18.2: Метали групи 1А

Last updated
Save as PDF

Page ID: 106084

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Li, Na, K, Rb та Cs - це всі елементи групи IA, також відомі як лужні метали. Сьомий член групи, франциум (Fr) радіоактивний і настільки рідкісний, що тільки 20 атомів Fr можуть існувати на Землі в будь-який момент ^[1]. Термін луг походить від арабського слова, що означає «попіл». Сполуки калію, а також інших лужних металів були отримані з деревної золи ранніми хіміками. Всі лужні метали м'які і, крім Cs, який жовтий, мають сріблясто-сірий колір.

Літій, натрій, калій, рубідій і цезій мають безліч інших загальних властивостей. Всі тверді речовини при 0° C і розплаву нижче 200° C. кожен має металеві властивості, такі як хороша провідність тепла і електрики, податливість (здатність забиватися в листи) і пластичність (здатність втягуватися в дроти). Висока теплопровідність (теплопровідність) і відносно низька температура плавлення (для металу) натрію роблять його ідеальною теплоносієм. Застосовується для охолодження деяких типів ядерних реакторів (реактори швидкозаводчика рідких металів, LMFBRs) і для охолодження клапанів потужних автомобільних двигунів з цієї причини.

Деякі загальні властивості лужних металів зведені в таблиці нижче. Всі ці атоми металів містять одиночний електрон поза конфігурацією благородного газу, і тому валентний електрон добре захищений від ядерного заряду, а атомні радіуси відносно великі. Великий об'єм кожного атома призводить до низької щільності - досить малій, щоб Li, Na і K плавали на воді, коли вони реагують з нею.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) властивостей лужних металів групи ІА
Елемент	Символ	Конфігурація електрона	Звичайний стан окислення	Атомний радіус/ПМ	Іонний (М ⁺) радіус/ПМ
Літій	Лі	[Він] 2 s ¹	+1	122	60
Натрій	Na	[Нео] 3 с ¹	+1	157	95
Калій	К	[Ар] 4 с ¹	+1	202	133
Рубідій	Рб	[Кр] 5 с ¹	+1	216	148
Цезій	Cs	[Xe] 6 х ¹	+1	235	169

Символ	Енергія іонізації/МДж моль ^—1		Щільність/ г см ^—3	Електронегативність	Температура плавлення (в° C)
	Перший	Другий
Лі	0.526	7.305	0,534	1.0	179
Na	0,502	4.569	0,97	0.9	98
К	0,425	3.058	0,86	0.8	64
Рб	0,409	2.638	1.52	0.8	39
Cs	0,382	2.430	1.87	0.7	28

Атоми не мають сильного тяжіння для одного валентного електрона, і тому він легко втрачається (мала перша енергія іонізації) до іона +1. Оскільки вони охоче здають електрони таким чином, всі лужні метали є сильними відновниками. Вони досить реактивні, навіть зменшуючи воду.

Слабке тяжіння для валентного електрона також призводить до слабкого металевого зв'язку, оскільки це тяжіння серед ядер і численних валентних електронів, які утримують атоми металів разом. Слабке металеве з'єднання призводить до низьких температур плавлення, особливо для більших атомів до дна групи. Cs, наприклад, плавиться трохи вище кімнатної температури. Слабке металеве з'єднання також пояснює той факт, що всі ці метали досить м'які.

Те, що хімія лужних металів обмежена ступенем окислення +1, підтверджується великими енергіями другої іонізації. Видалення першого електрона з великої дифузної орбіти легко, але видалити другий електрон з октету в іоні M ⁺ занадто важко для будь-якого окислювача.

Два інших елементи знаходяться в групі IA. Водень, хоча багато його сполук мають формули, схожі з лужними металами, є неметалом і майже унікальний за своєю хімічною поведінкою. Тому його зазвичай не включають в цю групу. Francium (Fr) досить радіоактивний, і лише невеликі кількості доступні для вивчення; тому його теж зазвичай опускають. Однак його властивості схожі на властивості Cs та інших лужних металів.

Хімічні реакції та сполуки

Елемент літій бурхливо і ефектно поєднується з водою. Газ водню виділяється, який просуває метал літію через воду, коли він реагує. Якщо надлишок води випаровується, з'єднання гідроксиду літію (LiOH) залишається позаду. LiOH візуалізується індикатором фенолфталеїну, який стає рожевим, як LiOH, основа, виробляється. Таким чином, рівняння для цієї реакції

\[\text{2Li}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2LiOH}(aq) + \text{H}_\text{2}(g)\nonumber \]

Елементи натрій, калій, рубідій та цезій також бурхливо поєднуються з водою, утворюючи гідроксиди. Рівняння для їх реакцій

\[\text{2Na}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2NaOH}(aq) + \text{H}_\text{2} (g)\nonumber \]

\[\text{2K}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2KOH}(aq) + \text{H}_\text{2} (g)\nonumber \]

\[\text{2Rb}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2RbOH}(aq) + \text{H}_\text{2} (g)\nonumber \]

\[\text{2Cs}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2CsOH}(aq) + \text{H}_\text{2} (g)\nonumber \]

Оскільки все лужні метали реагують з водою однаково, може бути записано загальне рівняння:

\[\text{2M}(s) + \text{2H}_\text{2}\text{O}(l) \rightarrow \text{2MOH}(aq) + \text{H}_\text{2} (g)\nonumber \]

з М = K, Li, Na, Rb або Cs.

Символ M представляє будь-який з п'яти елементів.

На додаток до своєї поведінки при додаванні в воду лужні метали безпосередньо вступають в реакцію з багатьма елементами. Всі швидко поєднуються з киснем у повітрі, утворюючи білий оксид:

\[\text{4M}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2M}_2 \text{O}(s)\nonumber \]

з М = Li, Na, K, Rb або Cs

(Li ₂ O - оксид літію, Na ₂ O - оксид натрію тощо)

Всі, крім літію, реагують далі з утворенням жовтих пероксидів, M ₂ O ₂:

\[\text{2M}_2 \text{O}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2M}_2 \text{O}_2(s)\nonumber \]М = Na, K, Rb або Cs

(Na ₂ O ₂ - пероксид натрію і т.д.)

Калій, рубідій і цезій досить реактивні, що можуть утворюватися жовті супероксиди (загальна формула яких MO ₂):

\[\text{2M}_2 \text{O}_2(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2MO}_2(s)\nonumber \]

з М = K, Rb або Cs

Якщо поверхня зразка лужного металу не зішкребана чистою, вона буде виглядати білим або сірим замість сріблястого металевого блиску. Це пов'язано з оксидним, пероксидним або супероксидним покриттям, яке утворюється після декількох секунд впливу повітря. Наступний фільм показує, як свіжозрізаний шматок літію блискучий, але притупляється до сірого кольору при впливі кисню в повітрі. Відео також акцентує увагу на ще одній важливій властивості лужних металів: вони м'які, і легко ріжеться, в порівнянні з іншими металами.

Розрізається тьмяно-сірий окислений циліндр з металу літію, відкриваючи блискучу сріблясту поверхню. Через 1 хвилину поверхня притупляється, а через 10 хвилин поверхня зрізу повернулася до тьмяної сірої частини решти металу літію. Оскільки лужним металом є літій, єдина реакція з киснем, яка відбувається, це:

\[\text{4Li}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2Li}_2\text{O}(s)\nonumber \]

Луг також поєднується безпосередньо з газом водню, утворюючи сполуки, відомі як гідриди, MH:

\[\text{2M}(s) + \text{H}_2(g) \rightarrow \text{2MH}(s)\nonumber \]

з М = Li, Na, K, Rb або Cs

Вони вступають в реакцію з сіркою з утворенням сульфідів, M ₂ S:

\[\text{2M}(s) + \text{S}(g) \rightarrow \text{M}_2\text{S}(s)\nonumber \]

з М = Li, Na, K, Rb або Cs

Ці оксиди, гідриди, гідроксиди та сульфіди розчиняються у воді, даючи основні розчини, і ці сполуки є одними з сильних основ.

Пероксиди та супероксиди, що утворюються при реагуванні важчих лужних металів з O ₂, також розчиняються, отримуючи основні розчини:

\[\text{2NaO}_2(s) + \text{2H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{4Na}^{+}(aq) + \text{4OH}^{-}(aq) + \text{O}_2(g)\nonumber \]

\[\text{4K}_2\text{O}(s) + \text{2H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{4K}^{+}+ \text{4OH}^{-} + \text{3O}_2(g)\nonumber \]

Обидва останніх рівняння описують окислювально-відновні, а також кислотно-лужні процеси, що можна підтвердити, привласнюючи числа окислення. Іони пероксиду та супероксиду містять атоми O в незвичайних (для O) -1 і -½ станах окислення:

альт

Тому можливе диспропорціонування (одночасне окислення і відновлення) O _² ^- або O ₂ ^- до більш поширених ступенів окислення 0 (в O ₂) і —2 (в OH ^-).

Лужні метали також безпосередньо реагують з галогенами, наприклад, з хлором, утворюючи хлориди,

\[\text{2M}(s) + \text{Cl}_2(g) \rightarrow \text{2MCl}(s)\nonumber \]М = Лі, Na, K, Rb або Cs

Нижче наведено приклад реакції Na з Cl ₂

Шматок металу натрію додають в колбу, що містить газоподібний хлор. Спочатку ніякої реакції не відбувається, але коли додається крапля води, натрій і хлор реагують, бурхливо спалахуючи і виробляючи стільки тепла, що пісок необхідний в нижній частині колби, щоб поглинати тепло і запобігти розтріскування скла. Це рівняння для цієї реакції:

\[\text{2Na}(s) + \text{Cl}_2(g) \rightarrow \text{2NaCl}(s)\nonumber \]

з фтором з утворенням фторидів, MF:

\[\text{2M}(s) + \text{F}_2(g) \rightarrow \text{2MF}(s)\nonumber \]М = Лі, Na, K, Rb або Cs

і з бромом з утворенням бромідів, MbR:

\[\text{2M}(s) + \text{Br}_2(g) \rightarrow \text{2MBr}(s)\nonumber \]М = Лі, Na, K, Rb або Cs

Нижче наведено приклад K, що реагує з Br ₂

У цьому відео калій, який зберігається в інертному мінеральному маслі завдяки високій реакційній здатності, поміщається в склянку рідкого брому після видалення захисного шару мінерального масла. Калій вибухонебезпечно реагує з бромом. Контейнер накривається протягом усього процесу, щоб запобігти потраплянню реагентів та продуктів у навколишнє середовище. Хімічне рівняння для цієї реакції таке:

\[\text{2K}(s) + \text{Br}_2(g) \rightarrow \text{2KBr}(s)\nonumber \]

Натрій і калій досить рясні, займаючи шосте і сьоме місце серед усіх елементів земної кори, але інші лужні метали рідкісні. Іони натрію і калію є компонентами численних силікатних кристалічних решіток, помічених в земній корі, але оскільки більшість їх сполук є водорозчинними, вони також є важливими складовими морської води і підземних родовищ ропи. Хлорид натрію, отриманий з таких розсолів, є головним комерційним джерелом натрію, тоді як калій може бути отриманий з руд сильвіту (KCl) або карналліту (KCl•MgCl ₂ • 6H ₂ O).

Як іони натрію (Na ⁺), так і калію (K ⁺) є важливими для живих систем. Na ⁺ є основним катіоном у рідинях, що оточують клітини, тоді як K ⁺ є найважливішим всередині клітин. Na ⁺ відіграє роль у скороченні м'язів, і як K ⁺, так і Na ⁺ відіграють певну роль у передачі нервових імпульсів. K є більш важливим, ніж Na в рослині, і це один з трьох елементів (K, P, N), які повинні поставлятися в добриво для підтримки високої врожайності сільськогосподарських культур. K особливо рясний у деревах - деревна зола від кухонних пожеж (калійних) була основним джерелом цього елемента зовсім недавно, як століття тому, і вони все ще роблять гарне добриво для вашого саду. Деревна зола містить суміш оксиду калію і карбонату калію, причому останній утворюється при поєднанні К ₂ О зі СО ₂, що утворюється при з'єднанні С в деревині з О ₂:

\[\text{K}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{K}_2\text{CO}_3\nonumber \]

Сполуки Na отримують комерційно з розсолу або з морської води. При пропущенні електричного струму через розчин NaCl (процес, званий електролізом), отримують Cl ₂ (g), H ₂ (g) і концентрований розчин NaOH (каустична сода або луг):

\[\text{Na}^{+}(aq) + \text{2Cl}^{-}(aq) + \text{2H}_2\text{O}(l) \xrightarrow{\text{electrolysis}} \text{Cl}_2(g) + \text{H}_2(g) + \text{Na}^{+}(aq) + \text{2OH}^{-}(aq)\nonumber \]

Більш детально цей процес описаний в розділі, присвяченому електрохімічним осередкам, але з рівняння видно, що електричний струм окислює Cl ^— до Cl ₂ і зменшує H ₂ O до H ₂. NaOH (aq) використовується як міцна основа в численних промислових процесах для виготовлення мила, віскози, целофану, паперу, барвників та багатьох інших продуктів. Луг також використовується в домашніх очищувачах стоків. З ним потрібно звертатися обережно, оскільки він сильно основний, дуже їдкий і може сильно спалити шкіру. Другим важливим промисловим використанням ропи є процес Solvay:

\[\text{CO}_2(g) + \text{NH}_3(aq) + \text{Na}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{NaHCO}_3(s) + \text{NH}_4^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq)\nonumber \]

Процес Солвея - це кислотно-лужна реакція, поєднана з опадом. Кислий ангідрид, СО ₂, вступає в реакцію з Н ₂ О з отриманням Н ₂ СО ₃. Ця слабка кислота дарує протон NH ₃, отримуючи NH ₄ ⁺ і HCO ₃ ^-, а останній іон випадає в осад з Na ⁺. Слабоосновний гідрокарбонат натрію, що утворюється методом Солвея, може бути очищений для використання в якості антациду (бікарбонату соди), але більша його частина перетворюється в карбонат натрію (кальцинована сода) нагріванням:

\[\text{2NaHCO}_3(s) \xrightarrow{\Delta } \text{Na}_2\text{CO}_3(s) + \text{H}_2\text{O}(g) + \text{CO}_2(g)\nonumber \]

(Δ в цьому рівнянні вказує на нагрівання реагенту.) Карбонат натрію (Na ₂ CO ₃) використовується у виробництві скла і паперу, а також в деяких миючих засобах. Карбонатний іон є досить сильною основою, однак, і миючі засоби, що містять Na ₂ CO ₃ (промивна сода), призвели до важких хімічних опіків деяким маленьким дітям, які з цікавості їх з'їли.