Щелочные металлы, их характеристика на основе размещения в периодической системе и строении атомов. Соединения натрия и калия в природе, их использование. Калийные удобрения

Металлы, их размещение в периодической системе. Физические и химические свойства. Основные способы промышленного получения металлов. Электрохимические способы получения металлов. Электрохимический ряд напряжений металлов. Понятие о коррозии на примере ржавления железа. Значение металлов в народном хозяйстве.

В настоящее время известно 109 элементов, большинство из которых как по физическим, так и по химическим свойствам являются металлами. В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ<5) и тяжелые (ρ>5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от 38.9° (ртуть) до 3380° (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на ВЭУ имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7 электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Ме средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные Ме с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны. По своей активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие металлы.

Электролиз – ОВ процесс, протекающий при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. Анодом называется положительный электрод, на нем происходит окисление; катодом называется отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента. Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до алюминия не восстанавливаются, но идет процесс восстановления водорода из воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых анодов, на них образуются катионы металла, из которого сделан анод.

Основные промышленные способы получения металлов:

1. Пирометаллургический:

1) коксотермия Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Fe(CO)₃ → Fe + 5CO

2) алюмотермия Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

3) магнийтермия TiO₂ + 2Mg → Ti + 2MgO

4) водородотермия CuO + H₂ → Cu + H₂O

2. Электрохимический:

1) электролиз расплавов: NiCl₂ → Ni + Cl₂

2) электролиз растворов: MgSO₄ + 2H₂O → Mg + O₂ + H₂ + H₂SO₄

3. Гидрометаллургический:

Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

CuSO₄ + Fe → Cu + FeSO₄.

К элементам группы 1А относятся литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Все металлы серебристого цвета, кроме цезия (желтый). Относятся к легким металлам. Очень мягкие – режутся ножом. Все щелочные металлы сильные восстановители. Реакционная способность возрастает в ряду литий – цезий. Самым активным является цезий, т. к. у него самый низкий потенциал ионизации. Щелочные металлы энергично реагируют с большинством неметаллов, разлагают воду, бурно реагируют с растворами кислот. Комплексообразование для щелочных металлов не характерно. В природе в свободном виде не встречаются ввиду их чрезвычайной активности. Литий существенно отличается от остальных элементов группы: он не имеет р-орбиталей. По ряду свойств он ближе к магнию, чем к щелочным металлам. Наиболее промышленно важные металлы – это калий и натрий. Основные природные соединения этих металлов – поваренная соль (NaCl), мирабилит (Na₂SO₄·10H₂O), сильвинит (NaCl·KCl), сильвин (KCl), ортоклаз (K[AlSiO₃]), карналлит (KCl·MgCl₂·6H₂O). Основные способы получения – электролиз расплавов их солей в смеси с KCl, CaCl₂ (натрий) и NaCl (калий). Применяется также восстановление их оксидов, хлоридов, карбонатов алюминием, кремнием, кальцием, магнием при нагревании в вакууме:

6KCl + 4CaO + 2Al(Si) → 6K + 3CaCl₂ + CaO·Al₂O₃(CaO·SiO₂)

Химические свойства:

1. С простыми веществами:

1) 2Э + H₂ →2ЭH

2) 2Э + Hal₂ → 2ЭHal

3) 2Э + O₂ → Э₂O₂ (Li₂O)

4) 2Э + S → Э₂S

5) 6Э + N₂ → 2Э₃N t

6) 3Э + P → Э₃P.

2. Со сложными веществами:

1) 2Э + 2HCl(p) → 2ЭCl + H₂

2) 2Э + 2H₂O → 2ЭOH + H₂

3) 2Э + H₂SO₂ → Э₂SO₂ + H₂

4) 8Э + 10HNO₃ → 8ЭNO₃ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Щелочные металлы и их соединения – важнейшие компоненты различных химических производств. Они используются в металлотермическом производстве различных металлов, таких как Ti, Zr, Nb, Ta. Соединения натрия и калия находят применение в мыловарении (Na₂CO₃), производстве стекла (Na₂CO₃, K₂CO₃, Na₂SO₄, Li₂O), используются для отбелки и дезинфекции (Na₂O₂), в качестве удобрений (KCl, KNO₃). Из поваренной соли получают многие важные химические соединения: Na₂CO₃, NaOH, Cl₂.

Калий улучшает водный режим растений, способствует обмену веществ и образованию углеводов, повышает морозо- и засухоустойчивость. Содержание калия выражается в пересчете на К₂О. Стандартным считается удобрение, содержащее 41,6% К₂О. Важнейшими калийными удобрениями являются хлорид и сульфат калия. Хлорид калия содержит 50-60% К₂О и его получают из минералов, используя его особую растворимость. Сульфат калия содержит 45-52% К₂О и получается следующим образом:

2KCl + 2MgSO₄ → K₂SO₄·MgSO₄ + MgCl₂

K₂SO₄·MgSO₄ + 2KCl → 2K₂SO₄ + MgCl₂

Дата добавления: 2015-04-24