Щелочные металлы Нахождение в природе

Щелочными металлами называются элементы IА группы: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Они относятся к семейству s-элементов и свое название получили из-за того, что их гидроксиды являются сильными щелочами.

Из щелочных металлов на Земле наиболее распространены натрий и калий, мольные доли которых в земной коре равны, соответственно, 2,0 и 1,1%. Содержание лития (0,02%), рубидия (0,004%) и цезия (0,00009%) уже значительно меньше, а франция – ничтожно мало.

Натрий и цезий в природе представлены только одним нуклидом каждый: ²³Na и Cs¹³³, литий и рубидий имеют по 2 устойчивых нуклида: ⁷Li (92,58%) и ⁶Li (7,42%); ⁸⁵Rb (72,7%) и ⁸⁷Rb (27,3%). Калий встречается в виде трех нуклидов: ³⁹K (93,1%), ⁴⁰K (0,01%) и ⁴¹K (6,88%) – но один из них ⁴⁰K является радиоактивным (Т_1/2 = 1,32 ∙ 10⁹ лет).

Франций принадлежит к радиоактивным элементам и все его нуклиды являются короткоживущими. Период полураспада наиболее устойчивого из них ²²³Fr равен 21,8 минуты.

Щелочные металлы являются очень реакционноспособными элементами и поэтому в природе существуют только в связанном виде. Наиболее распространенными минералами лития, натрия и калия являются: сподумен – LiAl(SiO₃)₂; каменная или поваренная соль (галит) – NaCl; сильвинит – KCl ∙ NaCl; сильвин – KCl; карналлит – KCl ∙ MgCl₂ ∙ 6H₂O; глауберовая соль или мирабилит – Na₂SO₄ ∙ 10H₂O; кристаллическая сода – Na₂CO₃ ∙ 10H₂O; бура – Na₂B₄O₇ ∙ 10H₂O; криолит – Na₃[AlF₆]; полевой шпат или ортоклаз – K₂O ∙ Al₂O₃ ∙ 6SiO₂; чилийская селитра – NaNO₃.

Соединения рубидия и цезия встречаются обычно в виде примесей к минералам других щелочных металлов: лития, натрия или калия. Следовые количества франция всегда присутствуют в урановых рудах (≈ 4 ∙ 10^-28 г на 1 г природного урана).

Обычно Fr получают искусственным путем. Но вследствие малого периода полураспада его нуклидов сколько-нибудь заметных количеств франция накопить не удается, поэтому его свойства изучены недостаточно.

Большое количество растворимых соединений натрия находится в природных водах. Так, 1 литр морской воды содержит обычно более 10 г ионов Na⁺. Калий и натрий являются жизненно важными элементами и присутствуют в биологических жидкостях животных, растительных организмов и человека. Причем ионы Na⁺ преимущественно находятся в межклеточных жидкостях, а ионы K⁺ – внутри клеток.

Общая характеристика щелочных металлов на основании строения их атомов и положения в таблице д.И. Менделеева

Щелочные металлы находятся в начале каждого периода (кроме первого), поэтому из всех его элементов они имеют самый большой радиус, наименьшее значение энергии ионизации, электроотрицательности и наиболее сильно выраженные металлические свойства. Причем в группе сверху вниз эти характеристики для щелочных металлов закономерно возрастают.

Элементы IА группы имеют по одному неспаренному электрону на внешнем электронном слое, строение которого можно представить следующим образом (Li не имеет на внешнем слое d-подуровня):

Этот электрон слабо удерживается ядром атома и поэтому щелочные металлы являются очень активными реагентами, в химических реакциях всегда выступают в роли восстановителей, отдавая свой валентный электрон атомам других элементов и проявляя в соединениях только положительную степень окисления «+1».

В группе сверху вниз восстановительные свойства и реакционная способность щелочных металлов возрастают. Наиболее сильно они выражены у Cs (без учета радиоактивного франция).

Химическая связь в большинстве соединений элементов IА группы носит ярко выраженный ионный характер.

От остальных элементов группы несколько отличается литий. Он имеет значительно меньшие размеры атома и иона, вследствие чего характеризуется высокой энергией гидратации Li⁺ и способностью образовывать не только ионные, но и ковалентные связи (например, в литийорганических соединениях).