Лужні метали

Характеристика лужних металів

Атоми елементів групи літію містять лише один електрон на валентній оболонці в основному стані на s- орбіталі. Завдяки низьким значенням першої енергії іонізації, яка становить:

• 3 [кДж ·моль ^-1] для літію,
• 8 [кДж ·моль ^-1] для натрію,
• 8 [кДж ·моль ^-1] для калію,
• 0 [кДж ·моль ^-1] для рубідію,
• 7 [кДж ·моль ^-1] для цезію,

валентний електрон зв’язаний на оболонці дуже слабо, його легко від’єднати. Іншому елементу набагато важче відтягнути наступний електрон, який знаходиться в закритій електронній оболонці. Це вимагає, щоб енерговитрати були навіть у кілька разів вищими. Друга енергія іонізації для елементів групи літію наступна:

• 1 [кДж ·моль ^-1] для літію,
• 4 [кДж ·моль ^-1] для натрію,
• 4 [кДж ·моль ^-1] для калію,
• 0 [кДж ·моль ^-1] для рубідію,
• 0 [кДж ·моль ^-1] для цезію.

Це означає, що лужні метали утворюють лише одновалентні катіони і ніколи не зустрічаються у вищих ступенях окислення. Крім того, хімічні сполуки, які вони утворюють, є майже виключно іонними. На додаток до типового для цих елементів ступеня окислення +I, є кілька сполук, у яких натрій, калій, рубідій і цезій перебувають у ступені окислення –I. Положення лужних металів у періодичній системі Менделєєва , де вони починають кожен період, свідчить про те, що вони мають найменший заряд ядра. Це означає, що притягання їх валентних електронів, а також інших електронів, розташованих на закритих оболонках, є найслабшим. Вони також мають найдовший атомний та іонний радіуси. Низькі значення електронегативності викликані низькою енергією іонізації та великим атомним радіусом. Завдяки цим характеристикам цезій і францій демонструють найменшу електронегативність серед усіх елементів періодичної системи. Лужні метали легко переходять в іонний стан, тому що вони легко віддають електрони. Це також безпосередньо перетворюється на їхні сильно негативні стандартні потенціали. Перше місце в електрохімічному ряду займає літій зі стандартним потенціалом -3,0401 В.

Кольорові лужні метали

Цікаво також забарвлення полум’я елементами групи літію. Їх вільні атоми, що з’являються в результаті нагрівання їх летких сполук, дуже схильні до збудження. Тоді вони стають джерелом випромінювання за рахунок віддачі надлишкової енергії, і їх спектр, як і спектри елементів групи кальцію, частково розташовується в області видимого світла. Тому при якісному аналізі лужні метали перевіряють за допомогою випробування полум’ям і, відповідно:

• літій забарвлює полум’я карміном,
• натрій забарвлює полум’я в жовтий колір,
• калій, рубідій і цезій забарвлюють полум’я у фіолетовий і рожевий колір.

Фізико-хімічні властивості лужних металів

Всі елементи 1 групи періодичної системи мають металеву природу і біло-сріблястий колір. Їх поверхні мають металевий блиск, але зазвичай дуже швидко тьмяніють, покриваючись оксидами. Твердість лужних металів зменшується від літію до цезію, але кожен з них досить м’який, щоб його легко різати ножем. Температура плавлення також змінюється в межах однієї серії, коливаючись від 453,7 К для літію до 306,1 К для цезію. Літій має найменшу щільність, а щільність літію, натрію та калію нижча, ніж у води. Кожен лужний метал проводить електричний струм, а натрій має при кімнатній температурі провідність лише втричі нижчу, ніж срібло, яке має найнижчий питомий опір. На відміну від більшості металів, елементи літієвої групи мають відносно низькі температури кипіння. Більшість з них (крім літію) кипить нижче 1300 К. Лужні метали, переведені в газоподібний стан, приймають форму одноатомних молекул.

Реакційна здатність лужних металів

Хімічна реакційна здатність лужних металів досить висока і зростає від літію до цезію. Літій реагує з киснем лише при підвищенні температури приблизно до 370 К, тому за нормальних умов літій не втрачає свого металевого блиску. При кімнатній температурі всі інші лужні метали швидко реагують з киснем і втрачають блиск. Тому вони зазвичай зберігаються під гасом. Горіння лужних металів у повітрі також дає різноманітні ефекти: літій згоряє до оксиду, натрій до перекису, а калій, рубідій і цезій утворюють супероксиди. Реакцією, характерною для лужних металів, є зазвичай спостережуване кидання шматка металу у воду. Ця реакція відбувається раптово, і її процес стає все більш вражаючим від літію до цезію. Тепла, що виділяється, коли ми виконуємо це з натрієм, достатньо, щоб спалити його. Калій запалюється відразу після дотику з водою, а рубідій і цезій викликають вибухи. Цезій, будучи найбільш реакційноздатним елементом групи літію, самозаймається вже при контакті з повітрям. За деякими властивостями літій нагадує елемент другої групи періодичної таблиці — магній. На відміну від інших лужних металів, але, як і магній, він утворює важкорозчинні карбонати та фосфати.

Сполуки елементів групи літію

Сполуки, які можуть утворюватися лужними металами, поділяють на такі групи:

1. Гідриди лужних металів типу MH, які утворюються прямою реакцією між воднем і металами при підвищених температурах.
2. Трохи складніші сполуки лужних металів з киснем. Як згадувалося вище, тільки оксид літію утворюється при спалюванні металевого елемента в повітрі. Інші згорають з утворенням вищих оксидів, які можна відновити відповідним металом при високій температурі.
3. Сполуки лужних металів з галогенами є здебільшого іонними сполуками кристалічної будови. Велика частина галогенідів лужних металів має просторову решітку, подібну до хлориду натрію, тоді як CsCl, CsBr і CsI утворюють решітку, подібну до хлориду цезію.
4. Гідроксиди лужних металів є безбарвними твердими речовинами з сильними гігроскопічними властивостями. Вони є іонними сполуками, і їх розчинення у воді є сильним екзотермічним.
5. Їх сполуки з сіркою зустрічаються трьох типів: сірководень MHS, сульфіди M ₂ S і полісульфіди MS _n , де n коливається від 2 до 6.
6. Лужні метали утворюють також оксикислотні солі, такі як нітрати, карбонати і сульфати лужних металів, а також окрему групу солей амонію.

Цікавим фактом про солі лужних металів є те, що якщо аніон також не має кольору, солі безбарвні і часто добре розчинні у воді. У водних розчинах їх катіони піддаються гідратації із силою, яка зростає від цезію до літію. Майже всі солі літію містять кристалічну воду. Багато з них додатково зволожені, на відміну від солей калію. Солі рубідію і цезію завжди безводні.

Природне походження лужних металів

Поширення лужних металів у природі різноманітне. Земна кора містить надзвичайно велику кількість натрію (2,83%) і калію (2,59%), а також невелику кількість літію (2,0·10 ^-3 %), рубідію (9·10 ^-3 %) і цезію (3·10 ^-3 %). Францій зустрічається в природі лише в незначних кількостях у формі нестабільного радіоактивного ізотопу, продукту розпаду актинія. Літій зустрічається в земній корі зазвичай у вигляді літій-натрієво-калієвих шарів, таких як алюмосилікати, наприклад сподумен LiAl[Si ₂ O ₆] і лепідоліт KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀] і як фосфати, наприклад, амблігоніт LiAl[ (PO ₄ )(F,OH)]. До мінералів, що містять натрій, відноситься найпоширеніший альбіт Na[AlSi ₃ O ₈] і його тверді розчини з алюмосилікатами калію і кальцію. Надзвичайно багаті родовища, поширені практично по всьому світу, утворюють також такі сполуки натрію, як хлорид натрію (кам’яна сіль) і нітрат натрію, званий чилійською селітрою. Величезна кількість натрію також міститься в солоній воді: морях і океанах. Підраховано, що хлорид натрію становить навіть 2,8%океанічної води. Порівнюючи натрій і калій, що містяться в земній корі, незважаючи на їх однакову кількість, калій розподіляється зовсім по-різному, оскільки його сполуки дуже рідко утворюють відкладення. Найбільш часто зустрічаються калійні мінерали, що залягають у верхніх шарах шарів кам’яної солі. До них належать: сильвін KCl, карналіт KMgCl ₃ ·6H ₂ O та каїніт KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. Цей хімічний елемент також зустрічається у формі алюмосилікатів, таких як калієвий польовий шпат K[AlSi ₃ O ₈] і слюда KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂]. Сполуки калію, які утворюються під час розпаду цих мінералів, дуже легко розчинні у воді. У результаті, коли вони утворюються, велика їх частина поглинається ґрунтом через погодні умови і лише невелика кількість переноситься в моря та океани разом із текучою водою. Ось чому кількість калію в солоній воді приблизно в 40 разів нижча за вміст натрію. Оскільки присутність калію в ґрунті необхідна для правильного росту рослин, їх зола містить значну кількість карбонату калію, але є досить бідною на сполуки натрію. Природна присутність рубідію і цезію низька; вони зустрічаються тільки в супроводі інших лужних металів. Францій зустрічається в основному у вигляді радіоактивних ізотопів, утворених як:

• продукт розпаду урану ²³⁵ U,
• продукт розпаду актинія ²²⁷ Ac.

Ми також можемо знайти калій ⁴⁰ K і рубідій ⁸⁷ Rb у формі радіоактивних ізотопів.

Застосування лужних металів

Металевий літій часто використовується як добавка для підвищення стабільності та міцності алюмінієвих, цинкових і магнієвих сплавів. Він також використовується як розкислювач у металургії міді та як компонент Li/FeS _x електричних батарей. Як стеарат літію, він забезпечує відповідну щільність мастил. Його мастильні властивості стабільні при температурах від 250 до 420 К. Карбонат літію використовується для виробництва порцеляни і глазурі у вигляді флюсу. Натрій є дуже важливим матеріалом, який використовується для отримання багатьох продуктів щоденного використання, таких як відбілюючий перекис натрію, амід і ціанід натрію. У лабораторіях натрій застосовується в менших масштабах через відновні властивості багатьох органічних сполук. Іншим важливим застосуванням натрію є використання його як складової свинцевого сплаву, який використовується для виробництва антидетонаторів, що додаються до бензину. Металевий натрій також використовується в натрієвих лампах завдяки характерному жовтому світлу, яке ми можемо спостерігати під час його збудження. Ядерні реактори містять рідкий натрій і рідкий натрієво-калієвий сплав, які призначені для охолодження всієї системи. Електрони металевого цезію схильні до фотоелектричного ефекту, тому їх легко виявити за допомогою світла. Ось чому цезій використовується для створення фотоелементів на основі цезію, які містять сплав цезію з алюмінієм і барієм.