§ 46. Шчолачныя металы

Агульныя звесткі пра шчолачныя металы

Шчолачныя металы як хімічныя элементы аб’ядноўвае аднолькавая будова валентнага электроннага слоя атамаў, электронная канфігурацыя якога ў асноўным стане выяўляецца формулай ns¹ (табл. 32). Шчолачныя металы валодаюць нізкай электраадмоўнасцю. Валентны электрон слаба звязаны з атамам з-за малой велічыні зарадаў, якія ўзаемадзейнічаюць, і вялікага памеру атама. Гэта вызначае высокую хімічную актыўнасць шчолачных металаў і яе ўзмацненне па групе зверху ўніз у сувязі з павелічэннем радыуса атамаў і паслабленнем узаемадзеяння валентных электронаў з ядром. Пры аддачы валентных электронаў атамы праяўляюць ступень акіслення +1 і ўтвараюць, як правіла, злучэнні з іонным тыпам хімічнай сувязі.

Табліца 32. Характарыстыкі атамаў і простых рэчываў шчолачных металаў

У табліцы 32 падсумаваны звесткі аб будове і ўласцівасцях атамаў шчолачных металаў, а таксама супастаўлены фізічныя ўласцівасці простых рэчываў. Прыведзеныя даныя паказваюць, што шчолачныя металы маюць невялікую шчыльнасць і нізкія тэмпературы плаўлення. Шчолачныя металы ўяўляюць сабой крышталічныя рэчывы з добрай электра- і цеплаправоднасцю.

У зямной кары самымі распаўсюджанымі са шчолачных металаў з’яўляюцца натрый і калій (па 2,4 %). Астатнія s-элементы IA-групы адносяцца да рэдкіх элементаў.

З прычыны высокай хімічнай актыўнасці шчолачныя металы знаходзяцца не ў свабодным стане, а ў выглядзе злучэнняў. Большая частка атамаў натрыю і калію ўваходзіць у састаў розных сілікатаў, у тым ліку і алюмасілікату — палявога шпату. У прамысловых маштабах здабываюць галіт, каменную соль (NaCl), сільвін (KCl), сільвініт (сумесь KCl і NaCl). Рэспубліка Беларусь валодае вялікімі запасамі гэтых солей. Да прыродных злучэнняў адносяцца таксама салетры — NaNO₃, KNO₃ і мірабіліт — Na₂SO₄ · 10H₂O.

Распазнаць прысутнасць у рэчыве іонаў шчолачнага металу можна па характэрнай афарбоўцы полымя гарэлкі пры ўнясенні ў яго ўзору рэчыва на жалезным (плацінавым, ніхромавым) дроце (мал. 109, Дадатак 3).

Гэты эфект пакладзены ў аснову спектраскапічных метадаў якаснага і колькаснага вызначэння шчолачных металаў.

Атрымліваюць шчолачныя металы электролізам расплаваў іх солей, напрыклад:

Хімічныя ўласцівасці шчолачных металаў

Шчолачныя металы ўзаемадзейнічаюць з многімі простымі рэчывамі неметаламі. Так, з галагенамі шчолачныя металы рэагуюць без награвання, з серай, вадародам і азотам — пры награванні, за выключэннем літыю, які ўзаемадзейнічае з азотам пры пакаёвай тэмпературы:

Звярніце ўвагу, што гідрыды з’яўляюцца моцнымі адноўнікамі. Яны аднаўляюць вадарод з вады: NaH + H₂O = NaOH + H₂↑.

На паветры на паверхні шчолачных металаў утвараецца рад злучэнняў. Літый найменш актыўны. Калій можа загарэцца самаадвольна. Таму шчолачныя металы захоўваюць у добра закаркаваных слоіках пад слоем газы або ў запаяных ампулах.

Пры згаранні на паветры шчолачныя металы ўтвараюць злучэнні, у якіх утрыманне кіслароду павялічваецца ад Li да Cs:

• • літый утварае аксід: 4Li + O₂ = 2Li₂O;
• • натрый — пераксід Na₂О₂: 2Na + O₂ = Na₂O₂;
• • калій, рубідый, цэзій — надпераксіды KO₂, RbO₂, CsO₂: K + O₂ = KO₂.

Аксід натрыю Na₂O можна атрымаць толькі ўскосным шляхам, награваючы пераксід натрыю з металічным натрыем:

Шчолачныя металы пачынаюць рад актыўнасці і здольныя аднаўляць вадарод з вады з утварэннем шчолачы:

Гэтая рэакцыя суправаджаецца моцным экзатэрмічным эфектам, і вадарод, які вылучаецца, можа загарэцца. Для найбольш актыўных шчолачных металаў такі працэс суправаджаецца выбухам, таму шчолачныя металы старанна ахоўваюць ад вады. Яшчэ больш энергічна гэтыя металы ўзаемадзейнічаюць з кіслотамі.

Шчолачныя металы рэагуюць таксама з феноламі і спіртамі:

2Na + 2C₆H₅OH = 2C₆H₅ONa + H₂↑;
2Na + 2C₂H₅OH = 2C₂H₅ONa + H₂↑.

Злучэнні шчолачных металаў

Злучэнні шчолачных металаў, як правіла, крышталічныя, добра растваральныя ў вадзе рэчывы, якія не маюць афарбоўкі.

Аксіды металаў IA-групы ўзаемадзейнічаюць з вадой, кіслотнымі і амфатэрнымі аксідамі, кіслотамі, што характэрна для тыповых асноўных аксідаў.

Аксіды шчолачных металаў раствараюцца ў вадзе з утварэннем гідраксідаў:

узаемадзейнічаюць з газападобнымі кіслотнымі аксідамі:

з цвёрдымі кіслотнымі і амфатэрнымі аксідамі пры награванні, а часам нават пры плаўленні сумесі кампанентаў:

з кіслотамі, утвараючы сярэднія або кіслыя солі ў залежнасці ад асноўнасці кіслаты і суадносін кампанентаў, напрыклад:

Аксіды шчолачных металаў могуць узаемадзейнічаць з кіслымі солямі:

Na₂О₂ ўзаемадзейнічае з вадой, утвараючы пераксід вадароду:

Nа₂O₂ + 2Н₂O = 2NaOH + H₂О₂.

Пераксід вадароду можа раскладацца з утварэннем атамарнага кіслароду: H₂О₂ = H₂О + O↑. Таму Na₂О₂ прымяняюць для адбельвання саломы, шоўку, воўны і іншых матэрыялаў. Эфект адбельвання абумоўлены ўздзеяннем атамарнага кіслароду.

Пераксід натрыю выкарыстоўваюць у процівагазах, пры падводных работах. Яго прымяненне ў гэтых выпадках заснавана на рэакцыі ўзаемадзеяння з дыаксідам вугляроду:

Na₂O₂ + CO₂ → Na₂CO₃ + O₂↑.

Вуглякіслы газ, які выдыхаецца лёгкімі, паглынаецца з адначасовым вылучэннем газападобнага кіслароду. Апошні зноў можа служыць для дыхання.

Гідраксіды шчолачных металаў — крышталічныя рэчывы, якія плавяцца без раскладання. Усе гідраксіды моцна паглынаюць вільгаць з паветра і могуць выкарыстоўвацца як асушальнікі. Яны добра растваральныя ў вадзе і дысацыіруюць у ёй цалкам:

Тыповыя хімічныя ўласцівасці шчолачаў вы сістэматызавалі пры вывучэнні матэрыялу § 27, табліцы 18, разглядаючы іх у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі. Нагадаем, што шчолачы ўступаюць у рэакцыі з кіслотамі, солямі, кіслотнымі і амфатэрнымі аксідамі, амфатэрнымі гідраксідамі. NaOH і KОН у прамысловасці атрымліваюць электролізам водных раствораў хларыдаў:

Солі шчолачных металаў за невялікім выключэннем добра раствараюцца ў вадзе і з’яўляюцца моцнымі электралітамі.

Солі шчолачных металаў рэагуюць з кіслотамі, солямі іншых металаў толькі ў выпадку выпадзення прадукту ў асадак, утварэння маладысацыіраванага або газападобнага рэчыва. Прыклады рэакцый прыведзены раней у табліцах 17, 19. Вам ужо вядома, што солі галагенавадародных кіслот рэагуюць у растворах з галагенамі (§ 30).

Біялагічная роля і прымяненне злучэнняў шчолачных металаў

Іоны натрыю і калію адыгрываюць важную ролю ў жыццядзейнасці арганізма чалавека і жывёл. У арганізме дарослага чалавека ўтрыманне натрыю складае каля 150 г, а калію — каля 250 г. Іоны натрыю ўплываюць на электралітычны баланс клетак арганізма, удзельнічаюць у транспарце праз мембраны клетак амінакіслот, цукроў, неарганічных і арганічных аніёнаў, ва ўтварэнні страўнікавага соку. Іоны калію вызначаюць узбуджальнасць і праводнасць сардэчнай мышцы, удзельнічаюць у працэсах перадачы нервовых імпульсаў. Літый здольны рэгуляваць актыўнасць ферментаў.

Іоны калію неабходныя для жыцця раслін. Яны знаходзяцца ў асноўным у клетачным соку, дапамагаюць сінтэзу бялкоў і цукроў, назапашванню вугляводаў, нармалізуюць працэс фотасінтэзу, спрыяюць павышэнню механічнай трываласці тканак, устойлівасці да некаторых захворванняў.

Злучэнні шчолачных металаў знайшлі прымяненне ў разнастайных галінах прамысловасці. Да прыкладу, сілікаты літыю неабходны для вырабу трывалай керамікі. Cплаў літыю (₇Li) з натрыем служыць эфектыўным цепланасіцелем у ядзерных рэактарах. Літый выкарыстоўваюць у металургіі лёгкіх сплаваў, у вытворчасці акумулятарных батарэй.

Нобелеўскую прэмію па хіміі за 2019 год атрымалі Джон Гудэнаф, Стэнлі Уітынгем і Акіра Ёсіно за распрацоўку літый-іонных батарэй. Літый-іонныя батарэі значна лягчэйшыя і кампактныя, чым больш раннія тыпы акумулятараў. Яны выкарыстоўваюцца ў мабільных тэлефонах, ноўтбуках, кардыёстымулятарах, электрамабілях.

З хларыду натрыю атрымліваюць гідраксід натрыю, пераксід натрыю, хлор, кальцыніраваную соду Na₂CO₃ і пітную соду NaHCO₃ (харчовая дабаўка Е500).

Сульфат натрыю выкарыстоўваюць у шкляной і гарбарнай прамысловасці, вытворчасці мыйных сродкаў і медыцынскіх прэпаратаў.

Сілікат натрыю Na₂SiO₃ атрымліваюць сплаўленнем NaOH або соды з крэменезёмам:

Ён неабходны для вырабу гарачатрывалага, кіслота- і гідраўстойлівага бетону, вогнетрывалых фарбаў, клеяў, супрацьпажарных пакрыццяў па дрэве (антыпірэнаў), для ўмацавання слабых грунтоў, у вытворчасці электродаў, для ачысткі расліннага і машыннага алеяў.

Гідраксіды натрыю і калію выкарыстоўваюцца для прыгатавання электралітаў шчолачных акумулятараў, а таксама ў вытворчасці мыла, фарбаў, цэлюлозы.

Солі калію KCl, KNO₃, K₂CO₃ — важныя мінеральныя ўгнаенні.

Пытанні, заданні, задачы

1. Выкарыстоўваючы даныя табліцы 32, ахарактарызуйце фізічныя ўласцівасці шчолачных металаў. Параўнайце іх з іншымі вядомымі вам металамі. Якія заканамернасці ў змяненні іх уласцівасцей назіраюцца з павелічэннем парадкавага нумара элемента?

2. Як даказаць, што пры ўзаемадзеянні натрыю з вадой утвараецца шчолач?

3. Чым тлумачыцца патрэбнасць чалавека ў солях натрыю і калію? Для чаго іх выкарыстоўваюць у медыцыне?

4. Складзіце ўраўненні рэакцый літыю, натрыю, калію з кіслародам, з вадой.

5. Разлічыце масу хларыду натрыю, неабходную для падрыхтоўкі гіпертанічнага раствору аб’ёмам 1 дм³ (ω = 10 %, ρ = 1,071 г/см³).

6. Прывядзіце ўраўненні рэакцый узаемадзеяння KOH з кіслотамі, кіслотнымі аксідамі, растворамі солей.

7. Запішыце ўраўненні рэакцый атрымання натрыю і калію электролізам расплаву адпаведных солей.

8. Складзіце ўраўненні рэакцый паводле схемы:

9. Вызначце масу шчолачы і аб’ём хлору, што можна атрымаць пры электролізе раствору хларыду натрыю, які змяшчае соль масай 1 кг. Ператварэнню падвяргаецца 82 % солі ад зыходнай колькасці.

10. Дэкагідрат сульфату натрыю (глаўберава соль) Na₂SO₄ · 10Н₂O ў прыродзе сустракаецца ў выглядзе мінералу мірабіліту, які выпадае з марской вады ў заліве-лагуне Кара-Багаз-Гол (Каспійскае мора) у халодны час года. Разлічыце масу глаўберавай солі, якая выпадзе з 10 кг насычанага пры 30 °С раствору гэтай солі, калі яго астудзіць да 0 °С. Растваральнасць Na₂SO₄ пры 30 °С складае 40,8 г на 100 г вады, а пры 0 °С — 5,0 г на 100 г вады.

*Самакантроль

1. Цвёрдымі рэчывамі з’яўляюцца:

• а) K;
• б) NaH;
• в) LiOH;
• г) KNO₃.

2. Формулы мінералаў галіту і мірабіліту адпаведна:

• а) KCl і NaCl;
• б) KNO₃ і NaNO₃;
• в) KСl і Na₂SO₄;
• г) NaСl і Na₂SO₄ ∙ 10H₂O.

3. Шчолачны метал можна атрымаць у выніку ператварэння:

• а) KСl_{(расплаў)} ;
• б) NaCl_(р-р) ;
• в) NaСl_(р-р) + K ;
• г) Na₂SO_4(р-р) .

4. У рэакцыі натрыю з кіслародам пераважна ўтвараюцца:

• а) NaOH;
• б) Na₂O;
• в) Na₂O₂;
• г) NaH.

5. У адкрытым сасудзе на паветры знаходзіцца кавалачак літыю. На яго паверхні могуць утварыцца:

• а) Li₂O;
• б) LiOH;
• в) Li₃N;
• г) Li₃PO₄.