מכל המערכת המחזורית, רוב היסודות מייצגים קבוצה של מתכות. אמפוטרי, מעברי, רדיואקטיבי - יש הרבה כאלה. כל המתכות ממלאות תפקיד עצום לא רק בטבע ובחיים הביולוגיים של האדם, אלא גם בתעשיות שונות. לא פלא שהמאה ה-20 כונתה "ברזל".
מתכות: מאפיינים כלליים
כל המתכות חולקות תכונות כימיות ופיזיקליות משותפות שמאפשרות להבדיל אותן בקלות ולא-מתכות. אז, למשל, המבנה של סריג הגביש מאפשר להם להיות:
- מוליכים של זרם חשמלי;
- מוליכים חום טובים;
- גמיש ופלסטיק;
- חזק ומבריק.
כמובן שיש הבדלים ביניהם. מתכות מסוימות זוהרות עם צבע כסוף, אחרות עם לבן מט יותר, ואחרות עם אדום וצהוב באופן כללי. ישנם גם הבדלים מבחינת מוליכות תרמית וחשמלית. עם זאת, בכל זאת, פרמטרים אלה משותפים לכל המתכות, בעוד שללא מתכות יש יותר הבדלים מאשר קווי דמיון.
מטבעם הכימי, כל המתכות הן חומרי הפחתה. בהתאם לתנאי התגובה ולחומרים הספציפיים, הם יכולים לשמש גם כחומרי חמצון, אך לעיתים רחוקות. מסוגל ליצור חומרים רבים. תרכובות כימיות של מתכות נמצאות בטבע בכמויות גדולות בהרכב של עפרות או מינרלים, מינרלים וסלעים אחרים. הדרגה תמיד חיובית, היא יכולה להיות קבועה (אלומיניום, נתרן, סידן) או משתנה (כרום, ברזל, נחושת, מנגן).
רבים מהם נמצאים בשימוש נרחב כחומרי בניין ומשמשים בענפי מדע וטכנולוגיה שונים.
תרכובות כימיות של מתכות
בין אלה, יש לציין כמה סוגים עיקריים של חומרים, שהם תוצרים של אינטראקציה של מתכות עם יסודות וחומרים אחרים.
- תחמוצות, הידרידים, ניטרידים, סיליקידים, פוספידים, אוזונדים, קרבידים, סולפידים ואחרים - תרכובות בינאריות עם לא-מתכות, לרוב שייכות למחלקת המלחים (למעט תחמוצות).
- הידרוקסידים - הנוסחה הכללית היא Me + x (OH) x.
- מלח. תרכובות של מתכות עם שאריות חומציות. יכול להיות שונה:
- בינוני;
- חָמוּץ;
- לְהַכפִּיל;
- בסיסי;
- מורכב.
4. תרכובות של מתכות עם חומרים אורגניים - מבנים אורגנו-מתכתיים.
5. תרכובות של מתכות זו עם זו - סגסוגות, המתקבלות בדרכים שונות.
אפשרויות חיבור מתכת
חומרים שיכולים להכיל שתי מתכות שונות או יותר בו-זמנית מחולקים ל:
- סגסוגות;
- מלחים כפולים;
- תרכובות מורכבות;
- intermetallics.
גם שיטות לחיבור מתכות זו לזו משתנות. לדוגמה, כדי להשיג סגסוגות, נעשה שימוש בשיטת ההיתוך, הערבוב וההתמצקות של המוצר המתקבל.
תרכובות בין-מתכתיות נוצרות כתוצאה מתגובות כימיות ישירות בין מתכות, המתרחשות לעתים קרובות עם פיצוץ (לדוגמה, אבץ וניקל). תהליכים כאלה דורשים תנאים מיוחדים: טמפרטורה גבוהה מאוד, לחץ, ואקום, חוסר חמצן ועוד.
סודה, מלח, קאוסטיק הם כולם תרכובות מתכות אלקליות שנמצאות בטבע. הם קיימים בצורתם הטהורה, יוצרים משקעים, או שהם חלק מתוצרי הבעירה של חומרים מסוימים. לפעמים משיגים אותם במעבדה. אבל החומרים האלה הם תמיד חשובים ובעלי ערך, שכן הם מקיפים אדם ויוצרים את חייו.
תרכובות מתכת אלקליות והשימושים בהן אינם מוגבלים לנתרן. כמו כן נפוצים ופופולריים בענפי המשק הם מלחים כגון:
- אשלגן כלורי;
- (אשלגן חנקתי);
- אשלגן פחמתי;
- סולפט.
כולם הם דשנים מינרליים יקרי ערך המשמשים בחקלאות.
מתכות אדמה אלקליות - תרכובות ויישומיהן
קטגוריה זו כוללת אלמנטים מהקבוצה השנייה של תת-הקבוצה העיקרית של מערכת היסודות הכימיים. מצב החמצון הקבוע שלהם הוא +2. אלו הם חומרים מפחיתים פעילים הנכנסים בקלות לתגובות כימיות עם רוב התרכובות והחומרים הפשוטים. הצג את כל המאפיינים האופייניים של מתכות: ברק, משיכות, חום ומוליכות חשמלית.
החשובים והנפוצים שבהם הם מגנזיום וסידן. בריליום הוא אמפוטרי, בעוד בריום ורדיום הם יסודות נדירים. כולם מסוגלים ליצור את סוגי החיבורים הבאים:
- intermetallic;
- תחמוצות;
- הידידים;
- מלחים בינאריים (תרכובות עם לא מתכות);
- הידרוקסידים;
- מלחים (כפולים, מורכבים, חומציים, בסיסיים, בינוניים).
שקול את התרכובות החשובות ביותר מנקודת מבט מעשית ואת היישומים שלהן.
מלחי מגנזיום וסידן
תרכובות כאלה של מתכות אדמה אלקליות כמלחים חשובות עבור אורגניזמים חיים. אחרי הכל, מלחי סידן הם המקור ליסוד זה בגוף. ובלעדיו, היווצרות תקינה של השלד, השיניים, הקרניים בבעלי חיים, פרסות, שיער ומעיל וכדומה, בלתי אפשרית.
אז, המלח הנפוץ ביותר של סידן מתכת אדמה אלקליין הוא קרבונט. השמות האחרים שלו הם:
- שַׁיִשׁ;
- אֶבֶן גִיר;
- דולומיט.
הוא משמש לא רק כספק של יוני סידן לאורגניזם חי, אלא גם כחומר בנייה, חומר גלם לתעשיות כימיות, בתעשיית הקוסמטיקה, זכוכית וכדומה.
גם תרכובות מתכת אדמה אלקליות כגון סולפטים חשובות. לדוגמה, בריום סולפט (שם רפואי "דייסת בריט") משמש באבחון רנטגן. סידן גופרתי בצורת הידרט גבישי הוא גבס המצוי בטבע. הוא משמש ברפואה, בנייה, יציקות הטבעה.
זרחן ממתכות אדמה אלקליין
חומרים אלו ידועים עוד מימי הביניים. בעבר הם נקראו זרחנים. השם הזה קיים עד היום. מטבעם, תרכובות אלה הן סולפידים של מגנזיום, סטרונציום, בריום, סידן.
עם עיבוד מסוים, הם מסוגלים להפגין תכונות זרחני, והזוהר יפה מאוד, מאדום ועד סגול בהיר. זה משמש בייצור של תמרורים, בגדי עבודה ודברים אחרים.
תרכובות מורכבות
חומרים הכוללים שניים או יותר יסודות שונים בעלי אופי מתכתי הם תרכובות מורכבות של מתכות. לרוב הם נוזלים עם צבעים יפים וצבעוניים. משמש בכימיה אנליטית לקביעה איכותית של יונים.
חומרים כאלה מסוגלים ליצור לא רק מתכות אלקליות ואדמה אלקליין, אלא גם את כל האחרים. ישנם hydroxocomplexes, aquacomplexes ואחרים.
התייחסו למספר רכיבי ה-s. האלקטרון של שכבת האלקטרון החיצונית של אטום מתכת אלקלי, בהשוואה ליסודות אחרים מאותה תקופה, הוא הרחוק ביותר מהגרעין, כלומר, הרדיוס של אטום המתכת האלקלית הוא הגדול ביותר בהשוואה לרדיוסים של אטומים של יסודות אחרים של אותה תקופה. בשל
|
אֵלֵמֶנט |
טעינת ליבה |
מספר האלקטרונים ברמות האנרגיה |
רדיוס האטום |
||||||
|
ק |
ל |
M |
נ |
O |
פ |
ש |
|||
|
1,57 1,86 2,36 2,43 2,62 |
|||||||||
עם זה, האלקטרון הערכי של השכבה החיצונית של אטומי מתכת אלקלית מתנתק בקלות, והופך אותם ליונים חיוביים חד-פעמיים. זאת בשל העובדה שהתרכובות של מתכות אלקליות עם יסודות אחרים בנויות לפי סוג הקשר היוני.
בתגובות חיזור, אלקליות מתנהגות כמו חומרים מפחיתים חזקים, ויכולת זו עולה ממתכת למתכת עם עלייה במטען של גרעין האטום.
מבין המתכות, מתכות אלקליות מציגות את הפעילות הכימית הגבוהה ביותר. בסדרה של מתחים, כל המתכות האלקליות ממוקמות בתחילת הסדרה. האלקטרון של שכבת האלקטרון החיצונית הוא אלקטרון הערכיות היחיד, ולכן מתכות אלקליות בכל תרכובות אינן ערכיות. מצב החמצון של מתכות אלקליות הוא בדרך כלל +1.
התכונות הפיזיקליות של מתכות אלקליות ניתנות בטבלה. 19.
|
אֵלֵמֶנט |
מספר סידורי |
משקל אטומי |
נקודת התכה, °С |
נקודת רתיחה, מעלות צלזיוס |
צפיפות, g/cm3 |
קשיות בקנה מידה |
|
6,94 22,997 39,1 85,48 132,91 |
38,5 |
1336 |
0,53 0,97 0,86 1,53 |
נציגים אופייניים של מתכות אלקליות הם נתרן ואשלגן.
■ 26. ערכו תיאור כללי של מתכות אלקליות לפי התכנית הבאה:
א) דמיון והבדלים במבנה של אטומי מתכת אלקלית;
ב) תכונות של התנהגות מתכות אלקליות בתגובות חיזור;
ג) סוג סריג קריסטל בתרכובות מתכת אלקליות;
ד) תכונות של שינויים בתכונות הפיזיקליות של מתכות בהתאם לרדיוס האטום.
נתרן
התצורה האלקטרונית של אטום הנתרן היא ls 2 2s 2 2p 6 3s 1 . מבנה השכבה החיצונית שלו:
נתרן מופיע בטבע רק בצורת מלחים. מלח הנתרן הנפוץ ביותר הוא מלח שולחן NaCl, כמו גם המינרל סילביניט KCl NaCl וכמה מלחי סולפט, כמו מלח גלאובר Na2SO4 10H2O, שנמצא בכמויות גדולות במפרץ קארה-בוגאז-גול של הים הכספי.
ממלח רגיל NaCl, מתכת נתרן מתקבלת על ידי אלקטרוליזה של נמס של מלח זה. מפעל האלקטרוליזה מוצג באיור. 76. מורידים אלקטרודות למלח מותך. חלל האנודה והקתודה מופרדים על ידי דיאפרגמה, המבודדת את הנוצרים מהנתרן כך שלא תתרחש תגובה הפוכה. יון נתרן חיובי מקבל אלקטרון מהקתודה והופך לאטום נתרן ניטרלי. אטומי נתרן ניטרליים נאספים בקתודה בצורה של מתכת מותכת. התהליך המתרחש בקתודה יכול להיות מיוצג על ידי התרשים הבא:
Na + + Na 0 .
מכיוון שיש קבלה של אלקטרונים בקתודה, וכל קבלה של אלקטרונים על ידי אטום או יון היא הפחתה, יוני הנתרן בקתודה מצטמצמים. באנודה, יוני כלור תורמים אלקטרונים, כלומר, תהליך החמצון ושחרור חופשיים
גז כלור, אשר יכול להיות מיוצג על ידי התרשים הבא:
Cl — — ה— → Cl 0
לנתרן המתכתי המתקבל צבע לבן כסוף והוא נחתך בקלות בסכין. לחתך בנתרן, אם רואים אותו מיד לאחר החיתוך, יש ברק מתכתי בוהק, אך מוכתם במהירות בגלל החמצון המהיר ביותר של המתכת.
אורז. 76. תכנית המתקן לאלקטרוליזה של מלח מותך. 1 - קתודה טבעת; 2 - פעמון להוצאת כלור גזי מחלל האנודה
אם נתרן מתחמצן בכמות קטנה של חמצן בטמפרטורה של כ-180 מעלות, מתקבלת תחמוצת נתרן:
4Na + O2 = 2Na2O.
כאשר נשרפים בחמצן, מתקבל נתרן חמצן:
2Na + O2 = Na2O2.
במקרה זה, נתרן נשרף בלהבה צהובה מסנוורת.
בשל חמצון קל ומהיר של נתרן, הוא מאוחסן מתחת לשכבת נפט או פרפין, ועדיף, שכן כמות מסוימת של אוויר עדיין מתמוססת בנפט וחמצון נתרן, אם כי לאט, עדיין מתרחש.
נתרן יכול לתת תרכובת עם מימן - NaH הידריד, שבה הוא מציג מצב חמצון של - 1. זוהי תרכובת דמוית מלח, השונה מההידרידים הנדיפים של היסודות של תת הקבוצות העיקריות של קבוצות IV-VII על ידי אופי הקשר הכימי וגודל מצב החמצון.
נתרן מתכתי יכול להגיב לא רק עם חמצן ומימן, אלא גם עם הרבה חומרים פשוטים ומורכבים. לדוגמה, כאשר משפשפים במכתש עם גופרית, נתרן מגיב איתו באלימות ויוצר:
2Na + S = Na2S
התגובה מלווה בהבזקים ולכן יש להרחיק את המרגמה מהעיניים ולעטוף את היד במגבת. לתגובה, יש לקחת חתיכות קטנות של נתרן.
נתרן נשרף בחוזקה בכלור ליצירת נתרן כלורי, שעדיף לראות אותו במיוחד בשפופרת של סידן כלוריד, בה עובר זרם של כלור דרך נתרן מותך ומחומם מאוד:
2Na + Сl2 = 2NaCl
נתרן מגיב לא רק עם חומרים פשוטים, אלא גם עם חומרים מורכבים, למשל, עם מים, ונעקר מהם, מכיוון שהוא מתכת פעילה מאוד, הוא נמצא הרבה משמאל למימן בסדרת מתחים ועוקר את האחרון בקלות מים:
2Na + 2Н2O = 2NaOH + H2
לא ניתן לכבות מתכת אלקלית שהוצתה במים. עדיף למלא אותו באבקת סודה. בנוכחות נתרן, הלהבה חסרת הצבע של מבער גז הופכת לצהובה.
מתכת נתרן יכולה לשמש כזרז בסינתזה אורגנית, למשל בייצור גומי סינטטי מבוטאדיאן. הוא משמש כחומר מוצא לייצור תרכובות נתרן אחרות, כגון נתרן חמצן.
■ 27. באמצעות משוואות התגובה המפורטות בטקסט עבור תגובות הכוללות נתרן מתכתי, הוכיחו שהוא מתנהג כמו חומר מפחית.
28. מדוע לא ניתן לאגור נתרן באוויר?
29. תלמיד טבל חתיכת נתרן בתמיסת נחושת גופרתית, בתקווה לעקור את המתכת מהמלח. במקום מתכת אדומה התקבל משקע כחול ג'לטיני. תאר את התגובות שהתרחשו וכתוב את המשוואות שלהן בצורה מולקולרית ויונית. כיצד יש לשנות את תנאי התגובה על מנת שהתגובה תוביל לתוצאה הרצויה? כתבו את המשוואות בצורות יוניות מולקולריות, מלאות ומקוצרות.
30. 2.3 גרם נתרן מתכתי הוכנסו לכלי עם 45 מ"ל מים. מהי הסודה קאוסטית שנוצרת בסוף התגובה.
31. באילו אמצעים ניתן להשתמש לכיבוי שרפת נתרן? תן תשובה מנומקת.
תרכובות חמצן של נתרן. נתרן הידרוקסידי
תרכובות חמצן של נתרן, כפי שכבר הוזכר, הן תחמוצת נתרן Na2O ונתרן מי חמצן Na2O2.
תחמוצת נתרן Na2O אינה בעלת חשיבות מיוחדת. הוא מגיב בעוצמה עם מים, ויוצר סודה קאוסטית:
Na2O + H2O = 2NaOH
סודיום מי חמצן Na202 היא אבקה צהבהבה. זה יכול להיחשב כמעין מלח של מי חמצן, כי המבנה שלו זהה לזה של H2O2. כמו, נתרן חמצן הוא חומר החמצון החזק ביותר. תחת פעולת המים, הוא יוצר אלקלי ו:
Na2O2 + H2O = H2O2 + 2NaOH
הוא נוצר גם על ידי פעולת חומצות מדוללות על נתרן מי חמצן:
Na2O2 + H2SO4 = H2O2 + Na2SO4
כל המאפיינים לעיל של נתרן חמצן מאפשרים להשתמש בו להלבנת כל החומרים האפשריים.
אורז. 77. תכנית התקנה לאלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלורי. 1 - אנודה; 2 - דיאפרגמה המפרידה בין חלל האנודה והקתודה; 3 - קתודה
תרכובת נתרן חשובה מאוד היא סודיום הידרוקסיד, או נתרן הידרוקסיד, NaOH. זה נקרא גם סודה קאוסטית, או פשוט קאוסטית.
כדי להשיג סודה קאוסטית, משתמשים במלח שולחן - תרכובת הנתרן הטבעית הזולה ביותר, הנותנת אותה לאלקטרוליזה, אך במקרה זה, לא משתמשים בהמסה, אלא בתמיסת מלח (איור 77). לתיאור תהליך האלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלורי, ראה § 33. באיור. 77 מראה כי חללי האנודה והקתודה מופרדים על ידי דיאפרגמה. זה נעשה כדי שהמוצרים המתקבלים לא יתקשרו זה עם זה, למשל, Cl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + H2O.
סודה קאוסטית היא מוצק גבישי לבן, מסיס מאוד במים. כאשר סודה קאוסטית מומסת במים, משתחררת כמות גדולה של חום והתמיסה חמה מאוד. יש לאחסן סודה קאוסטית במיכלים סגורים היטב כדי להגן עליה מפני חדירת אדי מים, שתחת פעולתם היא עלולה להירטב מאוד, וכן פחמן דו חמצני, שבהשפעת הסודה קאוסטית יכולה להפוך בהדרגה לנתרן פחמתי. :
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.
סודה קאוסטית היא אלקלית טיפוסית, כך שאמצעי הזהירות לעבודה איתה זהים לעבודה עם כל אלקליות אחרות.
סודה קאוסטית משמשת בתעשיות רבות, למשל לטיהור מוצרי נפט, ייצור סבון משומנים, בתעשיית הנייר, בייצור סיבים וצבעים מלאכותיים, בייצור תרופות ועוד (איור 1). 78).
רשום במחברת את אזורי היישום של סודה קאוסטית.
מבין מלחי הנתרן יש לציין קודם כל מלח שולחן NaCl המשמש כחומר הגלם העיקרי לייצור סודה קאוסטית ונתרן מתכתי (פירוט על מלח זה ראה עמ' 164), סודה Na2CO3 (ראה עמ' 278), Na2SO4 (ראה עמ' 224), NaNO3 (ראה עמ' 250) וכו'.
אורז. 78. שימוש בסודה קאוסטית
■ 32. תאר שיטה לייצור סודה קאוסטית על ידי אלקטרוליזה של מלח רגיל.
33. ניתן להשיג סודה קאוסטית על ידי פעולת סיד מושפל על נתרן קרבונט. חבר את הצורות המולקולריות והיוניות של המשוואה לתגובה זו, וחשב גם כמה סודה המכילה 95% קרבונט תידרש להפקת 40 ק"ג של נתרן הידרוקסיד.
34. מדוע, כאשר תמיסת סודה קאוסטית מאוחסנת בבקבוקים עם פקקים טחונים, הפקקים "נדבקים" ולא ניתן להסירם? אם, עם זאת, במשך זמן מה להחזיק את הבקבוק הפוך במים, אז הפקק מוסר בחופשיות. הסבירו, על ידי מתן משוואות התגובה, איזה סוג של תהליכים מתרחשים במקרה זה.
35. כתבו את משוואות התגובה בצורות מולקולריות ויוניות המאפיינות את תכונות הסודה קאוסטית כאלקלי טיפוסי.
36. באילו אמצעי זהירות יש לנקוט בעבודה עם סודה קאוסטית? אילו אמצעי עזרה ראשונה יש לספק לכוויות עם סודה קאוסטית?
אֶשׁלָגָן
אשלגן K היא גם מתכת אלקלית נפוצה למדי, השונה מהנתרן ברדיוס האטומי שלה (תקופה רביעית) ולכן יש לה פעילות כימית גדולה יותר מהנתרן. התצורה האלקטרונית של אטום האשלגן היא 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1.
מבנה שכבת האלקטרונים החיצונית שלו
אשלגן הוא מתכת רכה החותכת היטב עם סכין. כדי למנוע חמצון, הוא, כמו נתרן, מאוחסן מתחת לשכבת נפט.
עם מים, אשלגן מגיב אפילו יותר באלימות מאשר נתרן, עם היווצרות של אלקלי ועם שחרור מימן, שמתלקח:
2K + 2H2O = 2KOH + H2.
כאשר נשרף בחמצן (מומלץ לקחת חתיכות מתכת קטנות אפילו יותר לשריפה מאשר לשריפת נתרן), הוא, כמו נתרן, נשרף בעוצמה רבה עם היווצרות אשלגן חמצן.
יש לציין כי אשלגן מסוכן הרבה יותר במחזור מאשר נתרן. פיצוץ חזק יכול להתרחש גם בעת חיתוך אשלגן, אז אתה צריך לטפל בזה אפילו יותר.
אשלגן הידרוקסיד, או אשלג קאוסטי KOH, הוא חומר גבישי לבן. אשלג קאוסטית דומה מכל הבחינות לסודה קאוסטית. הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הסבון, אבל הייצור שלהם הוא קצת יותר יקר, כך שהוא לא מוצא יישום כזה כמו NaOH.
יש לציין במיוחד מלחי אשלגן, שכן חלקם נמצאים בשימוש נרחב כדשן. אלו הם אשלגן כלורי KCl, אשלגן חנקתי KNO3, שהוא גם דשן חנקן.
■ 37. כיצד להסביר את העובדה שהאשלג קאוסטי פעיל יותר מבחינה כימית מסודה קאוסטית?
38. חתיכת אשלגן נטבלה במגבש עם מים. לאחר סיום התגובה, הונח מעט אבץ בצורת משקע ג'לטיני לבן. המשקע נעלם, וכאשר התמיסה נבדקה עם פנולפתלין, האחרון הפך לארגמן. אילו תהליכים כימיים התרחשו כאן?
מה 34
אלקלי מתכות
מתכות אלקליות כוללות יסודות מהקבוצה הראשונה, תת-הקבוצה העיקרית: ליתיום, נתרן, אשלגן, רובידיום, צסיום, פרנסיום.להמצא בטֶבַע
Na-2.64% (לפי מסה), K-2.5% (לפי מסה), Li, Rb, Cs - הרבה פחות, Fr - יסוד שהתקבל באופן מלאכותי
לי
Li 2 O Al 2 O 3 4SiO 2 - spodumene
לא
NaCl - מלח שולחן (מלח סלעים), הליט
Na 2 SO 4 10H 2 O - מלח גלאובר (mirabilite)
NaNO 3 - מלפטר צ'יליאני
Na 3 AlF 6 - קריוליט
Na 2 B 4 O 7 10H 2 O - בורקס
ק
KCl NaCl - סילביניט
KCl MgCl 2 6H 2 O - קרנליט
K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 - פלדספאר (אורתוקלאז)
תכונות של מתכות אלקליות
ככל שהמספר האטומי עולה, הרדיוס האטומי גדל, היכולת לתרום אלקטרונים ערכיים עולה, ופעילות ההפחתה עולה:
תכונות גשמיות
נקודות התכה נמוכות, צפיפות נמוכה, רכה, חתוכה בסכין.
תכונות כימיות
מתכות אופייניות, חומרים מצמצמים חזקים מאוד. בתרכובות, הם מציגים מצב חמצון יחיד +1. הכוח המפחית גדל עם הגדלת המסה האטומית. כל התרכובות הינן יוניות בטבען, כמעט כולן מסיסות במים. הידרוקסידים R-OH הם אלקליים, החוזק שלהם עולה עם עלייה במסה האטומית של המתכת.
הם נדלקים באוויר בחימום מתון. עם מימן הם יוצרים הידרידים דמויי מלח. מוצרי בעירה הם לרוב פרוקסידים.
יכולת ההפחתה עולה בסדרת Li–Na–K–Rb–Cs
1. אינטראקציה פעילה עם מים:
2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2
2. תגובה עם חומצות:
2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2
3. תגובה עם חמצן:
4Li + O 2 → 2Li 2 O (תחמוצת ליתיום)
2Na + O 2 → Na 2 O 2 (נתרן מי חמצן)
K + O 2 → KO 2 (אשלגן סופראוקסיד)
באוויר, מתכות אלקליות מתחמצנות באופן מיידי. לכן, הם מאוחסנים מתחת לשכבה של ממיסים אורגניים (קרוסין וכו').
4. בתגובות עם לא-מתכות אחרות נוצרות תרכובות בינאריות:
2Li + Cl 2 → 2LiCl (הלידים)
2Na + S → Na 2 S (סולפידים)
2Na + H 2 → 2NaH (הידרידים)
6Li + N 2 → 2Li 3 N (ניטרידים)
2Li + 2C → Li 2 C 2 (קרבידים)
5. תגובה איכותית לקטיונים מתכת אלקלי היא צביעת הלהבה בצבעים הבאים:
Li + - אדום קרמין
Na + - צהוב
K + , Rb + ו- Cs + - סגול
קַבָּלָה
כי מתכות אלקליות הן חומרי ההפחתה החזקים ביותר, ניתן לשחזר אותן מתרכובות רק על ידי אלקטרוליזה של מלחים מותכים:
2NaCl=2Na+Cl 2
יישום של מתכות אלקליות
ליתיום - סגסוגות נושאות, זרז
נתרן - מנורות פריקת גז, נוזל קירור בכורים גרעיניים
רובידיום - עבודת מחקר
צזיום - תאי פוטו
תחמוצות מתכת אלקליות, פרוקסידים וסופראוקסידים
קַבָּלָה
חמצון של המתכת מייצר רק תחמוצת ליתיום
4Li + O 2 → 2Li 2 O
(במקרים אחרים מתקבלים פרוקסידים או סופראוקסידים).
כל התחמוצות (למעט Li 2 O) מתקבלות על ידי חימום תערובת של מי חמצן (או סופראוקסיד) עם עודף מתכת:
Na 2 O 2 + 2Na → 2Na 2 O
KO 2 + 3K → 2K 2 O
מתכות אלקליות כוללות מתכות מקבוצה IA של הטבלה המחזורית של D.I. מנדלייב - ליתיום (Li), נתרן (Na), אשלגן (K), רובידיום (Rb), צסיום (Cs) ופרנציום (Fr). לרמת האנרגיה החיצונית של מתכות אלקליות יש אלקטרון ערכיות אחד. התצורה האלקטרונית של רמת האנרגיה החיצונית של מתכות אלקליות היא ns 1. בתרכובות שלהם, הם מציגים מצב חמצון יחיד השווה ל-+1. ב-OVR הם סוכני צמצום, כלומר. לתרום אלקטרון.
תכונות פיזיקליות של מתכות אלקליות
כל המתכות האלקליות קלות (בעלות צפיפות נמוכה), רכות מאוד (למעט Li, הן נחתכות בקלות בסכין וניתן לגלגל אותן לנייר כסף), בעלות נקודות רתיחה והתכה נמוכות (עם עלייה במטען של הגרעין של אטום מתכת אלקלי, נקודת ההיתוך יורדת).
במצב החופשי, Li, Na, K ו-Rb הן מתכות לבנות כסוף, Cs היא מתכת צהובה-זהובה.
מתכות אלקליות מאוחסנות באמפולות אטומות מתחת לשכבה של שמן נפט או וזלין, מכיוון שהן תגובתיות גבוהה.
למתכות אלקליות מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה, הנובעת מנוכחות של קשר מתכתי וסריג קריסטל במרכז הגוף.
השגת מתכות אלקליות
ניתן להשיג את כל המתכות האלקליות על ידי אלקטרוליזה של נמס המלחים שלהן, אולם בפועל, רק Li ו-Na מתקבלים בדרך זו, הקשורה לפעילות הכימית הגבוהה של K, Rb, Cs:
2LiCl \u003d 2Li + Cl 2
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2
ניתן להשיג כל מתכת אלקלית על ידי הפחתת ההליד המקביל (כלוריד או ברומיד), באמצעות Ca, Mg או Si כחומרים מפחיתים. התגובות מתבצעות תחת חימום (600 - 900C) ותחת ואקום. המשוואה להשגת מתכות אלקליות בצורה זו בצורה כללית:
2MeCl + Ca \u003d 2Me + CaCl 2,
שבו אני הוא מתכת.
שיטה ידועה להפקת ליתיום מהתחמוצת שלו. התגובה מתבצעת בחימום ל-300 מעלות צלזיוס ותחת ואקום:
2Li 2 O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2 SiO 4
קבלת אשלגן אפשרית על ידי התגובה בין אשלגן הידרוקסיד מותך ונתרן נוזלי. התגובה מתבצעת בחימום ל-440 מעלות צלזיוס:
KOH + Na = K + NaOH
תכונות כימיות של מתכות אלקליות
כל המתכות האלקליות מקיימות אינטראקציה פעילה עם מים ויוצרות הידרוקסידים. בשל הפעילות הכימית הגבוהה של מתכות אלקליות, התגובה של אינטראקציה עם מים עלולה להיות מלווה בפיצוץ. ליתיום מגיב בצורה הכי רגועה עם מים. משוואת התגובה בצורה כללית:
2Me + H 2 O \u003d 2MeOH + H 2
שבו אני הוא מתכת.
מתכות אלקליות מקיימות אינטראקציה עם חמצן אטמוספרי ויוצרות מספר תרכובות שונות - תחמוצות (Li), פרוקסידים (Na), סופראוקסידים (K, Rb, Cs):
4Li + O 2 = 2Li 2 O
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2
כל המתכות האלקליות, כשהן מחוממות, מגיבות עם לא-מתכות (הלוגנים, חנקן, גופרית, זרחן, מימן וכו'). לדוגמה:
2Na + Cl 2 \u003d 2NaCl
6Li + N 2 = 2Li 3 N
2Li + 2C \u003d Li 2 C 2
2Na + H2 = 2NaH
מתכות אלקליות מסוגלות ליצור אינטראקציה עם חומרים מורכבים (תמיסות של חומצות, אמוניה, מלחים). לכן, כאשר מתכות אלקליות מקיימות אינטראקציה עם אמוניה, נוצרים אמידים:
2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2
האינטראקציה של מתכות אלקליות עם מלחים מתרחשת על פי העיקרון הבא - הן מחליפות מתכות פחות פעילות (ראה סדרת הפעילות של מתכות) מהמלחים שלהן:
3Na + AlCl 3 = 3NaCl + Al
האינטראקציה של מתכות אלקליות עם חומצות היא מעורפלת, שכן במהלך תגובות כאלה המתכת תגיב בתחילה עם מי התמיסה החומצית, והאלקלי הנוצר כתוצאה מאינטראקציה זו יגיב עם החומצה.
מתכות אלקליות מגיבות עם חומרים אורגניים כגון אלכוהול, פנולים, חומצות קרבוקסיליות:
2Na + 2C 2 H 5 OH \u003d 2C 2 H 5 ONa + H 2
2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2
2Na + 2CH 3 COOH = 2CH 3 COONa + H 2
תגובות איכותיות
תגובה איכותית למתכות אלקליות היא צביעת הלהבה על ידי הקטיונים שלהן: Li + צובע את הלהבה באדום, Na + צהוב, ו- K + , Rb + , Cs + סגול.
דוגמאות לפתרון בעיות
דוגמה 1
| תרגיל | בצע טרנספורמציות כימיות Na → Na 2 O → NaOH → Na 2 SO 4 |
| פִּתָרוֹן | 4Na + O 2 →2Na 2 O אלה הם היסודות של קבוצה I של המערכת המחזורית: ליתיום (Li), נתרן (Na), אשלגן (K), רובידיום (Rb), צסיום (Cs), פרנציום (Fr); רך מאוד, רקיע, מתיך וקל, בדרך כלל לבן כסוף; פעיל מאוד מבחינה כימית; להגיב באלימות עם מים ליצירת אלקליות(מאיפה השם).
יכולת ההפחתה עולה בסדרות ––Li–Na–K–Rb–Cs. כל תרכובות המתכת האלקליות הן יוניות בטבען. כמעט כל המלחים מסיסים במים. נקודות התכה נמוכות, ערכים קטנים של צפיפות, רך, לחתוך בסכין בשל פעילותם, מתכות אלקליות מאוחסנות מתחת לשכבת נפט כדי לחסום את הגישה לאוויר ולחות. ליתיום קל מאוד וצף אל פני השטח בנפט, ולכן הוא מאוחסן מתחת לשכבה של ג'לי נפט. תכונות כימיות של מתכות אלקליות1. מתכות אלקליות מקיימות אינטראקציה פעילה עם מים:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2 2. תגובה של מתכות אלקליות עם חמצן:4Li + O 2 → 2Li 2 O (תחמוצת ליתיום) 2Na + O 2 → Na 2 O 2 (נתרן מי חמצן) K + O 2 → KO 2 (אשלגן סופראוקסיד) באוויר, מתכות אלקליות מתחמצנות באופן מיידי. לכן, הם מאוחסנים מתחת לשכבה של ממיסים אורגניים (קרוסין וכו'). 3. בתגובות של מתכות אלקליות עם אחרות שאינן מתכות, נוצרות תרכובות בינאריות:2Li + Cl 2 → 2LiCl (הלידים) 2Na + S → Na 2 S (סולפידים) 2Na + H 2 → 2NaH (הידרידים) 6Li + N 2 → 2Li 3 N (ניטרידים) 2Li + 2C → Li 2 C 2 (קרבידים) 4. תגובה של מתכות אלקליות עם חומצות(מתבצע לעתים רחוקות, יש תגובה מתחרה עם מים): 2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2 5. אינטראקציה של מתכות אלקליות עם אמוניה(נוצר נתרן אמיד): 2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2 6. האינטראקציה של מתכות אלקליות עם אלכוהולים ופנולים, אשר במקרה זה מציגים תכונות חומציות:2Na + 2C 2 H 5 OH \u003d 2C 2 H 5 ONa + H 2; 2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2 ; 7. תגובה איכותית לקטיונים מתכת אלקלית - צביעת הלהבה בצבעים הבאים:Li + - אדום קרמין Na + - צהוב K + , Rb + ו- Cs + - סגול השגת מתכות אלקליותמתכת ליתיום, נתרן ואשלגן לְקַבֵּלאלקטרוליזה של מלחים מותכים (כלורידים), ורובידיום וצסיום - הפחתה בוואקום כאשר הכלורידים שלהם מחוממים עם סידן: 2CsCl + Ca \u003d 2Cs + CaCl 2 2NaCl + CaC 2 \u003d 2Na + CaCl 2 + 2C; מתכות אלקליות פעילות משתחררות בתהליכים תרמיים ואקום בשל נדיפותן הגבוהה (האדים שלהן מוסרים מאזור התגובה).
התצורה האלקטרונית של אטום הליתיום היא 1s 2 2s 1. יש לו את הרדיוס האטומי הגדול ביותר בתקופה השנייה, מה שמקל על ניתוק האלקטרון הערכיות והופעת היון Li + עם תצורת גז אינרטי (הליום) יציב. לכן, התרכובות שלו נוצרות עם העברה של אלקטרון מליתיום לאטום אחר והתרחשות של קשר יוני עם כמות קטנה של קוולנטיות. ליתיום הוא יסוד מתכתי טיפוסי. בצורת החומר, זוהי מתכת אלקלית. הוא נבדל משאר חברי הקבוצה I בגודלו הקטן ובפעילות הקטנה ביותר בהשוואה אליהם. מבחינה זו, הוא דומה ליסוד קבוצה II, מגנזיום, הממוקם באלכסון מ-Li. בתמיסות, היון Li + מומס מאוד; הוא מוקף בכמה עשרות מולקולות מים. ליתיום, מבחינת אנרגיית הממס - תוספת של מולקולות ממס, קרובה יותר לפרוטון מאשר לקטיונים של מתכת אלקלית. הגודל הקטן של יון Li+, המטען הגרעיני הגבוה ורק שני אלקטרונים יוצרים תנאים להופעת שדה מטען חיובי משמעותי למדי סביב החלקיק הזה, ולכן, בתמיסות, נמשכות אליו מספר לא מבוטל של מולקולות ממס קוטביות. מספר הקואורדינציה שלו גדול, המתכת מסוגלת ליצור מספר משמעותי של תרכובות אורגנוליתיום. נתרן מתחיל את התקופה השלישית, אז יש לו רק 1e ברמה החיצונית - , תופס את מסלול ה-3s. הרדיוס של אטום Na הוא הגדול ביותר בתקופה השלישית. שתי תכונות אלו קובעות את אופי האלמנט. התצורה האלקטרונית שלו היא 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . מצב החמצון היחיד של נתרן הוא +1. האלקטרושליליות שלו קטנה מאוד, לכן נתרן קיים בתרכובות רק בצורה של יון טעון חיובי ונותן לקשר הכימי אופי יוני. גודלו של יון Na+ גדול בהרבה מLi+, והפתרון שלו אינו כה גדול. עם זאת, זה לא קיים בצורה חופשית בפתרון. המשמעות הפיזיולוגית של יוני K + ו- Na + קשורה לכושר הספיגה השונה שלהם על פני המרכיבים המרכיבים את קרום כדור הארץ. תרכובות נתרן נספגות רק מעט, בעוד תרכובות אשלגן נשמרות חזק על ידי חימר וחומרים אחרים. קרומי התא, בהיותם ממשק התא-סביבה, חדירות ליוני K+, כתוצאה מכך הריכוז התוך תאי של K+ גבוה בהרבה מזה של יוני Na+. יחד עם זאת, ריכוז Na + בפלסמת הדם עולה על תכולת האשלגן בה. נסיבות אלו קשורות להופעת פוטנציאל הממברנה של תאים. יונים K + ו- Na + - אחד המרכיבים העיקריים של השלב הנוזלי של הגוף. היחס שלהם עם יוני Ca 2+ מוגדר בקפדנות, וההפרה שלו מובילה לפתולוגיה. להחדרת יוני Na + לגוף אין השפעה מזיקה ניכרת. עלייה בתכולת יוני K+ מזיקה, אך בתנאים רגילים, עלייה בריכוז שלה לעולם לא מגיעה לערכים מסוכנים. ההשפעה של יוני Rb + , Cs + , Li + עדיין לא נחקרה מספיק. מבין הנגעים השונים הקשורים לשימוש בתרכובות מתכת אלקליות, כוויות עם תמיסות הידרוקסיד הן הנפוצות ביותר. פעולתם של אלקליות קשורה לפירוק חלבוני העור בהם ולהיווצרות אלבומינאטים אלקליין. אלקלי משתחרר שוב כתוצאה מההידרוליזה שלהם ופועל על השכבות העמוקות יותר של הגוף, וגורם להופעת כיבים. ציפורניים תחת השפעת אלקליות הופכות עמומות ושבירות. נזק לעיניים, אפילו עם תמיסות אלקליות מדוללות מאוד, מלווה לא רק בהרס שטחי, אלא בהפרות של חלקים עמוקים יותר של העין (קשתית העין) ומוביל לעיוורון. במהלך ההידרוליזה של אמידים מתכת אלקליים, אלקלי ואמוניה נוצרים בו זמנית, מה שגורם לטרכאוברונכיטיס מסוג פיבריני ולדלקת ריאות. אשלגן הושג על ידי G. Davy כמעט בו זמנית עם נתרן בשנת 1807 במהלך האלקטרוליזה של אשלגן הידרוקסיד רטוב. משמה של תרכובת זו - "אשלג קאוסטי" והיסוד קיבל את שמו. תכונות האשלגן שונות באופן ניכר מתכונות הנתרן, בשל ההבדל ברדיוסים של האטומים והיונים שלהם. בתרכובות אשלגן הקשר הוא יותר יוני, ובצורת יון K+ יש לו השפעה מקטבת פחותה מהנתרן, בשל גודלו הגדול. התערובת הטבעית מורכבת משלושה איזוטופים 39 K, 40 K, 41 K. אחד מהם הוא 40 K ‑ הוא רדיואקטיבי וחלק מסוים מהרדיואקטיביות של מינרלים ואדמה קשורה לנוכחות של איזוטופ זה. זמן מחצית החיים שלו ארוך - 1.32 מיליארד שנים. קביעת נוכחות אשלגן בדגימה היא די קלה: אדי המתכת והתרכובות שלה הופכים את הלהבה לסגול-אדום. הספקטרום של היסוד די פשוט ומוכיח את נוכחותו של 1e - על מסלול ה-4s. המחקר בו שימש כאחד העילות למציאת תבניות כלליות במבנה הספקטרום. בשנת 1861 גילה רוברט בונסן יסוד חדש בזמן שחקר את המלח של מעיינות מינרלים על ידי ניתוח ספקטרלי. נוכחותו הוכחה על ידי קווים אדומים כהים בספקטרום, שאלמנטים אחרים לא נתנו. לפי צבע הקווים הללו, היסוד נקרא רובידיום (רובידוס-אדום כהה). בשנת 1863, ר' בונסן השיג מתכת זו בצורתה הטהורה על ידי הפחתת רובידיום טרטרט (מלח אבנית) עם פיח. תכונה של היסוד היא ריגוש קל של האטומים שלו. פליטת אלקטרונים ממנו מופיעה תחת פעולתן של קרניים אדומות של הספקטרום הנראה לעין. זה נובע מהבדל קטן באנרגיות של האורביטלים האטומיים 4d ו-5s. מכל היסודות האלקליים בעלי איזוטופים יציבים, לרובידיום (כמו צסיום) יש את אחד הרדיוסים האטומיים הגדולים ביותר ופוטנציאל יינון נמוך. פרמטרים כאלה קובעים את אופי היסוד: אלקטרופוזיטיביות גבוהה, פעילות כימית קיצונית, נקודת התכה נמוכה (39 0 C) ועמידות נמוכה להשפעות חיצוניות. גילוי הצזיום, כמו רובידיום, קשור לניתוח ספקטרלי. בשנת 1860 גילה ר' בונסן שני קווים כחולים עזים בספקטרום שלא היו שייכים לשום יסוד הידוע באותה תקופה. מכאן השם "קסיוס" (caesius), שפירושו כחול שמיים. זהו היסוד האחרון של תת-קבוצת המתכות האלקליות שעדיין נמצא בכמויות ניתנות למדידה. הרדיוס האטומי הגדול ביותר ופוטנציאל היינון הראשון הקטן ביותר קובעים את הטבע וההתנהגות של יסוד זה. יש לו אלקטרופוזיטיביות בולטת ואיכויות מתכתיות בולטות. הרצון לתרום את האלקטרון 6s החיצוני מוביל לכך שכל התגובות שלו מתרחשות בצורה אלימה ביותר. הבדל קטן באנרגיות של האורביטלים האטומיים 5d ו-6s אחראי לעוררות הקלה של האטומים. פליטה אלקטרונית בצסיום נצפית תחת פעולתן של קרני אינפרא אדום בלתי נראות (תרמיות). תכונה זו של המבנה האטומי קובעת את המוליכות החשמלית הטובה של הזרם. כל זה הופך את הצזיום לחיוני במכשירים אלקטרוניים. לאחרונה ניתנה יותר ויותר תשומת לב לפלסמה צזיום כדלק לעתיד ובקשר לפתרון בעיית ההיתוך התרמו-גרעיני. באוויר, ליתיום מגיב באופן פעיל לא רק עם חמצן, אלא גם עם חנקן ומכוסה בסרט המורכב מלי 3 N (עד 75%) ו- Li 2 O. המתכות האלקליות הנותרות יוצרות פרוקסידים (Na 2 O 2) ו סופראוקסידים (K 2 O 4 או KO 2). החומרים הבאים מגיבים עם מים: Li 3 N + 3 H 2 O \u003d 3 LiOH + NH 3; Na 2 O 2 + 2 H 2 O \u003d 2 NaOH + H 2 O 2; K 2 O 4 + 2 H 2 O \u003d 2 KOH + H 2 O 2 + O 2. לחידוש אוויר בצוללות ובחלליות, במסכות גז מבודדות ובמכשירי נשימה של שחיינים קרביים (חבלני צוללות), נעשה שימוש בתערובת של "אוקסון": Na 2 O 2 + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + 0.5 O 2; K 2 O 4 + CO 2 \u003d K 2 CO 3 + 1.5 O 2. זהו כיום המילוי הסטנדרטי של מחסניות רגנרציה למסכות גז בידודיות לכבאים. ליתיום הידריד משמש כחומר מפחית חזק. הידרוקסידיםמתכות אלקליות פוגעות בכלי זכוכית ופורצלן, לא ניתן לחמם אותן בכלי קוורץ: SiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + H 2 O. הידרוקסידים של נתרן ואשלגן אינם מתפצלים מים כאשר הם מתחממים עד לנקודת הרתיחה שלהם (יותר מ-1300 0 C). כמה תרכובות נתרן נקראות סודה: א) סודה, סודה נטולת מים, סודה לכביסה או סתם סודה - נתרן קרבונט Na 2 CO 3; |
כל המתכות האלקליות פעילות במיוחד, מפגינות תכונות מפחיתות בכל התגובות הכימיות, מוותרות על אלקטרון הערכיות היחיד שלהן, הופכות לקטיון טעון חיובי ומציגות מצב חמצון יחיד +1.
