Щелочные металлы

Характеристики щелочных металлов

Атомы щелочных металлов содержат только один электрон на валентной оболочке, в основном состоянии на s-орбитали. Вследствие малых значений первой энергии ионизации, которые составляют соответственно:

• 520,3 [кДж-моль^-1] для лития,
• 495,8 [кДж-моль^-1] для натрия,
• 418,8 [кДж-моль^-1] для калия,
• 403,0 [кДж-моль^-1] для рубидия,
• 375,7 [кДж-моль^-1] для цезия,

валентный электрон очень слабо связан с оболочкой, поэтому легко отрывается. Напротив, другому элементу гораздо тяжелее оттянуть на себя последующий электрон, находящийся уже в замкнутой электронной оболочке. Такое действие требует в несколько раз больше энергии. Вторые энергии ионизации щелочных металлов составляют:

• 7298,1 [кДж-моль^-1] для лития,
• 4562,4 [кДж-моль^-1] для натрия,
• 3051,4 [кДж-моль^-1] для калия,
• 2632,0 [кДж-моль^-1] для рубидия,
• 2230,0 [кДж-моль^-1] для цезия.

Отсюда следует, что щелочные металлы образуют только моновалентные катионы и никогда не встречаются в более высоких степенях окисления. Кроме того, химические соединения, которые они образуют, являются почти исключительно ионными. Помимо характерной для них степени окисления +I, существует несколько соединений, в которых натрий, калий, рубидий и цезий находятся в степени окисления -I. Положение щелочных металлов в периодической таблице, с которого начинают каждый период, предполагает, что они имеют наименьший заряд ядра. Отсюда следует, что притяжение как их валентных электронов, так и последующих электронов, находящихся в замкнутых оболочках, наиболее слабое. Кроме того, они также имеют самые большие атомный и ионный радиусы.

Низкие значения электроотрицательности обусловлены наличием низкой энергии ионизации и большим атомным радиусом. Вследствие данных характерных свойств цезий и франций обладают самой низкой электроотрицательностью среди всех элементов периодической таблицы.

Щелочные металлы очень легко переходят в ионное состояние благодаря тому, что они легко отдают электроны. Это напрямую отражается и на их сильно отрицательных стандартных потенциалах. Литий занимает первое место в ряду напряжений со стандартным потенциалом, равным -3,0401 В.

Цветные щелочные металлы

Очень интересным явлением является также окрашивание пламени щелочными металлами. Свободные атомы щелочных металлов, которые появляются в результате нагрева их летучих соединений, очень легко возбуждаются. Далее, отдавая избыточную энергию, они становятся источником излучения, причем, как и спектры щелочноземельных элементов, их спектры частично находятся в видимом световом диапазоне. Таким образом, в качественном анализе для изучения щелочных металлов применяется пламенная проба и соответственно:

• литий окрашивает пламя в карминовый цвет;
• натрий окрашивает пламя в желтый цвет;
• калий, рубидий и цезий окрашивают пламя в фиолетово-розовый цвет.

Физико-химические свойства щелочных металлов

Все элементы 1-й группы периодической таблицы обладают металлическими свойствами и имеют серебристо-белый цвет. Их поверхность имеет металлический блеск, но обычно очень быстро тускнеет, покрываясь окислами.

Твердость щелочных металлов уменьшается в ряду от лития к цезию, но каждый из них достаточно мягок и легко режется ножом. Температура плавления тоже изменяется в этом же ряду: от 453,7 К для лития до 306,1 К для цезия.

Плотность лития — самая низкая, и как у него, так и у натрия и калия она меньше плотности воды. Все щелочные металлы электропроводны, а у натрия при комнатной температуре электропроводность всего в три раза ниже, чем у серебра, которое обладает самым низким удельным сопротивлением.

В отличие от большинства металлов, щелочные металлы имеют относительно низкие температуры кипения. Большинство из них, за исключением лития, кипят при температуре ниже 1300 К. В газообразном состоянии щелочные металлы существуют в виде одноатомных молекул.

Реакционная способность щелочных металлов

Химическая реакционная способность щелочных металлов достаточно высока и возрастает в ряду от лития к цезию. Реакция лития с кислородом происходит только при повышенных температурах, примерно при 370 К, поэтому в обычных условиях литий не теряет металлического блеска. При комнатной температуре все остальные щелочные металлы очень быстро реагируют с кислородом, из-за чего теряют свой блеск. Поэтому их обычно хранят под слоем керосина. Сжигание щелочных металлов на воздухе тоже приводит к различным результатам: литий сгорает до оксида, натрий — до пероксида, а калий, рубидий и цезий образуют супероксиды.

Характерной для щелочных металлов реакцией является реакция, часто наблюдаемая при бросании кусочка металла в воду. Реакция протекает быстро, и ее ход становится все более впечатляющим — от лития к цезию. Тепло, выделяющееся при этом в случае натрия, достаточно для его расплавления. Калий воспламеняется вскоре после контакта с водой, а рубидий и цезий вызывают взрывы. Цезий, который является наиболее реакционноспособным щелочным металлом, самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом. По некоторым своим свойствам литий напоминает элемент 2-й группы периодической таблицы — магний. Литий, в отличие от других щелочных металлов, но подобно магнию, образует труднорастворимые карбонаты и фосфаты.

Соединения щелочных металлов

Среди химических соединений, которые могут образовывать щелочные металлы, выделяют следующие группы:

1. Гидриды щелочных металлов типа MH, которые образуются во время непосредственной реакции водорода с металлами при повышенных температурах.
2. Соединения щелочных металлов с кислородом, которые являются несколько более сложными. Как уже отмечалось, в результате горения металлического элемента в воздухе образуется только оксид лития. Остальные горят с образованием высших оксидов, которые можно восстановить соответствующим металлом при повышенной температуре.
3. Соединения щелочных металлов с галогенами — это главным образом ионные соединения с кристаллической структурой. Подавляющее большинство галогенидов щелочных металлов имеет пространственную решетку по типу хлорида натрия, а CsCl, CsBr и CsI образуют решетку по типу хлорида цезия.
4. Гидроксиды щелочных металлов — бесцветные твердые вещества, обладающие сильной гигроскопичностью. Они являются ионными соединениями, а их растворение в воде сильно экзотермично.
5. Соединения щелочных металлов с серой бывают трех типов: гидросульфиды MHS, сульфиды M₂S и полисульфиды MS_n, где n принимает значения от 2 до 6.
6. Щелочные металлы образуют также соли оксокислот, такие как нитраты, карбонаты и сульфаты щелочных металлов, а также отдельную группу аммониевых солей.

Как интересный момент стоит отметить, что в случае солей щелочных металлов, если анион тоже не имеет цвета, соли бесцветны и в большинстве своем очень легко растворимы в воде. В водных растворах их катионы подвержены гидратации с увеличением силы в ряду от цезия до лития. Практически все соли лития имеют в своей структуре кристаллическую воду. Многие соли натрия также гидратированы, в отличие от солей калия. Соли рубидия и цезия всегда безводны.

Распространение щелочных металлов в природе

Распределение щелочных металлов в природе весьма неоднородно. В земной коре очень много натрия (2,83 %) и калия (2,59 %), но мало лития (2,0·10^-3 %), рубидия (9·10^-3 %)) и цезия (3·10^-3 %). Элемент франций встречается в природе исключительно в следовых количествах в виде нестабильного радиоактивного изотопа — продукта распада актиния.

Литий в земной коре обычно встречается в виде литий-натриево-калиевых залежей, таких как алюмосиликаты, например сподумен LiAl[Si₂O₆] и лепидолит KLi₂Al[(F,OH)₂Si₄O₁₀], и в виде фосфатов, например амблигонит LiAl[(PO₄)(F,OH)]. Из минералов, содержащих натрий, наиболее часто встречается альбит Na[AlSi₃O₈] и его твердые растворы с алюмосиликатами калия и кальция.

В очень богатых залежах, расположенных практически по всему миру, тоже образуются такие соединения натрия, как хлорид натрия, или каменная соль, и нитрат натрия, известный как чилийская селитра.

Огромные количества натрия содержатся и в соленых водах морей и океанов. По оценкам, в океанических водах содержится вплоть до 2,8 % хлорида натрия. Если сравнивать натрий и калий, содержащиеся в земной коре, то, несмотря на их близкие количества, калий распространен совершенно по-другому, поскольку его соединения очень редко образуют залежи.

Наиболее часто локализуются калийные минералы, встречающиеся над верхними слоями отложений каменной соли. Это сильвинит KCl, карналлит KMgCl₃·6H₂O и каинит KMgCl(SO₄)·3H₂O. Элемент встречается и в виде алюмосиликатов, таких как калиевый полевой шпат K[AlSi₃O₈] и слюда KAl₂[AlSi₃O₁₀(F,OH)₂]. Соединения калия, образующиеся при разложении этих минералов, хорошо растворимы в воде. Это означает, что по мере их образования, под воздействием атмосферных факторов, значительная часть поглощается почвой и лишь небольшое количество попадает с проточными водами в моря и океаны. Поэтому и количество калия в соленых водах примерно в 40 раз меньше, чем натрия.

Поскольку калий, содержащийся в почве, необходим для нормального развития растений, их зола содержит значительное количество карбоната калия, в то время как соединениями натрия она довольно бедна.

Присутствие рубидия и цезия в природе невелико, и они встречаются только вместе с другими щелочными металлами. Франций можно обнаружить главным образом в виде радиоактивных изотопов, образующихся как:

• продукт распада урана ²³⁵U;
• продукт распада актиния ²²⁷

В виде радиоактивных изотопов встречаются также калий ⁴⁰K и рубидий ⁸⁷Rb.

Применение щелочных металлов

Металлический литий часто применяется в качестве добавки для придания большей долговечности и стабильности алюминиевым, цинковым и магниевым сплавам. Кроме того, он применяется в качестве раскислителя в металлургии меди и в качестве ингредиента в электрических аккумуляторах типа Li/FeS_x. В виде стеарата лития он обеспечивает смазочным материалам необходимую плотность. Его смазочные свойства стабильны в диапазоне температур от 250 до 420 К. Карбонат лития применяется в процессах изготовления фарфора и глазури в виде флюса.

Натрий является очень важным сырьем для производства многих продуктов, необходимых в повседневной жизни: отбеливающего пероксида натрия, амида и цианида натрия. В небольших лабораториях натрий применяется благодаря его восстановительным свойствам по отношению ко многим органическим соединениям. Другая важная область применения — использование натрия в свинцовом сплаве, применяемом при производстве противодетонационных средств, добавляемых в автомобильный бензин. Металлический натрий применяется и в натриевых лампах благодаря характерному желтому свету, наблюдаемому при его возбуждении. В ядерных реакторах для охлаждения системы применяется жидкий натрий и жидкий сплав натрия с калием.

Электроны металлического цезия подвержены фотоэлектрическому эффекту и поэтому легко обнаруживаются под воздействием света. По этой причине он применяется во время изготовления цезиевых фотоэлементов, содержащих сплав цезия с алюминием и барием.