Лужні метали - загальна назва елементів 1-ї групи періодичної системи хімічних елементів. Її склад: літій (Li), натрій (Na), калій (K), рубідій (Rb), цезій (Cs), францій (Fr), і гіпотетичний елемент - уненний (Uue). Найменування групи сталося від назви розчинних гідроксидів натрію і калію, що володіють реакцією і смаком лужки. Розгляньмо загальні риси будови атомів елементів, властивості, отримання та застосування простих речовин.
Застаріла і нова нумерація групи
За застарілою системою нумерації лужні метали, що займають крайній зліва вертикальний стовпчик таблиці Менделєєва, відносяться до I-А групи. У 1989 році як основний Міжнародний хімічний союз (IUPAC) запропонував інший варіант (довгоперіодний). Лужні метали відповідно до нової класифікації та суцільної нумерації належать до 1-ї групи. Відкриває цю сукупність представник 2-го періоду - літій, завершує її радіоактивний елемент 7-го періоду - францій. У всіх металів 1-ї групи в зовнішній оболонці атомів міститься один s-електрон, який вони легко віддають (відновлюються).
Будова атомів лужних металів
Для елементів 1-ї групи характерна наявність другого енергетичного рівня, що повторює будову попереднього інертного газу. У літію на передостанньому шарі - 2, у решти - по 8 електронів. У хімічних реакціях атоми легко віддають зовнішній s-електрон, купуючи енергетично вигідну конфігурацію шляхетного газу. Елементи 1-ї групи володіють малими величинами енергії іонізації та електроотрицательности (ЕО). Вони легко утворюють однозарядні позитивні іони. При переході від літію до франції зростає кількість протонів і електронів, радіус атома. Рубідій, цезій і францій легше віддають зовнішній електрон, ніж елементи, що передують їм у групі. Отже, у групі зверху вниз збільшується відновлювальна здатність.
Вміст у земній корі
Легка окислюваність лужних металів призводить до того, що елементи 1-ї групи існують в природі у вигляді сполук своїх однозарядних катіонів. Вміст у земній корі натрію - 2,0%, калію - 1,1%. Інші елементи в ній знаходяться в малих кількостях, наприклад, запаси франція - 340 г. Хлорид натрію розчинений в морській воді, ріпі солоних озер і лиманів, утворює поклади кам 'яної або кухонної солі. Разом з галітом зустрічаються сильвініт NaCl • KCl і сільвін KCl. Польовий шпат утворений алюмосилікатом калію K2 [Al2Si6O16]. У воді ряду озер розчинений карбонат натрію, а запаси сульфату елемента зосереджені в акваторії Каспійського моря (Кара-Богаз-Гол). Зустрічаються поклади нітрату натрію в Чилі (чилійська селітра). Існує обмежена кількість природних сполук літію. Як домішки до з 'єднань елементів 1-ї групи зустрічаються рубідій і цезій, а францій знаходять у складі уранових руд.
Послідовність відкриття лужних металів
Британський хімік і фізик Г. Деві в 1807 році провів електроліз розплавів лужів, вперше отримавши натрій і калій у вільному вигляді. У 1817 році шведський вчений Йоганн Арфведсон відкрив елемент літій в мінералах, а в 1825-му Г. Деві виділив чистий метал. Рубідій був вперше виявлений в 1861 році Р. Бунзеном і Г. Кірхгофом. Німецькі дослідники аналізували склад алюмосилікатів і отримали в спектрі червону лінію, що відповідає новому елементу. У 1939 році співробітниця Паризького інституту радіоактивності Маргарита Пере встановила існування ізотопу франція. Вона ж дала назву елементу на честь своєї батьківщини. Унуненний (ека-францій) - попередня назва нового виду атомів з порядковим номером 119. Тимчасово використовується хімічний символ Uue. Дослідники з 1985 року роблять спроби синтезу нового елемента, який стане першим у 8-му періоді, сьомим в 1-й групі.
Фізичні властивості лужних металів
Майже всі лужні метали володіють сріблясто-білим кольором і металевим блиском на свіжому зрізі (цезій має золотисто-жовте забарвлення). На повітрі блиск тьмяніє, з 'являється сіра плівка, на літії - зеленувато-чорна. Цей метал має найбільшу твердість серед сусідів по групі, але поступається тальку - найм 'якшому мінералу, що відкриває шкалу Мооса. Натрій і калій легко згинаються, їх можна розрізати. Рубідій, цезій і францій в чистому вигляді представляють тестоподібну масу. Плавлення лужних металів відбувається при відносно низькій температурі. Для літію вона досягає 180,54 ° С. Натрій плавиться при температурі 97,86 ° С, калій - при 63,51 ° С, рубідій - при 39,32 ° С, цезій - при 28,44 ° С. Щільність лужних металів менша, ніж споріднених ним речовин. Літій плаває в гасі, піднімається на поверхню води, калій і натрій також спливають у ньому.
Кристалічний стан
Кристалізація лужних металів відбувається в кубічній сингонії (об 'ємно-центрованій). Атоми в її складі володіють зоною провідності, на вільні рівні якої можуть переходити електрони. Саме ці активні частинки здійснює особливий хімічний зв 'язок - металевий. Спільність будови енергетичних рівнів і природа кристалічних решіток пояснюють схожість елементів 1-ї групи. При переході від літію до цезію зростають маси атомів елементів, що призводить до закономірного збільшення щільності, а також до зміни інших властивостей.
Хімічні властивості лужних металів
Єдиний зовнішній електрон в атомах лужних металів слабо притягується до ядра, тому їм властива низька енергія іонізації, негативне або близьке до нуля спорідненість до електрону. Елементи 1-ї групи, володіючи відновлювальною активністю, практично не здатні окисляти. У групі зверху вниз зростає активність у хімічних реакціях:
- Натрій, калій і літій при невеликому нагріванні загоряються на повітрі. Для перших двох металів характерна освіта в цій реакції пероксидів і надпероксидів, а для літію - оксиду Li2O. Рубідій і цезій на повітрі самозаймаються.
- Лужні метали здатні відновлювати навіть водень. При нагріванні взаємодіють з атомами найлегшого елемента і відновлюють його до негативно зарядженого іона H-. У реакції виходять гідриди, наприклад, NaH, KH.
- Прості речовини, що відповідають елементам 1-ї групи, взаємодіють з водою і утворюють лужі, наприклад, LiOH, NaOH, KOH. Процес супроводжується виділенням газоподібного водню, який самозаймається або вибухає. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑. Рубідій і цезій вступають у реакцію навіть з льодом. Зберігання лужних металів допускається під шаром мінеральної олії, в гасі, в запаяних скляних судинах.
- Активно взаємодіють метали 1-ї групи з галогенами, особливо енергійно відбувається реакція з фтором і хлором, при нагріванні - з сірою і фосфором. Більшість отриманих солей має хорошу розчинність.
- Якісна реакція - розкладання солей лужних металів у вогні газової пальника. Пари пофарбовують полум 'я у певний колір.
- При взаємодії лужних металів зі спиртами отримуються алкоголяти, з карбоновими кислотами вони дають відповідні солі, наприклад, форміат натрію.
Отримання та застосування лужних металів
Метали, що відносяться до 1-ї групи, в промисловості отримують електролізом розплавів їх галогенідів та інших природних сполук. При розкладанні під дією електричного струму позитивні іони на катоді приєднують електрони і відновлюються до вільного металу. На протилежному електроді відбувається окислення аніону.
При електролізі розплавів гідроксидів на аноді окислюються частинки OH-, виділяється кисень і виходить вода. Ще один метод полягає в термічному відновленні лужних металів з розплавів їх солею кальцієм. Прості речовини та сполуки елементів 1-ї групи мають практичне значення. Літій служить сировиною в атомній енергетиці, використовується в ракетній техніці. У металургії застосовується для видалення залишків водню, азоту, кисню, сірки. Гідроксидом доповнюють електроліт у лужних акумуляторах.
Натрій необхідний для атомної енергетики, металургії, органічного синтезу. Цезій і рубідій використовуються при виготовленні фотоелементів. Широке застосування знаходять гідроксиди і солі, особливо хлориди, нітрати, сульфати, карбонати лужних металів. Катіони мають біологічну активність, особливо важливі для організму людини іони натрію і калію.