Самые активные металлы

Семь металлов создал свет

По числу семи планет:

Медь, железо, серебро.

Дал нам космос на добро.

Злато, олово, свинец.

Сын мой, сера - их отец,

А еще ты должен знать:

Всем им ртуть - родная мать.

Историческая справка о роли металлов в жизни человека

Химические элементы, образующие в свободном состоянии простые веще ства с металлической связью, называются металлами. Из известных химич еских элементов: 87 - металлы и только 22 - неметаллы.

Такие металлы, как золото, серебро и медь известны человеку с доистори ческих времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов, которые считались представителями семи планет. А лхимики дали им особые обозначения.

М. В. Ломоносов определял металл как "светлое тело, которое ковать можно " и относил к металлам золото, медь, олово, железо и свинец. А. Лавуазье в " Начальном курсе химии" (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале 19 века после довало открытие платиновых металлов, затем щелочных, щелочноземельны х и ряда других. триумфом периодического закона было открытие металло в, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым - галлия, скандия, герман ия. В середине 20 века с помощью ядерных реакций были получены трансура новые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы. Совр еменная металлургия получает свыше 75 металлов и на их основе более 5000 с плавов. Еще в глубокой древности человек обратил внимание на особые с войства металлов: их можно расплавить, а затем придать им любую форму, изготовив при этом наконечники стрел и копий, щиты и мечи, посуду и плу ги. На часах человеческой истории каменный век сменился веком медным , затем - бронзовым, далее - железным. Все металлы, кроме ртути, в обычном с остоянии твердые вещества и имеют ряд общих свойств. Металлы - это ковк ие, пластичные, тягучие вещества, которые имеют металлический блеск и способны проводить тепло и электрический ток.

Металлы можно сгруппировать в соответствии с их химическими свойств ами и поведением во время химических реакций. Существует пять основны х групп металлов: благородные металлы, щелочные металлы, щелочно-земел ьные, переходные металлы и бедные (низкие) металлы.

Открытие щелочных металлов

Рассмотрим группу щелочных металлов. Щелочные металлы - это группа, в которую входят шесть очень реактивных металлов. Среди них - Лити й - Li , Натрий - Na , Калий - K , Рубидий - Rb , Цезий - Cs , Франций - Fr , со ставляющие первую группу ПСХЭ. Точка замерзания этих металлов низкая. Это очень мягкие металлы, и их можно разрезать даже ножом. Вступая в р еакцию с водой, они образуют щелочные растворы, поэтому-то их и называю т щелочными металлами. Как же все таки были открыты щелочные металлы? Li , Na , K , Rb , Cs , Fr встре чаются в природе всегда в виде соединений с другими элементами. Челов ечество познакомилось с ними гораздо позже, чем с малоактивными метал лами. Потребовалось немало усилий, чтобы "заставить" активные металлы р асстаться со своими "партнерами" и обнаружить все свои удивительные ф изические и химические особенности.

Литий - самый легкий из всех металлов - был открыт в 1817 году Ар фведсеном при исследовании минерала петалита. Минерал этот обнаружил еще в 1800 году в Швеции бразильский ученый де-Андрода-е Сильва; этот же и сследователь нашел в Швеции и другой минерал - лепидолит, также содерж ащий Li. По предложению Берцелиуса, новый элемент полу чил название "литий", произведенное от греческого "литос", что значит ка мень. Несмотря на то, что Г. Дэви и Бранде в 1818 году удалось выделить небо льшие количества Li , применяя метод электролиза к гид роксиду Li , промышленное получение металла было нала жено гораздо позднее (в 1855 году), когда в качестве сырья стали использов ать хлорид Li. Li в виде соединений мо жно обнаружить не только в минералах, но и в воде различных источников. Обычно Li встречается вместе с Na и K , что вполне естественно, так как они представ ители одной общей группы - щелочных металлов.

Натрий - Уже в древние времена из природных соединений это го элемента и из золы растений получили растворы, обладавшие хорошим моющим действием. Они содержали вещества, дающие в водном растворе ще лочную реакцию - карбонаты Na и K. В 17 ве ке пришли к заключению, что щелочной раствор, получаемый из золы расте ний, отличается от щелочи, полученной из минеральных веществ. Соединен ия Na в основном извлекаются из минеральных исто чников. В 18 веке А. Клапрот ввел термин "натрон" для минеральной щелочи. П осле того, как удалось получить Na в свободном состоя нии, было предложено название "содий". Позже И. Берцелиус назвал этот мет алл "натрий", т. е. так же, как мы его называем сейчас. Открытие этого метал ла представляет яркий пример того, каким важным и плодотворным событи ем в науке является исследование новых сил природы. Г. Дэви провел опыт с натриевой щелочью, что привело к открытию натрия.

Калий - был получен Г. Дэви практически одновременно с Na в 1807 году. Эти элеме нты - ровесники. Г. Дэви подвергал влажный кусо к гидроксида K электролизу, и металлический калий заявил о своих и ндивидуальных свойствах цветом пламени. Маленькие шарики расплавлен ного металла, при соприкосновении с воздухом загорались, но не желтым, как у Na , а фиолетовым пламенем. Новый элемент был назв ан "потассием". Буквально слово "пот-аш" значит "горшок-зола" - зола, получае мая в горшках. Золу растений выпаривали в горшках, для получения щелоч и. Поташ ценили не только как моющее средство, но и как сырье для выдел ки селитры, а следовательно - пороха. Название "калий" произведено от ара бского "ал-кали" - щелочь.

Рубидий - Этот элемент появился в поле зрения химиков всего 120 лет назад. Кирхгоф и Бунзен в 1861 году применили разработанный ими мет од спектрального анализа к исследованию осадка, полученного при выпа ривании воды минеральных источников. Они заметили в спектре пламени, куда были внесены частицы осадка, пурпурно-красные линии. Предполагае мый новый элемент и получил название "рубидий", т. е. пурпурно-красный. В 1863 году удалось выделить металлический Rb , путем восс тановления его соединений углем. Источником для получения металличес кого Rb служит обычно минерал лепидолит.

Цезий - Он так похож на рубидий, что в его описании приходит ся дословно повторять то, что было сказано о рубидии. И открыты оба эле мента были почти одновременно - цезий на год раньше (в 1860 году) теми же ис следователями - Кирхгофом и Бунзеном. Cs был первым эле ментом, открытым спектральным анализом, методом, впоследствии сыгравш им важную роль в развитии наших знаний о химическом составе космичес ких тел и в успехах аналитической химии. Сведения о Cs проникали в науку постепенно. В 1860 году Р. Бунзен и Г. Кирхгоф, изучая составы минеральных вод, выпаривали воду из Дюркхеймского источника, удалили из воды K , Mg , Sr , Li и внесли каплю упаренного раствора в пламя гр елки, при этом появились две голубые линии. По цвету этих линий и было д ано название новому элементу "цезиус", что значит по латыни "голубой". Р. Б унзен попытался выделить Cs в свободном состоянии. Пе реработав 300 т минеральной воды, в его руках оказалось лишь 50г соединени я нового элемента. Через 22 года после этого открытия, Cs был выделен в свободном состоянии химиком К. Заттербергом при эл ектролизе смеси цианистых солей Cs и Ba ; и Н. Н. Бекетовым посредствам восстановления алюмината цезия CsAlO 2 магнием в токе водорода.

Франций - самый тяжелый из щелочных металлов, является в то же время и радиоактивным элементом. В 1939 году французская исследовател ьница М. Пере открыла этот элемент, изучая продукты радиоактивного рас пада актиния, и в честь своей родины назвала его "францием". Д. И. Менделе ев предвидел открытие Fr и назвал его "экацезием" (прис тавка "эка" по-санскритски значит первый, и поэтому поиски его были целе направлены). Этот элемент нельзя видеть, так как на всем земном шаре ег о имеется 25 мг.

Положение в ПСХЭ, особенности строения атомов

Щелочные металлы - литий - Li , натрий - Na , калий - K , рубидий - Rb , цезий - Cs , франций - Fr находятся в главной подгруппе 1 группы ПСХЭ Д. И. Менде леева. Практически наиболее важные из них - натрий и калий. Строение ато мов щелочных металлов аналогично. Отличаются они лишь значением атом ного радиуса.

Рубидий - 0. 248 Литий - 0. 152

Цезий - 0. 268 Натрий - 0. 186

Франций - 0. 27 Калий - 0. 231

Наименьший атомный радиус среди щелочных металлов имееет Li. Его наружный S - электрон наход ится на втором энергетическом уровне. Наибольший атомный радиус у Fr. Его наружный S - электрон наход ится на седьмом энергетическом уровне. В наружном слое двигается S 1 , наружный слой не завершен, до завершения не хва тает 7 е - , поэтому в химических реакциях атомы щелоч ных металлов отдают наружный электрон и во всех соединениях проявляю т степень окисления +1, являясь восстановителями. С увеличением размер ов атомов от Li к Fr энергия и онизации атомов уменьшается и, как правило, возрастает их химическая активность.

Ряд активности: Li ; Na ; K ; Rb ; Cs ; Fr

Теряя внешние электроны, щелочные металлы все более активно вст упают в такие химические реакции, которые связаны с отдачей электроно в. Это реакции окисления. Элементы, стоящие в начале периодов, проявляю т сходство друг с другом, так как все они имеют по одному внешнему элек трону, и отличаются друг от друга, так как все они различаются числом э лектронных слоев, радиусом атома и энергией связи внешнего электрона с ядром. Единственный электрон на наружной оболочке ведет себя при хи мических воздействиях различно. У Li ; Na ; K ; Rb ; Cs ; Fr электрон легко отрывается, у Rb и Cs - даже под действием светового луча, так как он очень не прочно связан с ядром атома.

Li - начало второго периода, 2 -электрона образуют прочно е сочетание, а 3-ий электрон находится на большем расстоянии то ядра и с лабее с ним связан.

Na - начало третьего периода, у него уже три электронны х слоя, во-втором слое содержится - 8 е, на третьем - 1 е. Этот внешний электрон еще слабее связан с ядром, чем электрон у Li.

K - начало четвертого периода, на внешнем слое имеет 1 е, отделенный от ядра 16 е, размещенных в трех предше ствующих слоях (2, 8, 8, 1). Прочность связи внешнего электрона с ядром продол жает уменьшаться.

Rb - начало пятого периода, его атом еще в большей степе ни "перегружен" электронами - внешний электрон отделен от ядра 36 е (2, 8, 18, 8, 1)

У Cs , начинающего шестой период в атоме 55 е (2, 8, 18, 18, 8, 1)

Fr - содержит уже 87 е в атоме, размещенных в се ми слоях (2, 8, 18, 32, 18, 8, 1)

Понятно, что Cs легче, чем Rb , а Fr легче, чем Cs.

Кристаллическая решетка, физические и химические свойства

Элементы щелочных металлов образуют простые вещества аналогично на званию. Молекулы их одноатомные, кристаллическая решетка - металлическ ая. Ее особенностью являются свободнодвигающиеся электроны, образующ ие плотную упаковку частиц. Кристаллическая решетка обеспечивает сле дующие физические свойства щелочных металлов. Все щелочные металлы с еребристо-белого цвета с незначительными оттенками, легкие, мягкие, ле гкоплавкие. Их твердость и температура плавления закономерно снижают ся от Li к Cs.

Строение наружного слоя обеспечивает химические свойства. Щелочные м еталлы являются сильными восстановителями. Они энергично реагируют с о своими неметаллами, включая водород. В реакциях с кислородом при гор ении только Li образует оксид: 4 Li + O 2 2 Li 2 O , оксид лития

Остальные щелочные металлы образуют пероксиды. Пероксиды являются с олями пероксида водорода H 2 O 2. Степень окисления кислорода в пероксидах равна -1. Учитывая актив ность щелочных металлов в реакциях с O 2 , N 2, H 2 O воздуха, их х ранят под слоем керосина, с которым они не реагируют.

Нахождение металлов в природе и способы их получения

Li - получают из хлорида лития. Хлорид лития получают путем химической переработки минералов лепидолита, амблиго нита, сподумена и т. д. Силикаты, содержащие Li , широко р аспространены в природе. Известно их около 1500. В виде соединений литий можно обнаружить не только в минералах, но и в воде различных источни ков, в морской воде и даже в растениях. Обычно Li в стречается вместе с K ; Na. Полученные р азличными методами соли лития являются ценным сырьем для ряда отрасл ей промышленности. Также они служат для выделения металлического Li. В настоящее время металлический литий получают эле ктролизом расплавленной смеси хлоридов Li и K при 400 - 450 С.

Na - и сейчас получают электролизом расплавленно го гидроксида натрия. Электролитическая ванна - это железный сосуд, в к оторый погружены угольные или железные катоды и цилиндрические нике левые или железные аноды. Металлический натрий, выделившийся на катод е, всплывает в верхнюю часть ванны. На аноде разряжаются ионы гидрокси да, потеряв электроны, они образуют воду и кислород. Атомы кислорода со единяются в молекулы. Следовательно, продуктами электролиза являются Na ; O 2 ; H 2 O. Есть способ разложения электрическим током расплавленного хло рида натрия. Соединения натрия редко встречаются " в одиночку", чаще все го им способствуют соли других минералов.

K , так же как и натрий не встречается в природе в св ободном состоянии, но так же как и натрий, он широко представлен разли чными солями, содержащими ион К+. По распространенности соли К уступаю т натриевым, но тем не менее встречаются мощные отложения минералов с ильвина KCl , сильвинита KCl х NaCl и др. Особенно много каменных солей в районе Со ликамска. Калий можно извлечь из морской воды с помощью сложного соед инения - дипикриламината кальция. Ионы К+ образуют в этом случае нераст воренный осадок.

Rb на Земле встречается гораздо меньше, чем натрий и калий. Соединения этого металла включены в минералы лепидолит, амазо нит и другие, а также встречается в некоторых минеральных водах. Интер есно, что соединения рубидия были обнаружены в растениях и золе сахар ной свеклы, сахарного тростника, чая, кофе, какао, табака. Организмы жив отных также всегда содержат этот элемент. Источником для получения ме таллического рубидия служит минерал - лепидолит. Рубидий получают как попутный продукт в виде сульфата или карбоната.

Cs - сведения о цезии проникали в науку посте пенно. В 1846 году в минералах, найденных на острове Эльба, обнаружили окр ашенный кварцит, названный поллуцитом. в нем содержались различные си ликаты, и по-видимому, щелочные металлы - предполагалось, что Na и K. Но как показали исследования, с умма всех составных частей, определенных известными тогда методами, б ыла меньше 100%. Очевидно, в поллуците содержался еще какой-то элемент, не известный химикам. Р. Бунзен попытался выделить Cs в св ободном состоянии, но получить его в чистом состоянии не удалось. В со ставе минерала поллуцита нет никаких других щелочных металлов кроме Cs. Для извлечения Cs из поллуцита при меняют различные химические методы. Металлический Cs получают, действуя различными восстановителями на карбонат или хлор ид Cs.

Fr - в природе встречается только изотоп с ат омной массой 223. Его период полураспада всего 21 минута, от данного колич ества франция останется половина. Радиоактивность франция очень вели ка. При распаде его атомов получаются быстрые электроны.

Биологические функции ионов щелочных металлов различны

Солями Li пользуются медики для лечения болезней, свя занных с отложением мочевой кислоты, соли Li хорошо р астворимы и способствуют рассасыванию болезненных отложений. Необхо димо иметь в виду, что во всех случаях медицинского применения важно с облюдать строгую дозировку, так как соединения Li мог ут оказать токсическое действие.

Для чего же нужен NaCl , почему всегда подчеркивают его большое значение? Прежде всего он необходим человеку и животным как о дна из составных частей пищи. Полное исключение из рациона NaCl может привести к гибели организма. В организме ион ы Na + действуют часто совместно с ионами K + , но как это ни странно, почти всегда в противопо ложных направлениях. Внутри клетки повышено содержание ионов K + , снаружи ионов Na +. Такое рас пределение необходимо для нормальной жизнедеятельности клеток. Оба и она принимают участие в распространении нервного импульса по нерву. Д ля нормального функционирования клеток, как видно, необходимо присут ствие обоих катионов. Ясно, что NaCl нужен и даже необхо дим организмам человека и животного. Но во всем нужно соблюдать меру. Человеку вполне достаточно 5-10 гр. поваренной соли в сутки, превышение э той нормы грозит серьезным последствиям. Концентрированные растворы соли действуют раздражающе на кожу и усиливают воспалительные проце ссы.

Применение щелочных металлов широко

Для того, чтобы улучшить механические свойства металла, Li применяют в цветной металлургии. Мелко раздробленный Li применяют как катализатор для ряда реакций. В текст ильной промышленности соединения Li находят себе при менение в процессах отбеливания тканей, в фармацевтической отрасли - д ля получения косметики, в пищевой - для целей консервирования мяса, в се льском хозяйстве - для изготовления стимуляторов роста. Соединения Li применяют для изготовления специальных сортов сте кла; Li 2 O - для получения керамически х глазурей; соли Li находят некоторое применение в пи ротехнике.

Металлический Na находит широкое и разнообразное при менение. В расплавленном виде он представляет собой жидкость хорошо п роводящую теплоту, и используется в качестве теплоносителя. Ценными д ля техники свойствами обладают сплавы Na с другими ме таллами. Эти сплавы применяют для изготовления особых подшипников на ж/дорожном транспорте. Na использовали и для исследов ания космоса. Na часто помогает химикам провести реак ции восстановления. Каталитические свойства Na с ыграли большую роль в развитии промышленности искусственного каучук а.

Легкость, с какой Rb расстается со своими внешними эле ктронами, определяет и важную область его практического применения. С плавы Rb с Na , Cs , Sb и др. применяют для изготовления фотоэлементов. Cs еще более пригоден для изготовления фотоэлементов. Обычно для фотокадров применяют соединения CsSb.

Д. И. Менделеев, размышляя о глубоких связях между элементами, при шел к выводу, что, несмотря на большие различия между литием, натрием, к алием, рубидием, цезием, францием, все эти металлы надо поместить одну г руппу химических элементов. Развитие науки доказало, что Д. И. Менделеев был прав, и современная теоретическая химия может дать объяснение ка к сходству, так и различию в свойствах названных элементов.