Физические свойства простых веществ
Простые вещества, образованные элементами IА группы, являются типичными металлами и находятся при обычных условиях в твердом агрегатном состоянии. Они имеют серебристо-белый цвет (кроме цезия, которому характерна желтая окраска), обладают небольшой твердостью и температурой плавления. При переходе от лития к цезию эти свойства закономерно уменьшаются в связи с падением прочности металлической связи (таблица 10).
Таблица 10. Некоторые физические свойства простых веществ, образованных элементами IА группы
Элемент |
Li |
Na |
K |
Rb |
Cs |
Плотность, г/см3 |
0,53 |
0,97 |
0,86 |
1,53 |
1,87 |
tплавления, оС |
180 |
98 |
63 |
39 |
29 |
Все щелочные металлы (кроме лития) легко режутся ножом. Они являются легкими металлами, причем Li, Na и K имеют плотность меньше, чем у воды и могут плавать на ее поверхности (таблица 10).
В химическом отношении щелочные металлы чрезвычайно реакционноспособны. Уже на воздухе они легко взаимодействуют с кислородом и парами воды (а литий еще и с азотом). Поэтому при хранении щелочных металлов необходимо исключить доступ к ним воздуха и влаги. С этой целью металлы помещают обычно под слой керосина (так как с алканами они не реагируют) и в герметически закрытые сосуды.
Химические свойства металлов
Щелочные металлы вступают в химические реакции со многими простыми и сложными веществами.
Щелочные металлы реагируют с неметаллами. С кислородом эта реакция протекает уже при обычных условиях:
Однако оксид металла Me2+1O-2 образует при этом только литий:
4 Li + O2 → 2Li2O
Остальные щелочные металлы горят в кислороде с образованием преимущественно пероксидов (Na) и надпероксидов (K, Rb, Cs):
2Na + O2 Na2O2
K + O2 KO2
Оксиды этих металлов Me2O могут быть получены косвенным путем.
Например, взаимодействием металлов с их пероксидами или надпероксидами:
Na2O2 + 2Na 2Na2O
KO2 + 3K 2K2O
Практически это можно сделать при сжигании металла в недостатке кислорода. В этом случае сперва образуется пероксид или надпероксид, с которым затем вступит в реакцию нерасходовавшийся металл.
Оксиды щелочных металлов являются оснóвными, легко взаимодействуют с H2O, образуя щелочи:
Me2O + H2O = 2 MeOН
и обладают всеми остальными свойствами оснóвных оксидов.
При взаимодействии с галогенами и серой щелочные металлы образуют соли соответствующих бескислородных кислот:
2K + Cl2
2
калий-хлорид
2Na + F2
= 2
натрий-фторид
2K + Br2
2
калий-бромид
2Li + S
литий-сульфид
При этом с F2 все щелочные металлы достаточно хорошо реагируют уже при комнатной температуре. С остальными галогенами и с серой реакция протекает при нагревании.
Взаимодействуя при нагревании с N2, C, P, S и Н2, эти металлы образуют, соответственно: нитриды, карбиды, фосфиды, силициды и гидриды:
6K + N2
2
калий-нитрид
2Na + 2C
натрий-карбид
3Na + P
натрий-фосфид
4Li + Si
литий-силицид
2K + H2
2
калий-гидрид
Все эти соединения легко разлагаются Н2О и растворами кислот:
K3N + 3H2O = 3KOH + NH3↑ aммиак
K3N + 3HCl = 3KCl + NH3↑
Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2↑ ацетилен
Na2C2 + 2HСl = 2NaCl + C2H2↑
Из сложных веществ щелочные металлы активно взаимодействуют при обычных условиях с Н2О, образуя соответствующую щелочь и Н2:
2K + 2H2O = 2КOH + H2↑
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Реакция протекает с выделением большого количества теплоты, так что образующийся Н2 тут же взаимодействует с кислородом воздуха (причем, начиная с калия – со взрывом).
С разбавленными растворами кислот щелочные металлы, вероятнее всего, реагируют в 2 стадии:
1) сперва металл вступает в реакцию с Н2О:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;
2) а затем образовавшаяся щелочь взаимодействует с кислотой:
2NaOH + H2SO4 разб. = Na2SO4 + 2H2O
суммарное 2Na + H2SO4 разб. = Na2SO4 + H2↑
уравнение
С концентрированными H2SO4 и HNO3 щелочные металлы реагируют без выделения Н2
5H2SO4 конц. + 8Na = 4Na2SO4 + 4H2O + H2S↑
10HNO3 конц. + 8K = 8KNO3 + 5H2O + N2O↑
Несмотря на свою высокую реакционную способность, щелочные металлы не могут вытеснить из водных растворов солей менее активные металлы, т.к., в этом случае реакция протекает иначе. Сначала металл реагирует с Н2О, а затем образовавшаяся щелочь взаимодействует с солью.
Суммарное же уравнение реакции будет выглядеть так:
2Na + CuSO4 + 2H2O = Cu(OH)2↓ + Na2SO4 + H2↑
Менее энергично, чем с H2O, щелочные металлы реагирую со спиртами и фенолом:
2CH3OH + 2Na = 2CH3ONa + H2↑
метилат натрия
2С6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑
фенолят натрия
Щелочные металлы реагируют с жидким аммиаком (или при нагревании с его парами), образуя амиды (NH3 в этих реакциях выступает в роли окислителя):
2 N
+ 2
=
2
NH2
+
↑
Амиды легко разлагаются водой с выделением аммиака:
KNH2 + H2O = KOH + NH3↑
Получают щелочные металлы, главным образом, в результате электролиза расплава их соединений (оксидов, гидроксидов или бескислородных солей):
2KCl
2K + Cl2↑
2NaOН 4Na + O2↑ + 2H2O,
или восстановлением из расплавов солей активными металлами (менее летучими):
Na + KCl NaCl + K↑
Ca + 2CsCl CaCl2 + 2Cs↑
Соединения щелочных металлов по-разному окрашивают бесцветное пламя: соединения натрия – в желтый цвет; соединения калия, рубидия, цезия – в фиолетовый цвет; соединения лития – в карминово-красный. Это свойство используется в качественном анализе для открытия щелочных металлов.
Многие соли щелочных металлов находят широкое применение:
Натрий-хлорид NaCl – необходимая приправа к пище, сырье для получения гидроксида натрия, хлора, соляной кислоты.
Натрий-карбонат Na2CO3(сода) – используют в производстве стекла, мыла, бумаги.
Калий-карбонат К2СО3 – применяют в качестве удобрений, в производстве жидкого мыла, оптического тугоплавкого стекла.
Калий-хлорид КCl – минеральное удобрение.
Натрий-сульфат Na2SO4 – применяют в производстве соды и стекла.