Металлы а-групп (сурс)

1. Щелочные металлы.

2. Берилий, магний - щелочноземельные металлы.

3. Алюминий.

Металлы I группы называют щелочными, так как они реагируют с водой, образуя щелочи. 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).

В периодической системе они расположены в главной подгруппе I группы. Франций, за­вершающий I группу, радиоактивен. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов – ns¹.Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнем электронном слое. Электрон внешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силы притяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдаче этого электрона, т.е. химическая активность. Щелочные металлы при химических реакциях легко теряют электрон, образуя ионы с устойчивыми конфигура­циями благородных газов и проявляя степень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильными восстановителями. Высокая восстановительная активность этих металлов проявляется в очень низких значениях их потенциалов (энергий) ионизации и электроотрицательностей.Радиусы их атомов возрастают от лития к францию.

В электрохимическом ряду напряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Li, Rb, K, Cs, Ba, Fr,Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, Fe,H₂ ,Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Физические свойства свойства щелочных металлов

При обычных условиях s-металлы находятся в кристаллическом состоянии. 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).Щелочные металлы обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки. Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Литий, натрий и калий легче воды и плавают на ее по­верхности, реагируя с ней.

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

Щелочные металлы образуют соединения с преимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов - твердые гигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуются гидроксиды - твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочных металлов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.

Химические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы 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↑

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

-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

-при нагревании реагируют с неметаллами (галогенами, азотом, серой, фосфором, водородом и др.).

2Na + Cl₂ =2NaCl 6Li + N₂ = 2Li₃N 2Li +2C = Li₂C₂ 2K + S = K₂S 2Na + H₂ = 2NaH

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

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + H₂↑

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

3Na + AlCl₃ = 3NaCl + Al

- 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.

- с органическими веществами, такими, как спирты, фенолы, карбоновые кислоты:

2Na + 2C₂H₅OH = 2C₂H₅ONa + H₂↑ 2K + 2C₆H₅OH = 2C₆H₅OK + H₂↑

2Na + 2CH₃COOH = 2CH₃COONa + H₂↑

	Название	Ат. №	Относит, ат. масса	Электронная формула	Радиус, пм	изотопы (%)
Li	Литий Lithium [от греч. Lithos — камень]	3	6,941	2s	Li+ 78,	6Li (7,5) 7Li* (92,5)
Na	Натрий Sodium [англ. Soda; лат. Natrium	11	22,9898	3s	Na+ 98,	23Na* (100)
К	Калий Potassium [англ. Potash; лат. Kalium]	19	39,0983	4s	K+ 133,	39K* (93,26) 40К (0,012) 41 К* (6,73)
Rb	Рубидий Rubidium [от лат. rubidius — глубокого красного цвета]	37	85,4678	5s	Rb+ 1,49,	185Rb* (72,17) 87Rb* (27,83)
Cs	Цезий Cesium [от лат. Caesius — небесно-голубой]	55	132,905	6s	Cs+ 165,	133Сз* (100)
Fr	Франций Francium [в честь Франции]	87	223	7s	Fr+ 180	223Fr* (следы)

Литий (Li) имеет среди всех металлов самую низкую плотность — 0,53 г/см3, с небольшой активностью реагирует с кислородом и водой. Является стратегическим металлом оборонной промышленности. Применяется в виде сплавов с Аl и Mg в производстве водородных бомб, в составе смазочных масел, эмалей, аккумуляторов, стекла; используется в медицине. Литий из щелочных металлов наиболее токсичен. Препарат Li2СO3 используют в медицине для лечения маниакально-депрессивного психоза. При длительном воздействии препарат нарушает функции почек и ЦНС. Поэтому повышенное содержание Li в крови и моче считают признаком нарушения функции почек.

Натрий (Na) — мягкий металл, серебристо-белого цвета, на срезе быстро окисляющийся. Бурно реагирует с водой. В больших количествах используется в промышленности, в частности, в теплообменниках ядерных реакторов; в составе NaCl широко применяется в пищевой и химической индустрии. Относится к жизненно необходимым элементам. В организме взрослого человека содержится около 100 г натрия, из них 30% — в костях. Неорганические соли натрия растворимы в воде с образованием соответствующих ионов. Некоторые соли натрия с органическими кислотами, например, соли мочевой и винной кислот (ураты и тартраты) растворимы слабо. Na+ является основным межклеточным катионом, регулирующим электролитный гомеостаз, деятельность натриевых насосов, перенос через биомембраны аминокислот, Сахаров, анионов разной природы; поддерживающим осмотическое давление и рН среды, перенос в крови СO2 (в виде бикарбоната), гидратацию белков, растворимость (солюбилизацию) органических кислот. Избыток натрия в пище вызывает перегрузку систем электролитного гомеостаза и обезвоживание тканей организма.

Калий (К) — мягкий металл белого цвета, активно реагирующий с кислородом и водой. Используется в производстве удобрений, в химической промышленности, для варки стекла. Относится к жизненно необходимым элементам. В организме взрослого человека содержится около 140 г калия, 98% — внутри клеток. К+ является важнейшим внутриклеточным катионом. Он необходим для поддержания нервно-мышечной возбудимости, внутриклеточного осмотического давления и рН, обеспечения сокращения мышц и проницаемости мембран клеток. Внеклеточный К+ стимулирует работу натриевого насоса. В натрий-калиевом насосе при некоторых физиологических процессах ионы К+ могут замещаться Rb+ и Cs+. Значительные количества последнего элемента могут появляться в организме после радиоактивного облучения.

По реакционной способности калий сходен с Na+. Na и К —2 основных металла, обеспечивающие электролитный гомеостаз. Оба элемента в живых организмах определяют осмотическое давление по обе стороны мембраны клеток и являются положительными противоионами для отрицательных анионов (Сl–, НРО42–, HCO3– и органических). В норме у человека соотношение ионов Na+/K+ в крови колеблется около значения 1,5. Снижение концентрации К+ в цельной крови и повышение в плазме связаны с нарушением проницаемости внешней мембраны клеток, обычно непроницаемой для К+, либо с нарушениями деятельности Na+/K+ - обменивающего насоса па внутренней мембране митохондрий. В нервных клетках такое нарушение работы этого насоса сопровождается нарушением мембранного потенциала нейронов и проведения по ним нервных импульсов. Изменения содержания ионов щелочных металлов отмечаются при многих неврологических заболеваниях. Однако К полезен лишь в умеренных дозах; его избыток в крови особенно часто наблюдается при заболеваниях почек. Длительное нарушение нормального соотношения Na+/K+ приводит к сердечнососудистым заболеваниям.

Рубидий (Kb) — примесный микроэлемент. В организме человека содержится около 0,3 мг рубидия, как правило, внутри клеток (аналогично К+). Может образовывать координационные соединения. Поскольку кинетика и механизм поглощения и участия в обмене сходны с К, изотоп 86Rb используют в исследованиях обмена К+. При дефиците К+ прием рубидия восстанавливает кислотно-щелочной баланс. Rb быстро выводится из организма через почки.

Цезий (Cs) — по биологическим свойствам сходен с К+. В организме человека может содержаться до 1,5 мг цезия. В медицине используют в качестве радиоактивной метки изотоп 137Cs (период полураспада t1/2 = 30 лет), а также стабильный изотоп 133Cs при магнитно-резонансной томографии. Считается нетоксичным.

Франций (Fr) — в природе встречается в ничтожных количествах в урановых рудах. Образуется в результате радиоактивного распада актиния (вместе с гелием). Из-за небольшого времени полураспада всех изотопов элемент изучен слабо. Должен быть токсичным из-за радиоактивности, хотя в организме человека не обнаружен.

II К щелочноземельным металлам относятся металлы IIA группы Периодической системы Д.И. Менделеева – кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra). Кроме них в главную подгруппу II группы входят бериллий (Be) и магний (Mg). На внешнем энергетическом уровне щелочноземельных металлов находится два валентных электрона. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочноземельных металлов – ns². Кроме Ве 1s2 2s2. В своих соединениях они проявляют единственную степень окисления равную +2. В ОВР являются восстановителями, т.е. отдают электрон. Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.

С увеличением заряда ядра атомов элементов, входящих в группу щелочноземельных металлов, энергия ионизации атомов уменьшается, а радиусы атомов и ионов увеличиваются, металлические признаки химических элементов усиливаются.

Бериллий (Be) — очень легкий, его сплав с медью сходен со сталью. В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.В эпоху нанотехнологии он необходим для атомной, электронной, электротехнической, авиационной и нефтегазовой промышленности. Be обладает некомпенсированным спином и высокой латентной токсичностью, хотя его атомная масса среди прочих металлов наименьшая. Он связан диагональным соотношением с Аl, и имеет с ним много общих свойств. Контакт с солями Be вызывает поражение кожи. Ион Ве2+ имеет малые размеры, но высокую плотность заряда. В организме он ингибирует фосфатазы, особенно щелочную, участвующую в процессах образования костей, а также ферменты, активируемые Mg2+ и К+, нарушает репликацию ДНК. Ионы Ве2+ образуют комплексы с тетраэдрическим расположением лигандов (КЧ = 4) с различной стереохимической конфигурацией.

Бериллий в природе находится в связанном состоянии. Важнейшие минералы бериллия: берилл- Be₃ Al₂ (SiO₃ )₆ , хризоберилл- Be(AlO₂ )₂ и фенакит- Be₂ SiO₄ .

Магний (Mg) в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная. Магний— по свойствам связан диагональным соотношением с Li. Абсолютно необходим для нормальной жизнедеятельности в виде иона Mg2+. Mg2+ необходим для нервно-мышечной передачи и мышечного сокращения. Наиболее часто недостаток магния (в норме содержащегося в плазме крови в концентрации 0,9 мМ) наблюдается при алкоголизме, сопровождаясь также накоплением Са2+. При избытке магния развиваются слабовыраженные токсические реакции. Прием больших количеств солей Mg2+ вызывает рвоту.

	Название	Ат. №	Относит, ат. масса	Электронная формула	Радиус, пм	Основные изотопы (%)
Be	Бериллий Beryllium [от греч. Beryllos — берилл]	4	9,012	2s2	Be2+ 34	9Be*(100)
Mg	Магний Magnesium [от Магнезия — полуостров в Греции]	12	24,305	3s2	Mg2+ 78	24Mg (78,99) 25Mg* (10) 26Mg (11,01)