Основные характеристики щелочных металлов

Характеристика	Li	Na	K	Rb	Cs	Fr
Металлический радиус атома, нм	0,155	0,189	0,236	0,248	0,268	0,280
Энергия ионизации I 1, кДж/моль	520,2	495,8	418,8	403,0	375,7
Сродство к электрону Ее _, кДж/моль	59,63	52,86	48,39	46,88	45,50	44,4
Температура плавления, °С	180,5	97,8	63,5	39,31	28,5
Температура кипения, °С		882,9
Электроотрицательность c (по шкале Полинга)	0,98	0,93	0,82	0,82	0,79	0,7
Уменьшение
Плотность ρ, г/см3	0,531	0,97	0,859	1,53	1,88	1,87
Стандартный электродный потенциал Е , В	–3,04	–2,71	–2,93	–2,98	–3,026	–2,9

Как видно из представленных данных, в ряду Li – Cs наблюдается закономерное увеличение радиусов атомов. При переходе от лития к цезию металлические свойства и восстановительная способность элементов усиливаются.

Для всех атомов щелочных металлов характерны наиболее низкие среди всех элементов значения относительных э лектроотрицательностей. Поэтому химическая связь в большинстве соединений
s -элементов I группы преимущественно носит ионный характер.

Распространение в природе: Na – 2,5 масс. %, K – 2,5 масс. %. Остальные щелочные металлы встречаются в природе в виде примесей к солям Na и K. В свободном состоянии щелочные металлы не существуют. Важнейшие минералы, содержащие щелочные металлы:

Li		Li2O × Al2O3 × 4SiO2 – сподумен;
Na		NaCl – каменная соль;
Na2SO4 × 10H2O – глауберова соль (мирабилит);
NaNO3 – чилийская селитра;
К		KCl – сильвин; KCl × NaCl – сильвинит;
KCl × MgCl2 × 6H2O – карналлит;
KNO3 – калийная селитра.

Получение. Все щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений, являются сильными восстановителями, и их получение требует высоких энергетических затрат.

Литий получают электролизом расплава хлорида лития, который образуется при переработке сподумена. Переработка сподумена – процесс довольно сложный, сернокислотный метод включает стадии получения сульфата лития, карбоната лития и далее хлорида лития:

Li₂O × Al₂O₃ × 4SiO₂ + H₂SO₄ Li₂SO₄ + Al₂O₃ + 4SiO₂ × H₂O;

Li₂SO₄ + Na₂CO₃ = Li₂CO₃↓ + Na₂SO₄;

Li₂CO₃ + 2HCl = 2LiCl + CO₂↑ + H₂O.

Сульфатный метод:

Li₂O × Al₂O₃ × 4SiO₂ + K₂SO₄ Li₂SO₄ + K₂O × Al₂O₃ × 4SiO₂.

Известковый способ включает стадии получения алюмината лития, гидроксида лития, хлорида лития:

Li₂O × Al₂O₃ × 4SiO₂ + 4CaCO₃ Li₂O × Al₂O₃ + 4(CaO × SiO₂) + CO₂↑;

2LiAlO₂ + Ca(OH)₂ = 2LiOH + Ca(AlO₂)₂;

LiOH + HCl = LiCl + H₂O;

2LiCl 2Li + Cl₂.

Известен также способ получения лития из его оксида в вакууме:

2Li₂O + Si 4Li + SiO₂.

Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция, понижающими температуру плавления:

В электролизере происходят следующие электродные реакции:

Катод ⊝: Na⁺ + e ^– = Na;

Анод ⊕: 2Cl^– – 2 e ^– = Cl₂;

2NaCl 2Na + Cl₂.

Натрий можно получить, прокаливая соду с углем в закрытых тиглях, пары металла конденсируются на крышке тигля, выход реакции невысокий:

Na₂CO₃ + 2C 2Na + 3CO.

Калий, рубидий и цезий можно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом их не получают из-за высокой химической активности.

Калий получают, пропуская пары натрия через расплав хлорида калия при 800°С, выделяющиеся пары калия конденсируют:

KCl + Na K↑ + NaCl.

или при взаимодействии между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием при 440°С:

KOH + Na K↑ + NaOH.

Рубидий и цезий получают восстановлением их хлоридов кальциием в вакууме при 700–800°С:

2RbCl + Ca 2Rb + CaCl₂.

В качестве восстановителя также используют магний, алюминий, кремний, цирконий.

Физические свойства. Щелочные металлы – это серебристо-белые блестящие металлы, быстро тускнеющие на воздухе. Для них характерны низкие температуры плавления, малые значения плотностей, низкий потенциал ионизации, который уменьшается с увеличением атомного номера (табл. 8.1). Щелочные металлы мягкие, режутся ножом.

Низкие значения температур кипения и плавления для щелочных металлов объясняются тем, что в их кристаллах металлическая связь непрочная (на один атом металла приходится только один свободный электрон). По мере роста радиуса атома прочность, связи в кристаллах щелочных металлов закономерно уменьшается. Следовательно, в ряду Li ‒ Cs понижаются температуры кипения и плавления. Щелочные металлы относятся к группе легких металлов (плотность меньше 5 г/см³), что объясняется строением их кристаллической решетки.

Химические свойства. Типичные металлы, очень сильные восстановители. Восстановительная способность увеличивается с ростом атомной массы: Li – Na – K – Rb – Cs.

Реакции с простыми веществами:

С кислородом. Продукты окисления щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла. Только литий окисляется на воздухе с образованием оксида:

4Li + O₂ = 2Li₂O^–2 (оксид).

При окислении натрия в основном образуется пероксид Na₂O₂ с небольшой примесью надпероксида NaO₂:

2Na + O₂ = Na₂O (пероксид).

В продуктах окисления калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды:

K + O₂ = KO (надпероксид).

Элементы могут образовывать озониды по реакции с озоном:

K + O₃ = KO₃;

4KOH + 4O₃ = 4KO₃ + O₂ + 2H₂O.

Оксиды щелочных металлов Ме₂О – кристаллические термически устойчивые вещества, при взаимодействии с водой образуют щелочи:

Ме₂О + Н₂О = 2МеОH.

Все пероксиды, надпероксиды, озониды – сильные окислители и разлагаются водой:

K₂O₂ + 2H₂O = 2KOH + H₂O₂;

2KO₂ + 2H₂O = 2KOH + O₂ + H₂O₂;

4KО₃ + 2H₂O = 4KOH + 5O₂.

С водородом. При нагревании щелочные металлы соединяются с водородом с образованием гидридов:

2Na + H₂ 2NaH^–1 (гидрид).

Гидриды металлов – сильные восстановители за счет водорода в степени окисления –1. Гидриды разлагаются водой и кислотами с выделением водорода:

NaH + H₂O = NaOH + H₂;

NaH + HCl = NaCl + H₂.

С галогенами щелочные металлы взаимодействуют с образованиием галогенидов:

2Na + Cl₂ 2NaCl^–1 (хлорид).

С серой щелочные металлы взаимодействуют с образованием сульфидов:

2Na + S Na₂S^–2 (сульфид).

С азотом, фосфором, углеродом и кремнием щелочные металлы взаимодействуют с образованием, соответственно, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов. Полученные соединения разлагаются водой и кислотами c образованием летучих водородных соединений:

6Na + N2 2Na 3N–3 (нитрид);     3Na + P Na3P–3 (фосфид);   2Na + 2C Na2C2–1 (карбид); 4Na + Si Na4Si–4 (cилицид)

Na3N + 3H2O = 3NaOH + NH3↑; Na3N + 4HCl = 3NaCl + NH4Cl; Na3P + 3H2O = 3NaOH + PH3↑; Na3P + 3HCl = 3NaCl + PH3↑; Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2↑; Na4Si + 4H2O = 4NaOH + SiH4↑