Iš visos periodinės sistemos dauguma elementų atstovauja metalų grupei. amfoteriniai, pereinamieji, radioaktyvūs – jų labai daug. Visi metalai atlieka didžiulį vaidmenį ne tik gamtoje ir žmogaus biologiniame gyvenime, bet ir įvairiose pramonės šakose. Nenuostabu, kad XX amžius buvo vadinamas „geležimi“.
Metalai: bendrosios charakteristikos
Visi metalai turi bendrų cheminių ir fizinių savybių, todėl juos lengva atskirti nuo nemetalų. Taigi, pavyzdžiui, kristalinės gardelės struktūra leidžia jiems būti:
- elektros srovės laidininkai;
- geri šilumos laidininkai;
- kaliojo ir plastikinio;
- stiprus ir blizgus.
Žinoma, tarp jų yra skirtumų. Vieni metalai šviečia sidabrine spalva, kiti – matesne balta, treti – apskritai raudona ir geltona. Taip pat skiriasi šilumos ir elektros laidumas. Tačiau nepaisant to, šie parametrai yra bendri visiems metalams, o nemetalai turi daugiau skirtumų nei panašumų.
Pagal cheminę prigimtį visi metalai yra reduktorius. Priklausomai nuo reakcijos sąlygų ir specifinių medžiagų, jie gali veikti ir kaip oksidatoriai, tačiau retai. Gali sudaryti daugybę medžiagų. Cheminiai metalų junginiai gamtoje randami dideliais kiekiais rūdos ar mineralų, mineralų ir kitų uolienų sudėtyje. Laipsnis visada teigiamas, jis gali būti pastovus (aliuminis, natris, kalcis) arba kintamas (chromas, geležis, varis, manganas).
Daugelis jų yra plačiai naudojami kaip statybinės medžiagos ir naudojamos įvairiose mokslo ir technologijų srityse.
Cheminiai metalų junginiai
Tarp jų reikėtų paminėti kelias pagrindines medžiagų klases, kurios yra metalų sąveikos su kitais elementais ir medžiagomis produktai.
- Oksidai, hidridai, nitridai, silicidai, fosfidai, ozonidai, karbidai, sulfidai ir kiti - dvejetainiai junginiai su nemetalais, dažniausiai priklauso druskų klasei (išskyrus oksidus).
- Hidroksidai – bendroji formulė yra Me + x (OH) x.
- Druska. Metalų junginiai su rūgštinėmis liekanomis. Gali skirtis:
- vidutinė;
- rūgštus;
- dvigubas;
- pagrindinis;
- kompleksas.
4. Metalų junginiai su organinėmis medžiagomis – organometalinės struktūros.
5. Metalų junginiai tarpusavyje – lydiniai, kurie gaunami įvairiais būdais.
Metalo prijungimo galimybės
Medžiagos, kuriose vienu metu gali būti dviejų ar daugiau skirtingų metalų, skirstomos į:
- lydiniai;
- dvigubos druskos;
- sudėtingi junginiai;
- intermetalikai.
Skiriasi ir metalų sujungimo tarpusavyje būdai. Pavyzdžiui, lydiniams gauti naudojamas gauto produkto lydymo, maišymo ir kietėjimo būdas.
Tarpmetaliniai junginiai susidaro dėl tiesioginių cheminių reakcijų tarp metalų, dažnai įvykstančių sprogimo metu (pavyzdžiui, cinkas ir nikelis). Tokiems procesams reikalingos ypatingos sąlygos: labai aukšta temperatūra, slėgis, vakuumas, deguonies trūkumas ir kt.
Soda, druska, šarmas yra visi šarminių metalų junginiai, randami gamtoje. Jie egzistuoja gryna forma, sudarydami nuosėdas arba yra tam tikrų medžiagų degimo produktų dalis. Kartais jie gaunami laboratorijoje. Tačiau šios medžiagos visada svarbios ir vertingos, nes supa žmogų ir formuoja jo gyvenimą.
Šarminių metalų junginiai ir jų panaudojimas neapsiriboja natriu. Taip pat paplitusios ir populiarios ekonomikos sektoriuose yra tokios druskos kaip:
- kalio chloridas;
- (kalio nitratas);
- kalio karbonatas;
- sulfatas.
Visos jos – vertingos mineralinės trąšos, naudojamos žemės ūkyje.
Šarminiai žemės metalai – junginiai ir jų panaudojimas
Šiai kategorijai priklauso cheminių elementų sistemos pagrindinio pogrupio antrosios grupės elementai. Jų nuolatinė oksidacijos būsena yra +2. Tai yra aktyvūs reduktoriai, kurie lengvai patenka į chemines reakcijas su dauguma junginių ir paprastų medžiagų. Parodykite visas tipines metalų savybes: blizgesį, plastiškumą, šilumos ir elektros laidumą.
Svarbiausi ir dažniausi iš jų yra magnis ir kalcis. Berilis yra amfoterinis, o baris ir radis yra reti elementai. Visi jie gali sudaryti šių tipų jungtis:
- intermetalinis;
- oksidai;
- hidridai;
- dvejetainės druskos (junginiai su nemetalais);
- hidroksidai;
- druskos (dvigubos, kompleksinės, rūgštinės, bazinės, vidutinės).
Apsvarstykite svarbiausius junginius praktiniu požiūriu ir jų pritaikymą.
Magnio ir kalcio druskos
Tokie šarminių žemės metalų junginiai kaip druskos yra svarbūs gyviems organizmams. Juk kalcio druskos yra šio elemento šaltinis organizme. O be jo neįmanomas normalus gyvūnų skeleto, dantų, ragų, kanopų, plaukų ir kailio formavimasis ir pan.
Taigi, labiausiai paplitusi šarminių žemių metalo kalcio druska yra karbonatas. Kiti jo pavadinimai yra:
- marmuras;
- kalkakmenis;
- dolomitas.
Jis naudojamas ne tik kaip kalcio jonų tiekėjas gyvam organizmui, bet ir kaip statybinė medžiaga, žaliava chemijos pramonei, kosmetikos pramonėje, stiklui ir pan.
Taip pat svarbūs yra šarminių žemių metalų junginiai, tokie kaip sulfatai. Pavyzdžiui, bario sulfatas (medicininis pavadinimas „barito košė“) naudojamas rentgeno diagnostikoje. Kalcio sulfatas kristalinio hidrato pavidalu yra gamtoje randamas gipsas. Jis naudojamas medicinoje, statyboje, štampavimo liejiniuose.
Fosforas iš šarminių žemių metalų
Šios medžiagos žinomos nuo viduramžių. Anksčiau jie buvo vadinami fosforais. Šis pavadinimas tebegyvena ir šiandien. Pagal savo pobūdį šie junginiai yra magnio, stroncio, bario, kalcio sulfidai.
Atliekant tam tikrą apdorojimą, jie gali parodyti fosforescines savybes, o švytėjimas yra labai gražus, nuo raudonos iki ryškiai violetinės. Tai naudojama kelio ženklų, darbo drabužių ir kitų dalykų gamyboje.
Sudėtingi junginiai
Medžiagos, kuriose yra du ar daugiau skirtingų metalinių elementų, yra sudėtingi metalų junginiai. Dažniausiai tai yra gražių ir įvairiaspalvių spalvų skysčiai. Naudojamas analitinėje chemijoje kokybiniam jonų nustatymui.
Tokios medžiagos gali sudaryti ne tik šarminius ir žemės šarminius metalus, bet ir visus kitus. Yra hidroksokompleksai, akvakompleksai ir kt.
Susiekite su s elementų skaičiumi. Šarminio metalo atomo išorinio elektroninio sluoksnio elektronas, palyginti su kitais to paties laikotarpio elementais, yra toliausiai nuo branduolio, t.y. šarminio metalo atomo spindulys yra didžiausias, palyginti su kitų elementų atomų spinduliais. to paties laikotarpio. Dėl
|
Elementas |
Pagrindinis mokestis |
Elektronų skaičius energijos lygiuose |
Atomo spindulys |
||||||
|
K |
L |
M |
N |
O |
P |
K |
|||
|
1,57 1,86 2,36 2,43 2,62 |
|||||||||
dėl to šarminių metalų atomų išorinio sluoksnio valentinis elektronas lengvai nutrūksta, paversdamas juos teigiamais vieno krūvio jonais. Taip yra dėl to, kad šarminių metalų junginiai su kitais elementais yra sudaryti pagal joninio ryšio tipą.
Redokso reakcijose šarmai elgiasi kaip stiprūs reduktoriai, ir šis gebėjimas didėja nuo metalo iki metalo, didėjant atomo branduolio krūviui.
Tarp metalų šarminiai metalai pasižymi didžiausiu cheminiu aktyvumu. Įtampos serijoje visi šarminiai metalai yra serijos pradžioje. Išorinio elektronų sluoksnio elektronas yra vienintelis valentinis elektronas, todėl šarminiai metalai bet kuriuose junginiuose yra vienavalenčiai. Šarminių metalų oksidacijos laipsnis paprastai yra +1.
Šarminių metalų fizinės savybės pateiktos lentelėje. 19.
|
Elementas |
Serijos numeris |
Atominis svoris |
Lydymosi temperatūra, °С |
Virimo temperatūra, °C |
Tankis, g/cm3 |
Skalės kietumas |
|
6,94 22,997 39,1 85,48 132,91 |
38,5 |
1336 |
0,53 0,97 0,86 1,53 |
Tipiški šarminių metalų atstovai yra natris ir kalis.
■ 26. Padarykite bendrą šarminių metalų aprašymą pagal tokį planą:
a) šarminių metalų atomų sandaros panašumai ir skirtumai;
b) šarminių metalų elgsenos redokso reakcijose ypatumai;
c) šarminių metalų junginių kristalinės gardelės tipas;
d) metalų fizikinių savybių kitimo ypatumai priklausomai nuo atomo spindulio.
Natrio
Natrio atomo elektroninė konfigūracija yra ls 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Jo išorinio sluoksnio struktūra:
Natris gamtoje randamas tik druskų pavidalu. Labiausiai paplitusi natrio druska yra valgomoji druska NaCl, taip pat mineralinis silvinitas KCl NaCl ir kai kurios sulfatinės druskos, pavyzdžiui, Glauberio druska Na2SO4 10H2O, kurių dideli kiekiai randami Kaspijos jūros Kara-Bogaz-Gol įlankoje.
Iš paprastosios druskos NaCl natrio metalas gaunamas elektrolizės būdu šios druskos lydalą. Elektrolizės įrenginys parodytas fig. 76. Elektrodai nuleidžiami į išlydytą druską. Anodo ir katodo erdvė yra atskirta diafragma, kuri izoliuoja susidariusią medžiagą nuo natrio, kad nevyktų atvirkštinė reakcija. Teigiamas natrio jonas priima elektroną iš katodo ir tampa neutraliu natrio atomu. Neutralūs natrio atomai surenkami katode išlydyto metalo pavidalu. Katode vykstantis procesas gali būti pavaizduotas tokia diagrama:
Na + + Na 0 .
Kadangi katode yra elektronų priėmimas, o bet koks elektronų priėmimas atomui ar jonui yra redukcija, natrio jonai katode sumažėja. Prie anodo chloro jonai atiduoda elektronus, t.y. vyksta oksidacijos ir laisvųjų medžiagų išsiskyrimo procesas.
chloro dujos, kurias galima pavaizduoti tokia diagrama:
Cl — — e— → Cl 0
Gautas metalinis natris yra sidabriškai baltos spalvos ir lengvai pjaustomas peiliu. Natrio pjūvis, žiūrint iš karto po pjūvio, turi ryškų metalinį blizgesį, tačiau greitai susiblunka dėl itin greitos metalo oksidacijos.
Ryžiai. 76. Išlydytos druskos elektrolizės įrengimo schema. 1 - žiedinis katodas; 2 - varpas dujiniam chlorui pašalinti iš anodo erdvės
Jei natris oksiduojamas nedideliame deguonies kiekyje maždaug 180 ° temperatūroje, gaunamas natrio oksidas:
4Na + O2 = 2Na2O.
Deginant deguonimi, gaunamas natrio peroksidas:
2Na + O2 = Na2O2.
Šiuo atveju natris dega akinančia geltona liepsna.
Dėl lengvos ir greitos natrio oksidacijos jis laikomas po žibalo arba parafino sluoksniu, todėl pageidautina, nes tam tikras oro kiekis vis tiek ištirpsta žibale, o natrio oksidacija, nors ir lėtai, vis tiek vyksta.
Natris gali sudaryti junginį su vandeniliu - NaH hidridą, kurio oksidacijos būsena yra - 1. Tai į druską panašus junginys, kuris skiriasi nuo IV-VII grupių pagrindinių pogrupių elementų lakiųjų hidridų cheminės jungties pobūdis ir oksidacijos būsenos dydis.
Metalinis natris gali reaguoti ne tik su deguonimi ir vandeniliu, bet ir su daugeliu paprastų ir sudėtingų medžiagų. Pavyzdžiui, įtrinant į skiedinį su siera, natris su juo smarkiai reaguoja, sudarydamas:
2Na + S = Na2S
Reakciją lydi blyksniai, todėl skiedinį reikia laikyti toliau nuo akių, o ranką apvynioti rankšluosčiu. Reakcijai reikia paimti nedidelius natrio gabalėlius.
Natris intensyviai dega chlore ir susidaro natrio chloridas, o tai ypač gerai stebėti kalcio chlorido vamzdelyje, kuriame chloro srovė teka per išlydytą ir labai įkaitintą natrį:
2Na + Сl2 = 2NaCl
Natris reaguoja ne tik su paprastomis, bet ir su sudėtingomis medžiagomis, pavyzdžiui, su vandeniu, išstumdamas iš jo, nes tai labai aktyvus metalas, jis yra daug į kairę nuo vandenilio tam tikroje įtampoje ir lengvai išstumia pastarąjį iš. vanduo:
2Na + 2Н2O = 2NaOH + H2
Uždegusio šarminio metalo negalima užgesinti vandeniu. Geriausia jį užpildyti sodos pelenų milteliais. Esant natriui, bespalvė dujų degiklio liepsna pagelsta.
Metalo natris gali būti naudojamas kaip organinės sintezės katalizatorius, pavyzdžiui, gaminant sintetinį kaučiuką iš butadieno. Jis naudojamas kaip pradinė medžiaga gaminant kitus natrio junginius, tokius kaip natrio peroksidas.
■ 27. Naudodami tekste pateiktas reakcijų lygtis reakcijoms, kuriose dalyvauja metalinis natris, įrodykite, kad jis veikia kaip reduktorius.
28. Kodėl natrio negalima laikyti ore?
29. Studentas į vario sulfato tirpalą įmerkė natrio gabalėlį, tikėdamasis išstumti metalą iš druskos. Vietoj raudono metalo gautos želatinos mėlynos nuosėdos. Apibūdinkite įvykusias reakcijas ir parašykite jų lygtis molekuline ir jonine forma. Kaip reikėtų keisti reakcijos sąlygas, kad reakcija duotų norimą rezultatą? Parašykite lygtis molekuline, pilnąja ir sutrumpinta jonine forma.
30. Į indą su 45 ml vandens patalpinta 2,3 g metalinio natrio. Kas yra kaustinė soda, susidaranti pasibaigus reakcijai.
31. Kokiomis priemonėmis galima gesinti natrio gaisrą? Pateikite argumentuotą atsakymą.
Natrio deguonies junginiai. Natrio hidroksidas
Natrio deguonies junginiai, kaip jau minėta, yra natrio oksidas Na2O ir natrio peroksidas Na2O2.
Natrio oksidas Na2O neturi ypatingos reikšmės. Jis intensyviai reaguoja su vandeniu, sudarydamas kaustinę soda:
Na2O + H2O = 2NaOH
Natrio peroksidas Na202 yra gelsvi milteliai. Jis gali būti laikomas vandenilio peroksido druska, nes jos struktūra yra tokia pati kaip H2O2. Natrio peroksidas yra stipriausias oksidatorius. Veikiant vandeniui, susidaro šarmas ir:
Na2O2 + H2O = H2O2 + 2NaOH
Jis taip pat susidaro praskiestoms rūgštims veikiant natrio peroksidą:
Na2O2 + H2SO4 = H2O2 + Na2SO4
Visos aukščiau nurodytos natrio peroksido savybės leidžia jį naudoti visų įmanomų medžiagų balinimui.
Ryžiai. 77. Natrio chlorido tirpalo elektrolizės įrengimo schema. 1 - anodas; 2 - diafragma, skirianti anodo ir katodo erdvę; 3 - katodas
Labai svarbus natrio junginys yra natrio hidroksidas arba natrio hidroksidas, NaOH. Jis taip pat vadinamas kaustine soda arba tiesiog kaustine.
Kaustinei sodai gauti naudojama valgomoji druska - pigiausias natūralus natrio junginys, jį elektrolizuojant, tačiau šiuo atveju naudojamas ne lydalas, o druskos tirpalas (77 pav.). Natrio chlorido tirpalo elektrolizės proceso aprašymą žr. § 33. Fig. 77 parodyta, kad anodo ir katodo erdvės yra atskirtos diafragma. Tai daroma taip, kad susidarę produktai nesąveikuotų vienas su kitu, pavyzdžiui, Cl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + H2O.
Kaustinė soda yra balta kristalinė kieta medžiaga, gerai tirpi vandenyje. Kai kaustinė soda ištirpinama vandenyje, išsiskiria daug šilumos ir tirpalas yra labai karštas. Kaustinė soda turi būti laikoma gerai uždarytose talpyklose, kad būtų apsaugota nuo vandens garų prasiskverbimo, dėl kurio ji gali labai sudrėkinti, taip pat nuo anglies dioksido, kuriam veikiant kaustinė soda gali palaipsniui virsti natrio karbonatu. :
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.
Kaustinė soda yra tipiškas šarmas, todėl atsargumo priemonės dirbant su ja yra tokios pačios kaip ir dirbant su bet kuriais kitais šarmais.
Kaustinė soda naudojama daugelyje pramonės šakų, pavyzdžiui, naftos produktų valymui, muilo gamybai iš riebalų, popieriaus pramonėje, dirbtinio pluošto ir dažiklių gamyboje, vaistų gamyboje ir kt. 78).
Užsirašykite į sąsiuvinį kaustinės sodos naudojimo sritis.
Iš natrio druskų visų pirma pažymėtina valgomoji druska NaCl, kuri yra pagrindinė kaustinės sodos ir metalinio natrio gamybos žaliava (išsamiau apie šią druską žr. p. 164), soda Na2CO3 (žr. p. 278), Na2SO4 (žr. p. 224), NaNO3 (žr. p. 250) ir kt.
Ryžiai. 78. Kaustinės sodos naudojimas
■ 32. Apibūdinkite kaustinės sodos gavimo būdą, naudojant valgomosios druskos elektrolizę.
33. Kaustinė soda gali būti gaunama gesintoms kalkėms veikiant natrio karbonatą. Sudarykite šios reakcijos molekulines ir jonines lygties formas, taip pat apskaičiuokite, kiek sodos, turinčios 95% karbonato, reikės norint pagaminti 40 kg natrio hidroksido.
34. Kodėl kaustinės sodos tirpalą laikant buteliuose su šlifuotais kamščiais, kamščiai „prilimpa“ ir jų negalima išimti? Tačiau jei kolba kurį laiką buvo apversta vandenyje, kamštis laisvai pašalinamas. Pateikdami reakcijų lygtis paaiškinkite, kokie procesai šiuo atveju vyksta.
35. Parašykite molekulinės ir joninės formos reakcijų lygtis, apibūdinančias kaustinės sodos, kaip tipinio šarmo, savybes.
36. Kokių atsargumo priemonių reikia imtis dirbant su kaustine soda? Kokios pirmosios pagalbos priemonės turėtų būti teikiamos nudegus kaustine soda?
Kalis
Kalis K taip pat yra gana dažnas šarminis metalas, kuris nuo natrio skiriasi savo atominiu spinduliu (ketvirtasis periodas) ir todėl pasižymi didesniu cheminiu aktyvumu nei natris. Kalio atomo elektroninė konfigūracija yra 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .
Jo išorinio elektroninio sluoksnio struktūra
Kalis yra minkštas metalas, gerai pjaunantis peiliu. Kad būtų išvengta oksidacijos, jis, kaip ir natris, laikomas po žibalo sluoksniu.
Su vandeniu kalis reaguoja dar smarkiau nei natris, susidaro šarmai ir išsiskiria vandenilis, kuris užsidega:
2K + 2H2O = 2KOH + H2.
Deginant deguonimi (degimui rekomenduojama paimti net mažesnius metalo gabalėlius nei natrio deginimui), jis, kaip ir natris, dega labai stipriai, susidarant kalio peroksidui.
Reikėtų pažymėti, kad kalis yra daug pavojingesnis apyvartoje nei natris. Stiprus sprogimas gali įvykti net pjaunant kalį, todėl su juo reikia elgtis dar atidžiau.
Kalio hidroksidas arba kaustinis kalis KOH yra balta kristalinė medžiaga. Kaustinis kalis visais atžvilgiais panašus į kaustinę soda. Jie plačiai naudojami muilo pramonėje, tačiau jo gamyba yra kiek brangesnė, todėl neranda tokio pritaikymo kaip NaOH.
Ypač reikėtų atkreipti dėmesį į kalio druskas, nes kai kurios iš jų plačiai naudojamos kaip trąšos. Tai kalio chloridas KCl, kalio nitratas KNO3, kuris taip pat yra azoto trąša.
■ 37. Kaip paaiškinti tai, kad kaustinė kalis yra chemiškai aktyvesnis nei kaustinė soda?
38. Kalio gabalėlis buvo panardintas į kristalizatorių su vandeniu. Pasibaigus reakcijai, ten buvo dedama šiek tiek cinko baltų želatininių nuosėdų pavidalu. Nuosėdos išnyko, o tirus tirpalą su fenolftaleinu, pastarasis tapo tamsiai raudonas. Kokie cheminiai procesai čia vyko?
Kas 34
ŠARMINIAI METALAI
Šarminiams metalams priskiriami pirmosios grupės, pagrindinio pogrupio elementai: litis, natris, kalis, rubidis, cezis, francis.Būdamas vidujegamta
Na-2,64% (masės), K-2,5% (masės), Li, Rb, Cs - daug mažiau, Fr - dirbtinai gautas elementas
Li
Li 2 O Al 2 O 3 4SiO 2 - spodumenas
Na
NaCl – valgomoji druska (akmens druska), halitas
Na 2 SO 4 10 H 2 O – Glauberio druska (mirabilitas)
NaNO 3 – Čilės salietra
Na 3 AlF 6 – kriolitas
Na 2 B 4 O 7 10H 2 O - boraksas
K
KCl NaCl – silvinitas
KCl MgCl 2 6H 2 O – karnalitas
K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 – lauko špatas (ortoklazas)
Šarminių metalų savybės
Didėjant atominiam skaičiui, didėja atomo spindulys, didėja gebėjimas paaukoti valentinius elektronus ir didėja redukcijos aktyvumas:
Fizinės savybės
Žemos lydymosi temperatūros, mažo tankio, minkštos, pjaustomos peiliu.
Cheminės savybės
Tipiški metalai, labai stiprūs reduktoriai. Junginiuose jie turi vieną oksidacijos būseną +1. Redukcinė galia didėja didėjant atominei masei. Visi junginiai yra joninės prigimties, beveik visi tirpsta vandenyje. Hidroksidai R–OH yra šarmai, jų stiprumas didėja didėjant metalo atominei masei.
Vidutiniškai kaitinant, jie užsidega ore. Su vandeniliu jie sudaro į druską panašius hidridus. Degimo produktai dažniausiai yra peroksidai.
Li-Na-K-Rb-Cs eilėje redukcinis gebėjimas didėja
1. Aktyviai bendraukite su vandeniu:
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2
2. Reakcija su rūgštimis:
2Na + 2HCl → 2NaCl + H2
3. Reakcija su deguonimi:
4Li + O 2 → 2Li 2O (ličio oksidas)
2Na + O 2 → Na 2 O 2 (natrio peroksidas)
K + O 2 → KO 2 (kalio superoksidas)
Ore šarminiai metalai akimirksniu oksiduojasi. Todėl jie laikomi po organinių tirpiklių (žibalo ir kt.) sluoksniu.
4. Reakcijoje su kitais nemetalais susidaro dvejetainiai junginiai:
2Li + Cl 2 → 2LiCl (halogenidai)
2Na + S → Na 2S (sulfidai)
2Na + H2 → 2NaH (hidridai)
6Li + N2 → 2Li 3N (nitridai)
2Li + 2C → Li 2C 2 (karbidai)
5. Kokybinė reakcija į šarminių metalų katijonus yra liepsnos dažymas šiomis spalvomis:
Li + - karmino raudona
Na + - geltona
K + , Rb + ir Cs + - violetinė
Kvitas
Nes šarminiai metalai yra stipriausi reduktoriai, juos galima atkurti iš junginių tik elektrolizės būdu išlydytoms druskoms:
2NaCl=2Na+Cl2
Šarminių metalų taikymas
Ličio - guolių lydiniai, katalizatorius
Natrio – dujų išlydžio lempos, aušinimo skystis branduoliniuose reaktoriuose
Rubidis – tiriamasis darbas
Cezis – fotoelementai
Šarminių metalų oksidai, peroksidai ir superoksidai
Kvitas
Oksiduojant metalą susidaro tik ličio oksidas
4Li + O 2 → 2Li 2 O
(kitais atvejais gaunami peroksidai arba superoksidai).
Visi oksidai (išskyrus Li 2 O) gaunami kaitinant peroksido (arba superoksido) mišinį su metalo pertekliumi:
Na 2 O 2 + 2 Na → 2 Na 2 O
KO 2 + 3K → 2K 2O
Šarminiai metalai apima D.I periodinės lentelės IA grupės metalus. Mendelejevas – ličio (Li), natrio (Na), kalio (K), rubidžio (Rb), cezio (Cs) ir francio (Fr). Išorinis šarminių metalų energijos lygis turi vieną valentinį elektroną. Šarminių metalų išorinio energijos lygio elektroninė konfigūracija yra ns 1 . Jų junginiuose jie turi vieną oksidacijos būseną, lygią +1. OVR jie yra redukuojančios medžiagos, t.y. paaukoti elektroną.
Fizikinės šarminių metalų savybės
Visi šarminiai metalai yra lengvi (mažo tankio), labai minkšti (išskyrus Li, lengvai pjaustomi peiliu ir gali būti susukti į foliją), turi žemą virimo ir lydymosi temperatūrą (padidėjus įkrovai šarminio metalo atomo branduolys, lydymosi temperatūra mažėja).
Laisvoje būsenoje Li, Na, K ir Rb yra sidabriškai balti metalai, Cs yra aukso geltonumo metalas.
Šarminiai metalai laikomi sandariose ampulėse po žibalo arba vazelino aliejaus sluoksniu, nes jie yra labai reaktyvūs.
Šarminiai metalai pasižymi dideliu šilumos ir elektros laidumu, kurį lemia metalinis ryšys ir į kūną orientuotos kristalinės gardelės
Šarminių metalų gavimas
Visi šarminiai metalai gali būti gauti elektrolizės būdu iš jų druskų lydalo, tačiau praktiškai tokiu būdu gaunami tik Li ir Na, o tai susiję su dideliu K, Rb, Cs cheminiu aktyvumu:
2LiCl \u003d 2Li + Cl 2
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2
Bet kokį šarminį metalą galima gauti redukuojant atitinkamą halogenidą (chloridą arba bromidą), naudojant Ca, Mg arba Si kaip reduktorius. Reakcijos vykdomos kaitinant (600-900C) ir vakuume. Šarminių metalų gavimo tokiu būdu lygtis bendra forma:
2MeCl + Ca \u003d 2Me + CaCl 2,
kur Aš yra metalas.
Žinomas ličio iš jo oksido gamybos būdas. Reakcija vykdoma kaitinant iki 300°C ir vakuume:
2Li 2O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2SiO 4
Kalio galima gauti vykstant reakcijai tarp išlydyto kalio hidroksido ir skysto natrio. Reakcija vykdoma kaitinant iki 440°C:
KOH + Na = K + NaOH
Cheminės šarminių metalų savybės
Visi šarminiai metalai aktyviai sąveikauja su vandeniu, sudarydami hidroksidus. Dėl didelio šarminių metalų cheminio aktyvumo sąveikos su vandeniu reakciją gali lydėti sprogimas. Litis ramiausiai reaguoja su vandeniu. Reakcijos lygtis bendra forma:
2Me + H2O \u003d 2MeOH + H2
kur Aš yra metalas.
Šarminiai metalai sąveikauja su atmosferos deguonimi, sudarydami daugybę skirtingų junginių – oksidų (Li), peroksidų (Na), superoksidus (K, Rb, Cs):
4Li + O 2 = 2Li 2 O
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2
Visi šarminiai metalai, kaitinami, reaguoja su nemetalais (halogenais, azotu, siera, fosforu, vandeniliu ir kt.). Pavyzdžiui:
2Na + Cl 2 \u003d 2NaCl
6Li + N 2 = 2Li 3 N
2Li + 2C \u003d Li 2C 2
2Na + H2 = 2NaH
Šarminiai metalai gali sąveikauti su sudėtingomis medžiagomis (rūgščių, amoniako, druskų tirpalais). Taigi, kai šarminiai metalai sąveikauja su amoniaku, susidaro amidai:
2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2
Šarminių metalų sąveika su druskomis vyksta tokiu principu – jie išstumia mažiau aktyvius metalus (žr. metalų aktyvumo eilutę) iš savo druskų:
3Na + AlCl 3 = 3NaCl + Al
Šarminių metalų sąveika su rūgštimis yra dviprasmiška, nes tokių reakcijų metu metalas iš pradžių reaguos su rūgšties tirpalo vandeniu, o dėl šios sąveikos susidaręs šarmas reaguos su rūgštimi.
Šarminiai metalai reaguoja su organinėmis medžiagomis, tokiomis kaip alkoholiai, fenoliai, karboksirūgštys:
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 + 2CH3COOH = 2CH3COONa + H2
Kokybinės reakcijos
Kokybinė reakcija į šarminius metalus yra liepsnos dažymas jų katijonais: Li + nudažo liepsną raudonai, Na + geltonai, o K + , Rb + , Cs + violetinė.
Problemų sprendimo pavyzdžiai
1 PAVYZDYS
| Pratimas | Atlikti chemines transformacijas Na→Na2O→NaOH→Na2SO4 |
| Sprendimas | 4Na + O 2 → 2Na 2 O Tai periodinės sistemos I grupės elementai: litis (Li), natris (Na), kalis (K), rubidis (Rb), cezis (Cs), francis (Fr); labai minkštas, plastiškas, tirpus ir lengvas, dažniausiai sidabriškai baltas; chemiškai labai aktyvus; smarkiai reaguoti su vandeniu, kad susidarytų šarmų(iš kur pavadinimas).
Redukcinis gebėjimas didėja eilėje ––Li–Na–K–Rb–Cs. Visi šarminių metalų junginiai yra joniniai. Beveik visos druskos tirpsta vandenyje. žemos lydymosi temperatūros, Mažos tankio reikšmės, Minkštas, pjaustomas peiliu Dėl savo aktyvumo šarminiai metalai yra laikomi po žibalo sluoksniu, kad būtų užblokuotas oro ir drėgmės patekimas. Litis yra labai lengvas ir plūduriuoja į paviršių žibale, todėl laikomas po vazelino sluoksniu. Cheminės šarminių metalų savybės1. Šarminiai metalai aktyviai sąveikauja su vandeniu:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2 2. Šarminių metalų reakcija su deguonimi:4Li + O 2 → 2Li 2O (ličio oksidas) 2Na + O 2 → Na 2 O 2 (natrio peroksidas) K + O 2 → KO 2 (kalio superoksidas) Ore šarminiai metalai akimirksniu oksiduojasi. Todėl jie laikomi po organinių tirpiklių (žibalo ir kt.) sluoksniu. 3. Šarminių metalų reakcijose su kitais nemetalais susidaro dvejetainiai junginiai:2Li + Cl 2 → 2LiCl (halogenidai) 2Na + S → Na 2S (sulfidai) 2Na + H2 → 2NaH (hidridai) 6Li + N2 → 2Li 3N (nitridai) 2Li + 2C → Li 2C 2 (karbidai) 4. Šarminių metalų reakcija su rūgštimis(retai atliekama, vyksta konkuruojanti reakcija su vandeniu): 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2 5. Šarminių metalų sąveika su amoniaku(susidaro natrio amidas): 2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2 6. Šarminių metalų sąveika su alkoholiais ir fenoliais, kurie šiuo atveju pasižymi rūgštinėmis savybėmis:2Na + 2C 2H5OH \u003d 2C2H5ONa + H2; 2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2 ; 7. Kokybinė reakcija į šarminių metalų katijonus – liepsnos nuspalvinimas šiomis spalvomis:Li + - karmino raudona Na + - geltona K + , Rb + ir Cs + - violetinė Šarminių metalų gavimasLičio, natrio ir kalio metalas gauti išlydytų druskų (chloridų), rubidžio ir cezio elektrolizė - redukcija vakuume, kai jų chloridai kaitinami kalciu: 2CsCl + Ca \u003d 2Cs + CaCl 2 2NaCl + CaC 2 \u003d 2Na + CaCl 2 + 2C; Aktyvieji šarminiai metalai išsiskiria vakuuminiuose terminiuose procesuose dėl didelio lakumo (jų garai pašalinami iš reakcijos zonos).
Ličio atomo elektroninė konfigūracija yra 1s 2 2s 1 . Jis turi didžiausią atominį spindulį 2-ajame periode, o tai palengvina valentinio elektrono atsiskyrimą ir Li + jono atsiradimą su stabilia inertinių dujų (helio) konfigūracija. Todėl jo junginiai susidaro perkeliant elektroną iš ličio į kitą atomą ir susidarius joniniam ryšiui su nedideliu kovalentiškumo kiekiu. Litis yra tipiškas metalinis elementas. Medžiagos pavidalu tai yra šarminis metalas. Iš kitų I grupės narių išsiskiria mažu dydžiu ir mažiausiu, lyginant su jais, aktyvumu. Šiuo atžvilgiu jis primena II grupės elementą magnį, esantį įstrižai nuo Li. Tirpaluose Li + jonas yra labai solvatuotas; jį supa kelios dešimtys vandens molekulių. Litis, kalbant apie tirpinimo energiją – tirpiklio molekulių pridėjimą, yra arčiau protono nei šarminių metalų katijonų. Mažas Li + jono dydis, didelis branduolio krūvis ir tik du elektronai sudaro sąlygas aplink šią dalelę susidaryti gana reikšmingam teigiamo krūvio laukui, todėl tirpaluose prie jo pritraukiama nemažai polinių tirpiklio molekulių ir jo koordinacinis skaičius yra didelis, metalas gali sudaryti nemažai organinių ličio junginių . Natris prasideda 3-iuoju periodu, todėl išoriniame lygyje jis turi tik 1e - , užimantys 3s orbitą. Na atomo spindulys yra didžiausias 3 periode. Šios dvi savybės lemia elemento pobūdį. Jo elektroninė konfigūracija yra 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Vienintelė natrio oksidacijos būsena yra +1. Jo elektronegatyvumas yra labai mažas, todėl natrio junginiuose yra tik teigiamai įkrauto jono pavidalu ir suteikia cheminei jungčiai joninį pobūdį. Na + jono dydis yra daug didesnis nei Li +, o jo tirpumas nėra toks didelis. Tačiau jis neegzistuoja laisvos formos tirpale. Fiziologinė K + ir Na + jonų reikšmė yra susijusi su skirtingu jų adsorbavimu žemės plutą sudarančių komponentų paviršiuje. Natrio junginiai yra tik nežymiai adsorbuojami, o kalio junginius stipriai sulaiko molis ir kitos medžiagos. Ląstelių membranos, kaip ląstelės ir aplinkos sąsaja, yra pralaidžios K + jonams, todėl K + intracelulinė koncentracija yra daug didesnė nei Na + jonų. Tuo pačiu metu Na + koncentracija kraujo plazmoje viršija kalio kiekį joje. Ši aplinkybė yra susijusi su ląstelių membraninio potencialo atsiradimu. Jonai K + ir Na + - vienas iš pagrindinių kūno skystosios fazės komponentų. Jų santykis su Ca 2+ jonais yra griežtai apibrėžtas, o jo pažeidimas sukelia patologiją. Na + jonų patekimas į organizmą neturi pastebimo žalingo poveikio. K + jonų kiekio padidėjimas yra žalingas, tačiau normaliomis sąlygomis jo koncentracijos padidėjimas niekada nepasiekia pavojingų verčių. Rb +, Cs +, Li + jonų poveikis dar nėra pakankamai ištirtas. Iš įvairių pažeidimų, susijusių su šarminių metalų junginių naudojimu, dažniausiai nudegimai hidroksido tirpalais. Šarmų veikimas siejamas su odos baltymų tirpimu juose ir šarminių albuminatų susidarymu. Dėl jų hidrolizės vėl išsiskiria šarmai ir veikia gilesnius kūno sluoksnius, sukeldami opas. Šarminiai nagai tampa nuobodūs ir trapūs. Akių pažeidimai, net ir naudojant labai atskiestus šarmų tirpalus, yra lydimi ne tik paviršinio sunaikinimo, bet ir gilesnių akies dalių (rainelės) pažeidimų ir sukelia aklumą. Hidrolizės metu šarminių metalų amidams vienu metu susidaro šarmai ir amoniakas, sukeliantys fibrininio tipo tracheobronchitą ir pneumoniją. Kalio G. Davy gavo beveik kartu su natriu 1807 m., elektrolizuodamas šlapią kalio hidroksidą. Iš šio junginio pavadinimo - "kaustinis kalis" ir elementas gavo savo pavadinimą. Kalio savybės labai skiriasi nuo natrio, nes skiriasi jų atomų ir jonų spinduliai. Kalio junginiuose ryšys yra joniškesnis, o K + jono pavidalu dėl didelio dydžio poliarizuojantis poveikis yra mažesnis nei natrio. Natūralus mišinys susideda iš trijų izotopų 39 K, 40 K, 41 K. Vienas iš jų yra 40 K ‑ yra radioaktyvus, o tam tikra mineralų ir dirvožemio radioaktyvumo dalis yra susijusi su šio izotopo buvimu. Jo pusinės eliminacijos laikas ilgas – 1,32 milijardo metų. Nustatyti kalio buvimą mėginyje yra gana paprasta: metalo ir jo junginių garai nuspalvina liepsną purpuriškai raudonai. Elemento spektras yra gana paprastas ir įrodo 1e buvimą 4s orbitoje. Jo tyrimas buvo vienas iš pagrindų ieškant bendrų spektrų struktūros modelių. 1861 m. Robertas Bunsenas, spektrinės analizės būdu tyrinėdamas mineralinių šaltinių druską, atrado naują elementą. Jo buvimą įrodė tamsiai raudonos linijos spektre, kurių kiti elementai nedavė. Pagal šių linijų spalvą elementas buvo pavadintas rubidiumu (rubidus-tamsiai raudona). 1863 metais R. Bunsenas gavo šį metalą grynąja forma, redukuodamas rubidžio tartratą (totoro druską) suodžiais. Elemento ypatybė yra nedidelis jo atomų jaudrumas. Elektronų emisija iš jo atsiranda veikiant raudoniems matomo spektro spinduliams. Taip yra dėl nedidelio atominių 4d ir 5s orbitų energijų skirtumo. Iš visų šarminių elementų, turinčių stabilius izotopus, rubidis (kaip ir cezis) turi vieną didžiausių atominių spindulių ir mažą jonizacijos potencialą. Tokie parametrai lemia elemento prigimtį: didelis elektropozityvumas, ekstremalus cheminis aktyvumas, žema lydymosi temperatūra (39 0 C) ir mažas atsparumas išorės poveikiui. Cezio, kaip ir rubidžio, atradimas yra susijęs su spektrine analize. 1860 metais R. Bunsenas spektre atrado dvi ryškiai mėlynas linijas, nepriklausančias jokiam tuo metu žinomam elementui. Iš čia kilo pavadinimas „caesius“ (caesius), kuris reiškia dangaus mėlynumą. Tai paskutinis šarminių metalų pogrupio elementas, kurio vis dar galima išmatuoti. Didžiausias atomo spindulys ir mažiausi pirmieji jonizacijos potencialai lemia šio elemento prigimtį ir elgesį. Jis turi ryškų elektropozityvumą ir ryškias metalines savybes. Noras paaukoti išorinį 6s-elektroną lemia tai, kad visos jo reakcijos vyksta itin audringai. Nedidelis atominių 5d ir 6s orbitų energijų skirtumas lemia nedidelį atomų jaudrumą. Elektroninė emisija ceziu stebima veikiant nematomiems infraraudoniesiems spinduliams (terminiams). Ši atominės sandaros savybė lemia gerą srovės laidumą. Dėl viso to cezis yra nepakeičiamas elektroniniuose prietaisuose. Pastaruoju metu vis daugiau dėmesio skiriama cezio plazmai kaip ateities kurui ir termobranduolinės sintezės problemos sprendimui. Ore litis aktyviai reaguoja ne tik su deguonimi, bet ir su azotu ir yra padengtas plėvele, susidedančia iš Li 3 N (iki 75%) ir Li 2 O. Likę šarminiai metalai sudaro peroksidus (Na 2 O 2) ir superoksidai (K 2 O 4 arba KO 2). Šios medžiagos reaguoja su vandeniu: 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. Oro regeneravimui povandeniniuose laivuose ir erdvėlaiviuose, izoliacinėse dujokaukėse ir kovinių plaukikų (povandeninių diversantų) kvėpavimo aparatuose buvo naudojamas „oksono“ mišinys: 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. Šiuo metu tai yra standartinis ugniagesių dujokaukių izoliuojančių regeneruojančių šovinių užpildymas. Ličio hidridas naudojamas kaip stiprus reduktorius. Hidroksidaišarminiai metalai ėsdina stiklinius ir porcelianinius indus, jų negalima šildyti kvarciniuose induose: SiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + H 2 O. Natrio ir kalio hidroksidai neatskiria vandens, kai kaitinami iki virimo temperatūros (daugiau nei 1300 0 C). Kai kurie natrio junginiai vadinami soda: a) sodos pelenai, bevandenė soda, skalbinių soda arba tiesiog soda - natrio karbonatas Na 2 CO 3; |
Visi šarminiai metalai yra ypač aktyvūs, pasižymi redukuojančiomis savybėmis visose cheminėse reakcijose, atsisako vienintelio valentinio elektrono, virsdami teigiamai įkrautu katijonu ir turi vieną oksidacijos būseną +1.
