Alkalni metali. Struktura, fizikalna i kemijska svojstva, primjena

Alkalni metali - zajednički naziv elemenata prve skupine periodičkog sustava kemijskih elemenata. Njegov sastav: litij (Li), natrij (Na), kalij (K), rubidij (Rb), cezij (Cs), francij (Fr), i hipotetski element - ununen (Uue). Naziv skupine izveden je iz naziva topljivih natrijevih i kalijevih hidroksida, koji imaju alkalnu reakciju i okus. Razmotrite opće strukturne značajke atoma elemenata, svojstva, proizvodnju i uporabu jednostavnih tvari.

Zastarjela i nova numeracija grupe

Prema zastarjelom sustavu numeriranja, alkalni metali koji zauzimaju krajnji lijevi vertikalni stupac periodnog sustava pripadaju skupini IA. Godine 1989. Međunarodna kemijska unija (IUPAC) predložila je drugu mogućnost (dugotrajnu) kao glavnu. Alkalijski metali u skladu s novom klasifikacijom i kontinuiranim numeriranjem pripadaju 1. skupini. Predstavnik drugog razdoblja - litij - otvara ovaj agregat, dovršava svoj radioaktivni element 7. razdoblja - Francusku. Svi metali prve skupine u vanjskoj ljusci atoma sadrže jedan s-elektron, koji se lako daju (obnavljaju).

Struktura atoma alkalijskih metala

Elemente prve skupine karakterizira prisutnost druge razine energije, ponavljajući strukturu prethodnog inertnog plina. Litij ima 2 elektrona u zadnjem sloju i 8 elektrona u drugima. U kemijskim reakcijama, atomi lako odaju vanjski s-elektron, dobivajući energetski povoljnu konfiguraciju plemenitog plina. Elementi prve skupine imaju male vrijednosti energije ionizacije i elektronegativnosti (EO). Oni lako formiraju pojedinačno nabijene pozitivne ione. Tijekom prijelaza iz litija u Francusku povećava se broj protona i elektrona, polumjer atoma. Rubidij, cezij i francijum lakše doniraju vanjski elektron nego elementi koji im prethode u skupini. Stoga se u skupini od vrha do dna povećava sposobnost smanjivanja.

Sadržaj u kori

Laka oksidacija alkalijskih metala dovodi do činjenice da elementi prve skupine postoje u prirodi u obliku spojeva njihovih pojedinačno nabijenih kationa. Sadržaj u zemljinoj kori natrij - 2,0%, kalij - 1,1%. Ostali elementi u njemu su u malim količinama, na primjer, dionice Francuske - 340 g. Natrijev klorid otopljen u morskoj vodi, slanoj vodi u slanim jezerima i ušćima, tvori naslage kamena ili sol. Zajedno s halitom nađeni su silvinit NaCl • KCl i sylvin KCl. feldspat formira se kalijev aluminosilikat K2 [Al2Si6O16]. U vodi raznih jezera je otopljeno natrijev karbonat a sulfatne rezerve elementa koncentrirane su u Kaspijskom moru (Kara-Bogaz-Gol). Postoje depoziti natrijev nitrat u Čileu (čileanska solita). Postoji ograničen broj prirodnih litijevih spojeva. Rubidij i cezij nalaze se kao nečistoće u spojevima prve skupine elemenata, a francij se nalazi u sastavu uranovih ruda.

Slijed otkrivanja alkalnog metala

Britanski kemičar i fizičar G. Devi 1807. godine izvršio je elektrolizu alkalnih talina, najprije primajući natrij i kalij u slobodnom obliku. Godine 1817. švedski znanstvenik Johann Arfvedson otkrio je element litij u mineralima, a 1825. G. Devi je izdvojio čisti metal. Rubidij je prvi put otkrio 1861. godine R. Bunsen i G. Kirchhoff. Njemački su istraživači analizirali sastav aluminosilikata i dobili u spektru crvenu liniju koja odgovara novom elementu. Godine 1939. zaposlenik Pariškog instituta za radioaktivnost Margarita Pere utvrdio je postojanje izotopa Francuske. Također je imenovala element u čast svoje domovine. Ununennius (eka-francia) je uvjetno ime nove vrste atoma sa serijskim brojem 119. Kemijski simbol Uue se privremeno koristi. Od 1985. istraživači su pokušali sintetizirati novi element, koji će biti prvi u osmom razdoblju, sedmi u 1. skupini.

Fizikalna svojstva alkalnih metala

Gotovo svi alkalijski metali imaju srebrno-bijelu boju i metalni sjaj na svježem rezu (cezij ima zlatno žutu boju). Svjetlost se zatamni u zraku, pojavljuje se sivi film, na litiju je zelenkasto-crna. Ovaj metal ima najveću tvrdoću među svojim susjedima u skupini, ali je inferiorniji od talka - najmekšeg minerala koji otvara Mohsovu skalu. Natrij i kalij se lako savijaju, mogu se rezati. Rubidij, cezij i francij u čistom obliku predstavljaju pastoznu masu. Taljenje alkalnih metala odvija se na relativno niskoj temperaturi. Za litij doseže 180,54 ° C. Natrij se tali na 97,86 ° C, kalij na 63,51 ° C, rubidij na 39,32 ° C, cezij na 28,44 ° C. Gustoća alkalijskih metala je manja od srodnih tvari. Litij lebdi u kerozinu, podiže se na površinu vode, u njemu plutaju kalij i natrij.

Kristalno stanje

Kristalizacija alkalijskih metala javlja se u kubičnoj sinoniji (tijelo centrirano). Atomi u svom sastavu imaju provodni pojas, do kojeg slobodni nivoi mogu prenositi elektrone. Te aktivne čestice nose posebnu kemijsku vezu - metalnu. Zajednička struktura energetskih razina i priroda kristalnih rešetki objašnjavaju sličnost elemenata prve skupine. Tijekom prijelaza iz litija u cezij, mase atoma elemenata se povećavaju, što dovodi do redovitog povećanja gustoće, kao i do promjene u drugim svojstvima.

Kemijska svojstva alkalnih metala

Jedini vanjski elektron u atomima alkalnog metala slabo je privučen jezgrom, tako da oni imaju nisku energiju ionizacije, negativan ili blizu nula elektronski afinitet. Elementi prve skupine, koji imaju reducirajuću aktivnost, praktički nisu sposobni za oksidaciju. U grupi od vrha prema dolje aktivnost u kemijskim reakcijama se povećava:

• Natrij, kalij i litij s blagim svjetlom zagrijavanja u zraku. Za prva dva metala karakteristično je formiranje peroksida i perperoksida u ovoj reakciji, a za litij oksid Li ₂ O. Rubidij i cezij u zraku se samozapaljaju.
• Alkalijski metali mogu čak smanjiti vodik. Kada se zagriju, stupaju u interakciju s atomima najlakšeg elementa i vraćaju ga u negativno nabijeni H ^- ion. U reakciji su dobiveni hidridi, na primjer, NaH, KH.
• Jednostavne tvari koje odgovaraju elementima prve skupine međusobno djeluju s vodom i tvore lužine, primjerice LiOH, NaOH, KOH. Proces je popraćen oslobađanjem plinovitog vodika, koji se samozapalja ili eksplodira. 2Na + 2H20 = 2NaOH + H2 _^. Rubidij i cezij reagiraju s ledom. Skladištenje alkalnih metala dopušteno je pod slojem mineralnog ulja, u kerozinu, u zatvorenim staklenim posudama.
• Metali prve skupine aktivno djeluju s halogenima, a reakcija s fluorom i klorom je posebno snažna, a kada se zagrijava - sa sumporom i fosforom. Većina dobivenih soli ima dobru topljivost.
• Visokokvalitetna reakcija - razgradnja soli alkalijskih metala u požaru plinskog plamenika. Parovi boje plamen u određenoj boji.
• Kada su alkalni metali u interakciji s alkoholima, dobivaju se alkoholati, a karboksilnim kiselinama daju odgovarajuće soli, na primjer natrijev format.

Priprema i uporaba alkalnih metala

Metali koji pripadaju prvoj skupini su industrijski proizvedeni elektrolizom talina njihovih halogenida i drugih prirodnih spojeva. Nakon razgradnje pod djelovanjem električne struje, pozitivni ioni na katodi pričvršćuju elektrone i reduciraju se na slobodni metal. Anion se oksidira na suprotnoj elektrodi.

Tijekom elektrolize otapanja hidroksida na anodi, OH - čestice se oksidiraju, razvija se kisik i dobiva se voda. Druga metoda je termička redukcija alkalnih metala iz talina njihovih kalcijevih soli. Jednostavne tvari i spojevi elemenata prve skupine su od praktične važnosti. Litij se koristi kao sirovina u atomskoj energiji koja se koristi u raketnoj tehnologiji. U metalurgiji se koristi za uklanjanje ostatka vodika, dušika, kisika i sumpora. Hidroksid se nadopunjuje elektrolitom u alkalnim baterijama.

Natrij je neophodan za nuklearnu energiju, metalurgiju, organsku sintezu. Cesij i rubidij se koriste u proizvodnji fotonaponskih ćelija. Hidroksidi i soli, osobito kloridi, nitrati, sulfati, karbonati alkalnih metala, široko se koriste. Kationi imaju biološku aktivnost, a natrijevi i kalijevi ioni su posebno važni za ljudsko tijelo.