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],
2NaOH + CuCl2 = Cu(OH)2↓ + 2NaCl,
6NaOH + 3S = 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O.
В промышленности гидроксиды получают электролизом водных растворов их солей, например:
2NaCl + 2H2O ----------------→ H2(катод) + Cl2(анод) + 2NaOH.
Твёрдые гидроксиды и их концентрированные водные растворы разрушают живые ткани вследствие обезвоживания и щелочного гидролиза белков. Поэтому работа с ними требует мер предосторожности (резиновые перчатки, очки).
Соли
Щелочные металлы образуют соли с большинством известных кислот. С многоосновными кислотами образуют средние соли (MeCO3, MeSO3, MeSO4, Me3(PO4)3 и др.) и кислые (MeHSO3, MeHSO4, MeH2PO4, Me2HPO4 и др.).
Кислых солей щелочных металлов известно очень много, а у других металлов они встречаются редко. Склонность к образованию таких солей и их термическая устойчивость увеличивается в ряду Li – Cs.
Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде. Исключение составляют соли лития.
Все соли щелочных металлов характеризуются высокими температурами плавления, хорошо проводят электрический ток их расплавы и растворы.
В водных растворах соли слабых кислот пордвергаются гидролизу. Например:
Na2CO3 + H2O ↔ NaHCO3 + NaOH;
K2S + H2O ↔ KHS + KOH.
Летучие соединения щелочных металлов окрашивают пламя в характерные цвета: натрий – желтый, калий – фиолетовый и т.д.).
Токсикология. Ионы Na+ и K+ - активные участники биохимических процессов в живых организмах. Ионы Li+ являются биологическим антагонистом ионов натрия Na+, они осорбенно токсичны при недостатке ионов Na+ в рационе.
S-элементы IIA группы
s-Элементы IIA группы – это бериллий, магний и щелочно-земельные металлы – кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радиоактивный радий Ra. Последние так называют потому, что их оксиды тугоплавки и малорастворимы в воде (такие вещества раньше назывались «землями»), а продукты их взаимодействия с водой имеют щелочные свойства.
В свободном состоянии эти металлы представляют собой серебристо-белые вещества, более твёрдые, чем щелочные металлы, со сравнительно высокими температурами плавления. Все эти элементы, кроме бериллия, обладают ярко выраженными металлическими свойствами.
Строение внешнего электронного уровня атомов этих элементов можно представить так: ns2, в возбуждённом состоянии ns1np1.
Атомы элементов IIA группы проявляют в своих соединениях одну степень окисления +2.
Металлы группы IIA сильные восстановители. Они довольно легко реагируют с большинством неметаллов:
2Ве + О2 = 2ВеО
2Са + О2 = 2СаО
(металлы легко окисляются образуя не пероксиды, а оксиды; оксидная плёнка бериллия и магния довольно прочная, поэтому эти металлы могут храниться на воздухе);
С водородом металлы образуют гидриды МеН2. Например:
Са + Н2 = СаН2.
Бериллий с водородом не взаимодействует.
Гидриды щелочноземельных металлов белые кристаллические вещества с ионной кристаллической решеткой, анион Н‾. Гидриды Ве и Mg твёрдые полимерные соединения. Термическая устойчивость гидридов понижается от Ва к Ве (ВеН2 плавится при 1250С, а ВаН2 – при 12000С). Гидриды группы металлов IIA, как и гидриды металлов группы IA, сильные восстановители.
С водой активно реагируют щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ba), реакции идут при обычной температуре. Например:
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2↑
Магний реагирует при нагревании, а бериллий имеет поверхность, покрытую прочной плёнкой оксида и, поэтому, с водой не реагирует даже при высоких температурах (хотя термодинамически это возможно).
Активность взаимодействия с водой в ряду Mg – Ca – Sr – Ba – Ra возрастает.
Оксиды
Оксиды щелочно-земельных металлов – твёдые белые тугоплавкие вещества. Они могут быть получены термическим разложением карбонатов, нитратов, гидроксидов. Например:
МеСО3 = МеО + СО2↑.
Оксиды, кроме ВеО, реагируют с водой; MgO реагирует с горячей водой:
МеО + Н2О = Ме(ОН)2
Оксиды щелочно-земельных металлов проявляют свойства основных оксидов:
ВаО + 2HCl = BaCl2 + H2O,
CaO + CO2 = CaCO3,
CaO + SiO2 = CaSiO3.
ВеО – амфотерный оксид, белое тугоплавкое, термически устойчивое вещество. При нагревании взаимодействует с кислотами и щелочами, кислотными и основными оксидами:
ВеО + 2НCl(конц.) = ВеCl2 + H2O,
ВеО + H2SO4 (конц.) = ВеSO4 ↓+ H2O
ВеО + 2NaOH(конц. Гор.) + H2O = Na2[Be(OH)4],
ВеО + 2Na2O = Na4BeO3 (t = 5000C)
2ВеО + SiO2 = Be2SiO4 (фенакит; t= 16000C)
2 ВеО + Al2O3 = (BeAl2)O4 (хризоберилл; t = 14000C)
ВеО – токсичен, раздражает дыхательные пути, при попадании в лёгкие вызывает хроническое заболевание бериллиоз (лёгочная недостаточность).