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 - унуненній (Uue). Найменування групи походить від назви розчинних гідроксидів натрію і калію, що володіють реакцією і смаком лугу. Розглянемо загальні риси будови атомів елементів, властивості, одержання і застосування простих речовин.
Застаріла і нова нумерація групи
За застарілою системою нумерації лужні метали, що займають крайній зліва вертикальний стовпець таблиці Менделєєва, відносяться до I-А групі. У 1989 році в якості основного Міжнародний хімічний союз (IUPAC) запропонував інший варіант (длінноперіодних). Лужні метали відповідно до нової класифікації і суцільний нумерацією відносяться 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 у 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, який повторює будову попереднього інертного газу. У літію на передостанньому шарі - 2, у інших - по 8 електронів. У хімічних реакціях атоми легко віддають зовнішній s-електрон, набуваючи енергетично вигідну конфігурацію благородного газу. Елементи 1-ї групи мають малими величинами енергії іонізації і електронегативності (ЕО). Вони легко утворюють однозарядні позитивні іони. При переході від літію до францию зростає кількість протонів і електронів, радіус атома. Рубідій, цезій і Францій легше віддають зовнішній електрон, ніж попередні їм в групі елементи. Отже, в групі зверху вниз збільшується відновна 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 у морській воді, ропі солоних озер і лиманів, утворює поклади кам`яної або кухонної солі. Разом з Галіт зустрічаються сильвинит NaCl • KCl і сильвин 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 франций знаходять в складі уранових руд.
Послідовність відкриття лужних металів
Британський хімік і фізик Г. Деві в 1807 році провів електроліз розплавів лугів, вперше отримавши натрій і калій у вільному вигляді. У 1817 році шведський вчений Йоганн Арфведсон відкрив елемент літій в мінералах, а в 1825-м році Г. Деві виділив чистий метал. Рубідій був вперше виявлений в 1861 році Р. Бунзеном і Г. Кірхгофа. Німецькі дослідники аналізували склад алюмосиликатов і отримали в спектрі червону лінію, відповідну новому елементу. У 1939 році співробітниця Паризького інституту радіоактивності Маргарита Пере встановила існування ізотопу францію. Вона ж дала назву елементу в честь своєї батьківщини. Унуненній (ото-франций) - 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 в 8-м періоді, сьомим в 1-й групі.
Фізичні властивості лужних металів
Майже всі лужні метали мають 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 найбільшою твердістю серед сусідів по групі, але поступається тальку - самому м`якому мінералу, що відкриває шкалу Мооса. Натрій і калій легко згинаються, їх можна розрізати. Рубідій, цезій і Францій в чистому вигляді представляють тістоподібної 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 менше, ніж родинних їм речовин. Літій плаває в гасі, піднімається на поверхню води, калій і натрій також спливають в ньому.
кристалічний стан
Кристалізація лужних металів відбувається в кубічноїсингонії (об`ємно-центрованої). Атоми в її складі мають зоною провідності, на вільні рівні якої можуть переходити електрони. Саме ці активні частинки здійснює особливу хімічну зв`язок - металеву. 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 притягається до ядра, тому їм властива низька енергія іонізації, негативне або близьке до нуля спорідненість до електрона. Елементи 1-ї групи, володіючи відновлювальної активністю, практично не здатні окисляти. У групі зверху вниз зростає активність в хімічних реакціях:
- Натрій, калій і літій при невеликому нагріванні загоряються на повітрі. Для перших двох металів характерне утворення в цій реакції пероксидов і надпероксида, а для літію - оксиду Li2O. Рубідій і цезій на повітрі самозаймаються.
Лужні метали здатні відновлювати навіть водень. При нагріванні взаємодіють з атомами найлегшого елементу і відновлюють його до негативно зарядженого іона H-. В реакції виходять гідриди, наприклад, NaH, KH.- Прості речовини, відповідні елементам 1-ї групи, взаємодіють з водою і утворюють лугу, наприклад, LiOH, NaOH, KOH. Процес супроводжується виділенням газоподібного водню, який самозаймається або вибухає. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2^. Рубідій і цезій вступають в реакцію навіть з льодом. Зберігання лужних металів допускається під шаром мінерального масла, 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 сірої і фосфором. Більшість одержані солей має гарну розчинність.
- Якісна реакція - розкладання солей лужних металів у вогні газового пальника. Пари забарвлюють полум`я в певний колір.
- При взаємодії лужних металів з спиртами виходять алкоголяти, з карбоновими кислотами вони дають відповідні солі, наприклад, форміат натрію.
Отримання і 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 частки OH-, виділяється кисень і виходить вода. Ще один метод полягає в термічному відновленні лужних металів з розплавів їх солей кальцієм. Прості речовини і 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 в лужних акумуляторах.
Натрій необхідний для атомної енергетики, металургії, органічного синтезу. Цезій і рубідій використовуються при виготовленні фотоелементів. Широке застосування знаходять гідроксиди та солі, особливо хлориди, нітрати, сульфати, карбонати лужних металів. Катіони мають біологічну активність, особливо важливі для організму людини іони натрію і калію.
