Нахождение в природе

Содержание в земной коре составляет:

Содержание элементов в земной коре	Li	Na	K	Rb	Cs
Массовая доля, %	1,8  10–3	2,27	1,84	7,8  10–3	2,6  10–4

Из щелочных металлов широко распространены в природе натрий и калий. Встречаются натрий и калий в виде соединений из-за высокой химической активности. Натрий – один из наиболее распространенных элементов на Земле. Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве. Важнейшие минералы натрия: NaCl – каменная соль (галит), Na₂SO₄  10H₂O – мирабилит, глауберова соль, Na₃AlF₆ – криолит, Na₂B₄O₇  10H₂O – бура и т.д. В сочетании с другими элементами натрий входит в состав многих природных силикатов и алюмосиликатов. Значительные количества соединений натрия растворены в воде океанов, морей, озер. Содержание NaCl в океанской воде составляет  2,5%.

Соединения натрия входят в растительные и животные организмы (в виде NaCl). В крови человека ионы Na⁺ составляют 0,32%, в костях – 0,6%, в мышечной ткани – 0,6 – 1,5%.

Важнейшие минералы калия: KCl – сильвин, NaCl  KCl – сильвинит, KCl  MgCl₂  6H₂O – карналлит, KCl  MgSO₄  3H₂O – каинит.

В отличие от натрия и калия соединения лития, рубидия и цезия в природе встречаются реже, поэтому данные элементы относятся к числу редких и рассеянных.

Литий находится в основном в виде алюмосиликатов и алюмофосфатов. Из литиевых минералов наиболее важны: Li₂O  Al₂O₃  4SiO₂ – сподумен, LiAl(PO₄)F – амблигонит, Li₂Al₂(SiO₃)₃(F,OH)₂ – лепидолит.

Рубидий и цезий содержатся в минералах калия. Известно ряд минералов, в состав которых входит цезий. Больше всего его содержится в 4Cs₂O  4Al₂O₃  18SiO₂  2H₂O – поллуцит.

Франций – радиоактивный элемент, стабильных изотопов не имеет. Открыт в 1939 году в продуктах радиоактивного распада урана (4  10^–28 г на 1 г природного урана). Получают искусственно.

Получение

Все металлы I группы главной подгруппы – сильные восстановители, поэтому их получение требует больших энергетических затрат.

В промышленности литий получают:

Содержание лития в рудах небольшое, поэтому их предварительно обогащают методом флотации. Проводят процесс вскрытия – процесс, с помощью которого добываемые элемент переводят в растворимую или другую удобную для дальнейшей переработки форму.

1. сернокислый метод

2. известковый метод

с последующим выщелачиванием водой, при котором происходит взаимодействие алюмината лития с гидроксидом кальция:

3. сульфатный метод

с последующим выщелачиванием и осаждением карбоната:

Действием кислоты HCl на карбонат лития его переводят хлорида лития, который впоследствии используют для производства лития.

1. электролизом расплава смеси солей LiCl и KCl (или CaCl₂) (анод – графит, катод – железо). Особо чистый литий получают электролизом смеси LiCl – LiBr.

2. восстановлением оксида лития:

Для данного способа берут не чистые вещества Li₂O и Si, а содержащие их материалы (литиевые минералы и сплав ферросилиций). В качестве восстановителя можно использовать алюминий.

Литий хранят под слоем вазелина или парафина в запаянных сосудах (в керосине литий плавает).

В промышленности натрий получают:

1. электролиз расплавов, содержащих хлорид натрия.

Рис. 1.Промышленное получение металлического натрия

Прим. использовать в качестве сырья чистый NaCl невозможно, потому что разность между температурами плавления NaCl ( , и натрия ( небольшая. К тому же давление насыщенного пара натрия при температуре плавления NaCl близко к атмосферному, что приведет к большой потере натрия вследствие испарения. При высоких температурах нельзя получить натрия без потерь, так как он растворяется в NaCl. Поэтому к хлориду натрия добавляют соль (KCl, NaF, CaCl₂ и др.) для понижения температуры плавления шихты ниже 600 ºС. Преимущественно используют расплав, содержащий 40% NaCl и 60% СаСl₂ ( .

При электролизе на катоде (железо) выделяется натрий, на аноде (графит) – хлор. Конструкция электролизера (наличие диафрагмы, разделяющей катодное и анодное пространство) исключает возможность взаимодействия образующихся в процессе электролиза хлора и натрия. На производство 1 кг натрия расходуется 10 кВт электроэнергии.

2. электролиз расплава гидроксида натрия. При электролизе на катоде (железо) выделяется металлический натрий, на аноде (никель) протекает реакция:

Преимущества метода заключаются в низкой температуре проведения процесса (350 ºС) и возможности получения натрия высокой чистоты. Недостаток данного способа – дорогое сырье.

Натрий хранят в запаянных сосудах или в герметичной железной таре под слоем керосина.

Методы, используемые для производства натрия нельзя применить при производстве калия из-за его высокой реакционной способности при повышенной температуре (его сильной окисляемости кислородом, растворенным в расплаве).

В промышленности калий получают:

1. восстановлением калия из расплавленного гидроксида калия или хлорида калия натрием:

Образуется сплав Na – K, который разделяют перегонкой.

2. электролизом расплава KCl – K₂CO₃ (катод – жидкий свинец) с последующей отгонкой калия из сплава со свинцом.

3. восстановлением хлорида калия при нагревании в вакууме с алюминием, кремнием, карбидом кальция:

Образующийся щелочной металл уходит из сферы реакции в виде пара, что приводит к смещению химического равновесия вправо.

Калий хранят в запаянных сосудах или в герметичной железной таре под слоем керосина.

В промышленности рубидий и цезий получают:

1. термическим восстановлением соответствующих хлоридов кальцием в вакууме:

В лаборатории цезий и рубидий получают восстановлением соответствующих соединений цирконием:

Рубидий и цезий хранят в запаянных стеклянных ампулах.