Щелочные металлы. Нахождение в природе и получение

1. s-элементы 1 группы: щелочные металлы

Береснева Е. В.
к.п.н., профессор кафедры
фундаментальной химии и методики
обучения химии ВятГУ

2. План лекции

• Введение
• 1. Нахождение в природе и получение
• 2. Общая характеристика элементов и простых
веществ
• 3. Химические свойства простых веществ и
соединений
• 4. История открытия
• 5. Значение и применение щелочных металлов
и их соединений (самостоятельная работа)
• 6. Круговорот натрия и калия в природе
(самостоятельная работа)

3. Введение

4. Почему эти металлы называются щелочными?

• Большинство соединений щелочных металлов
являются растворимыми. По-славянски
растворять – выщелачивать. «Щелок» –
раствор, который получали после растворения
золы, – обладал моющими свойствами, так как
содержал карбонаты щелочных металлов,
которые подвергались гидролизу, увеличивая
рН раствора и умягчая воду

5. Дополнительная литература

• 1. Венецкий С. И. Рассказы о металлах. – М.:
Металлургия, 1978
• 2. Крицман В. А. Книга для чтения по неорганической
химии. Ч. 2. – М:. Просвещение, 1983
• 3. Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных.
– Л.: Химия, 1978
• 4. Популярная библиотека химических элементов. – М.:
Наука, 1977
• 5. Альтшулер С. В., Кривомазов А. Н. и др. Открытие
химических элементов. – М.: Просвещение, 1980
• 6. Николаев А. Л. Первые в рядах элементов. – М.:
Просвещение, 1983
• 7. Реми Г. Курс неорганической химии. Т. 1. – М.: Мир,
1974
• 8. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и
неорганическая химия. – М.: Химия, 1993

6. 1. Нахождение в природе и получение

• Природные натрий и цезий – моноизотопные
элементы, у лития и рубидия по 2 изотопа, у
калия – 3. Помимо 223Fr известно еще 22 его
радиоактивных изотопа с массовыми числами
от 204 до 226. Вследствие высокой химической
активности щелочные металлы в свободном
состоянии в природе не встречаются
• Литий, рубидий и цезий редко образуют
собственные минералы и главным образом
сопровождают натрий и калий, особенно в
алюмосиликатах: Me2[Al2Si8O9(F · OH)] –
лепидолит (Me – K, Li, Rb, Cs)

7. Нахождение в природе

• Франция в природе на всем земном шаре
содержится ≈25мг (в ряде источников
указывается цифра до 500 г) Т1/2 (Fr)=21 мин.
• Минералы натрия и калия:
• алюмосиликаты: KAlSi3O8 – полевой шпат,
KAl2[AlSi3O10] · (OH · F)2 – калиевая слюда
• NaNO3 – чилийская селитра
• Na3[AlF6] – криолит
• Na2CO3 · 10H2O – натрон
(кристаллическая сода)
• K2SO4 · MgSO4 · 6H2O – шенит
• K2SO4 · 2MgSO4 – лангбейнит

8. Минералы калия и натрия

Галит (каменная соль) NaCl
Сильвин KCl

9. Минералы калия и натрия

Сильвинит
NaCl·KCl
Карналлит
KCl · MgCl2 · 6H2O
Каинит KCl · MgSO4 · 3H2O

10. Мирабилит (глауберова соль) Na2SO4 · 10H2O

11. Получение щелочных металлов

• Из-за высокой химической активности
щелочные металлы нельзя получать
восстановлением их соединений оксидом
углерода(II) подобно железу или электролизом
водного раствора соли
• 1. Электролиз расплавов веществ
• Литий – электролиз расплава смеси LiCl · LiF:
• K (-) Li+ + e → Lio
• A (+) 2Cl- - 2e → 2Clo → Cl2
• Натрий и калий – электролиз расплава солей
и гидроксидов:
• K(-) Na+ + e → Nao
• A(+) 4OH- - 4e → 4OH → 2H2O + O2

12. Получение щелочных металлов

• 2. Металлотермия
• Литий восстанавливают алюминием из
алюмината лития:
• 3LiAlO2 + Al → 3Li + 2Al2O3
• Калий чаще получают пропусканием паров
натрия через хлорид или гидроксид калия:
• KCl + Na → NaCl + K; t = 800°C
• KOH + Na → NaOH + K
• Рубидий и цезий восстанавливают из
хлоридов металлическим кальцием (t = 700800оС, вакуум)
• 2RbCl + Ca → 2Rb + CaCl2
• Франций извлекается из растворов
хлорплатинатами цезия и рубидия:
Cs2PtCl6, Rb2PtCl6

13. 2. Общая характеристика элементов и простых веществ

Элементы 1 группы – щелочные металлы –
имеют на внешнем энергетическом уровне только
1 электрон, поэтому они одновалентны
Общая электронная конфигурация атомов этих
элементов:
Напишите электронные формулы атомов
всех элементов 1 группы. Какие степени
окисления они будут проявлять?

14. Электронная конфигурация атома калия

15. Строение атомов щелочных металлов

• Атомы щелочных металлов имеют относительно
высокие радиусы в сравнении с атомами других
элементов (почему?)
• В группе сверху вниз радиусы атомов возрастают
(почему?): r(Li) = 0,155 нм; r(Na) = 0,189
нм; r(K) = 0,233 нм; r(Rb) = 0,248 нм; r(Cs) =
0,268 нм; r(Fr) = 0,280 нм
• Атомы щелочных металлов связаны
металлической связью, прочность которой
уменьшается от лития к цезию (почему?), имеют
металлическую кристаллическую решетку

16. Металлическая связь

• Связь между атомами в кристалле щелочных
металлов однотипна, так как все они
кристаллизуются по типу центрированного куба
(кубическая объемноцентрированная
решетка). Однотипные связи тем прочнее, чем
они короче, увеличение радиусов от лития к
цезию свидетельствует об ослаблении прочности
металлической связи
• Прочность связи между атомами щелочных
металлов в их кристаллических структурах
количественно характеризуется энтальпиями
сублимации (что называется сублимацией?):
Ме(К) = Ме(Г), ∆Носубл., которые уменьшаются в
подгруппе. Почему?

17. Энтальпия сублимации

• Самая высокая энтальпия сублимации у лития,
она вызвана малыми размерами атомов лития и
поэтому относительно большим перекрыванием
s-орбиталей в кристаллической решетке
• Атомы цезия в структуре металла связаны между
собой наименее прочно – металлическая связь
из-за больших размеров атомов и малой
электронной плотности в зонах перекрывания sорбиталей наиболее слаба
• Пары щелочных металлов ~ на 1% состоят из
двухатомных молекул, подобно молекуле
водорода

18. Образование двухатомных молекул

AO
Li
МО
Li2
АО
Li
2
s
2
s
1
s
1
s

19.

Li
Rb
Na
Cs
K
Твердые вещества серебристо-белого цвета
Электропроводны и теплопроводны
Легкоплавкие, пластичные

20. Физические свойства

• На срезе щелочные металлы – блестящие,
серебристо-белые, легко покрываются на
воздухе оксидной пленкой
• Хранят щелочные металлы обычно в
керосине, а цезий, как наиболее активный – в
откаченных от воздуха стеклянных ампулах.
• Самый тяжелый и самый активный щелочной
металл – франций. Кроме того, это самый
неустойчивый из первых 100 элементов
периодической системы

21. Физические свойства

При переходе от лития к
цезию температура
плавления металлов
понижается, указывая на
ослабление связи между
атомами
Щелочные металлы –
легкие. Самый легкий –
литий, он всплывает на
поверхность даже легких
масел; это затрудняет и
усложняет его хранение

22. Физические свойства

• Электропроводность металлов в основном
зависит от энергии ионизации, типа, энергии и
длины связи между атомами в кристаллической
решетке, координационного числа атома,
температуры и других факторов. Цезий, являясь
самым типичным металлом, тем не менее,
обладает наименьшей удельной
электропроводностью среди щелочных металлов
• Щелочные металлы – мягкие. Самым твердым
металлом является литий, хотя он мягче талька
– первого минерала шкалы твердости.
Наименьшую твердость имеет цезий,
напоминающий по своей консистенции воск

23. 3. Химические свойства простых веществ и соединений

• Химическая активность щелочных металлов не
имеет себе равных среди других металлов
• Литий значительно отличается по свойствам
от остальных щелочных металлов. Ион лития
способен значительно сильнее притягивать к себе
противоположно заряженные ионы (гидроксид
лития – сильная щелочь, но самое слабое
основание в ряду оснований МеОН). Энергия
гидратации иона Li+ максимальна в ряду ионов
щелочных металлов (справочник)

24. Гидратация ионов

• Размеры гидратной оболочки характеризуются
радиусом гидратированного катиона. Он
уменьшается от Li+ к Cs+, то есть самый
маленький катион Li+ имеет самую крупную
гидратную оболочку и самые большие энтальпию
и свободную энергию гидратации
• Это приводит к различного рода аномальным
свойствам катиона лития и явному отличию от
других щелочных металлов

25. Восстановительные потенциалы

• Стандартные восстановительные потенциалы
щелочных металлов изменяются от лития к цезию
без какой-либо закономерности
• В растворе у лития наибольший отрицательный
стандартный электродный потенциал не только
среди щелочных металлов, но и среди всех
металлов (самый сильный восстановитель в
водном растворе). У Na наименьший
потенциал среди щелочных металлов. У K, Rb и
Cs восстановительные потенциалы примерно
равны

26. Восстановительные потенциалы

• Электродные потенциалы щелочных металлов
в расплавленных солях изменяются так, как
это можно ожидать по их положению в группе
– их отрицательные значения возрастают от
лития к цезию. Цезий обладает наиболее
сильными восстановительными
свойствами в расплавах среди щелочных
металлов:
• LiClрасплав + Cs → CsCl + Li
• https://www.youtube.com/watch?v=6j_CA9SyrC
w

27. Восстановительные свойства

• Реакции с простыми веществами
• С галогенами:
• 2Na + Cl2 → 2NaCl (галогениды)
• С кислородом:
• 4Li + O2 → 2Li2O
оксид лития
• 2Na + O2 → Na2O2 пероксид натрия
• K + O2 → KO2 надпероксид калия
• С азотом:
• 6Li + N2 → 2Li3N реагирует при комнатной
температуре с образованием нитрида лития.
Остальные щелочные металлы реагируют с
азотом при нагревании

28. Восстановительные свойства

• С фосфором:
• 3K + P → K3P (фосфиды)
• С серой:
• 2Na + S → Na2S (сульфиды)
• С углеродом:
• 2Na + 2C → Na2C2 (карбиды,
преимущественно ацетилениды)
• С водородом:
• 2Na + H2 → 2NaH (гидриды)
• https://ok.ru/video/262500585826

29. Химические свойства простых веществ

• Реакции со сложными веществами
• С водой: 2Na + 2Н2О → 2NaOH + H2
• С пероксидами металлов:
• Na2O2 + 2Na → 2Na2O
• С концентрированными кислотами:
• 8Na + 5H2SO4(конц.) → 4Na2SO4 + H2S + 4H2O
• 8Na + 10HNO3(конц) → N2O + 8NaNO3 + 5H2O
• 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑
• С расплавами солей: 3Na + AlCl3 → 3NaCl + Al
• Почему щелочные металлы не используют
для реакции с растворами кислот и солей?

30. Свойства соединений

• Оксиды щелочных металлов хорошо
растворимы в воде и обладают всеми общими
свойствами основных оксидов
• Напишите уравнения реакций,
подтверждающие способы получения и
свойства оксидов (реакции с водой,
кислотными и амфотерными оксидами,
кислотами)

31. Свойства соединений

• Пероксиды и надпероксиды щелочных
металлов являются сильными окислителями.
Горючие вещества (алюминиевый порошок,
древесные опилки и т.д.) при смешивании с
Na2O2 дают яркую вспышку при поджигании.
Реакцию можно вызвать добавлением
небольшого количества воды или серной
кислоты:
• Na2O2 + 2H2O(хол.) → 2NaOH + H2O2
• 2Na2O2 + 2H2O(гор.) → 4NaOH + O2
• Na2O2 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O2 → O + H2O

32.

• https://yandex.ru/video/preview/?filmId=650281
7004906371631&url=http%3A%2F%2Ffrontend.
vh.yandex.ru%2Fplayer%2F28704102022756987
02&text=%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8
%D0%BB%D0%B5%D0%BE.%20%20%D0%AD
%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80
%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82.
%20%20%D0%9E%D0%B3%D0%BE%D0%BD
%D1%8C%20%D0%B8%D0%B7%20%D0%B2
%D0%BE%D0%B4%D1%8B&path=sharelink

33. Свойства соединений

• Пероксиды диспропорционируют при
взаимодействии с кислотными оксидами:
• 2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2↑
• Разлагаются при нагревании:
• 2Na2O2 → 2Na2O + O2↑
• В зависимости от другого компонента
пероксиды могут проявлять как
окислительные, так и восстановительные
свойства. Если пероксиды проявляют
окислительные свойства, образуются
гидроксид-ионы или вода:
• 2KI + Na2O2 + 2H2SO4 → I2 + Na2SO4 +
K2SO4 + 2H2O

34. Свойства соединений

• Если пероксиды проявляют восстановительные
свойства, образуется молекулярный кислород:
• 2KMnO4 + 5Na2O2 + 8H2SO4 → O2 + K2SO4 +
2MnSO4 + 5Na2SO4 + 8H2O
• Гидроксиды щелочных металлов – сильные
основания. Их основные свойства возрастают от
LiOH к CsOH. Электролитическая диссоциация
гидроксидов осуществляется только по основному
типу (уравнение)
• Напишите уравнения всех возможных
способов получения гидроксидов щелочных
металлов и их свойств

35. Соединения щелочных металлов

• Соли. Большинство солей хорошо растворимы в
воде. Малорастворимым является фторид лития,
практически нерастворимыми – фосфат и силикат
лития
• Соли щелочных металлов гидролизуются по
аниону, если образованы слабой кислотой
(приведите примеры уравнений реакций)
• Щелочные металлы и их соединения можно
обнаружить по характерной окраске пламени:
литий окрашивает пламя в карминово-красный
цвет; натрий – в желтый; калий – в
фиолетовый; рубидий и цезий – в розовофиолетовый (буро-красный и фиолетовокрасный)
https://www.youtube.com/watch?v=xrMn2bAVU0k

36. 4. История открытия

• Натрий и калий –
ровесники, открыты в
один год – 1807 г.
англ. химиком Гемфри
Дэви (17.12.1778 –
29.05.1829)
электролизом
расплавленных
гидроксидов натрия и
калия
• Название «натрий» с
араб. «натрум» – сода,
«калий» с араб.
«алкали» – щелочь

37. Йоган Август Арфведсон 12 января 1792 – 28 октября 1841

Литий обнаружил в
минерале петалите
шведский химик
Йоган Август
Арфведсон в 1817
г. В металлическом
состоянии получен в
1818 г. Г. Дэви
электролизом
гидроксида лития
Название «литий» с
лат. «литос» –
камень

38. Густав Роберт Кирхгоф (12.03.1824 – 17.10.1887)

Цезий и рубидий
были обнаружены нем.
учеными Робертом
Вильгельмом
Бунзеном и Густавом
Робертом Кирхгофом
методом спектрального
анализа – цезий в
минеральных водах в
1860 г., а рубидий в
минерале лепидолите в
1861 г.
Название «рубидий» с
лат. «рубидус» –
темно-красный,
«цезий» с лат. «цезиус»
– небесно-голубой

39. Роберт Вильгельм Бунзен

40. Перей Маргарита Катрин (19.10.1909 -13.05.1975)

Перей Маргарита Катрин
(19.10.1909 -13.05.1975)
Франций был открыт
ученицей Марии
Склодовской Кюри,
франц. ученойисследовательницей
Маргаритой Перей
в 1939 г. в продуктах
радиоактивного
распада урана
Название элемента
происходит от
названия страны
Франции

41.

Значение и применение щелочных
металлов и их соединений
Сколько
водынатрия
и хлорида
Раствор хлорида
(0,9%)
натрия нужно
взятьТакой
для
применяется
в медицине.
приготовления
раствор называется
физиологическим
физиологического раствора
массой 0,5 кг?
ответ
4,5г
соли
495,5 г воды
Смесь
хлорида
и
Питьевая
сода применяется
в
гидрокарбоната
натрия
массой
кулинарии, для выпечки
кондитерских
15 г обработали
уксусной
изделий.
кислотой,
при- как
этом
Хлорид натрия
добавка к пище
выделилось 2,8 л (н.у.) газа.
Определите массовые доли в
процентах компонентов смеси.
70% NaHCO3
ответ
30%
NaCl
Калийные
удобрения
играюценное
важную
Хлорид калия
- очень
Тривиальные названия солей:
роль в жизниудобрение.
растений
минеральное
Kпоташ
Рассчитайте массовую долю калия Поваренная
2CO3
NaCl соль
(%) в этом веществе.
ответ
52%
КристаллиNa
2CO3*10H2O
ческая
сода
Калийная
KNO
селитра 3
Питьевая
сода
NaHCO
3
Глауберова
соль
Na2SO4*10H
2O

42. Выводы

• 1. Щелочные металлы являются активными
металлами. Активность их в подгруппе сверху
вниз возрастает. Самый активный щелочной
металл – франций. Для лития характерны
аномальные свойства
• 2. Щелочные металлы – сильные
восстановители. В растворах самый сильный
восстановитель литий, в расплавах – цезий
• 3. Щелочные металлы вступают в реакции
почти со всеми неметаллами и большинством
металлов, образуя бинарные соединения

43. Выводы

• 4. Оксиды и гидроксиды щелочных металлов
хорошо растворимы в воде, проявляют
типичные основные свойства
• 5.Соли щелочных металлов в основном хорошо
растворимы в воде за исключением фосфатов,
гидрофосфатов натрия и калия и большинства
солей лития. Гидролизу по катиону не
подвергаются
• 6. Щелочные металлы и их соединения находят
широкое применение в народном хозяйстве
• 7. В работе со щелочными металлами и
гидроксидами требуются особые меры
предосторожности

44.

Благодарю за работу
на лекции!