Нитриды щелочных металлов с водой

Неорганическая химия

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ

К щелочным металлам относятся s-элементы I-ой группы Периодической системы — литий, натрий, калий, рубидий,цезий и франций. .

Литий имеет два стабильных изотопа — 6 Li (мольная доля в естественном элементе 0,073) и 7 Li (0,927), натрий — один изотоп 23 Na, калий — 39 К (0,931) и 41 К (0,069). Изотоп калия с массовым числом 40 ( 40 К, мольная доля 0,0002) — радиоактивный, -распад. У рубидия два стабильных изотопа — 85 Rb (0,7215) и 87 Rb (0,2785), у цезия — один 133 Cs. Франций стабильных изотопов не имеет, массовое число наиболее долгоживущего — 223.

Все щелочные металлы — электронные аналоги, внешний уровень имеет строение ns 1 . По сравнению с элементами других подгрупп соответствующего периода щелочные металлы имеют наиболее низкие энергии ионизации и наибольшие радиусы атомов и ионов. В группе энергия ионизации уменьшается от лития к цезию, а радиус атома наоборот, возрастает. В соединениях проявляют степень окисления +1 и в свободном виде на Земле не встречаются. Мольная доля лития в земной коре 0,0002, натрия — 0,024 (один из наиболее распространенных элементов), калия 0,014, рубидия — 0,00007. Содержание цезия около 10 -10 , франций получен только искусственно.

Важнейшие минералы щелочных металлов — NaCl -каменная соль, или галит, Na₂SO₄*10H₂O — глауберова соль или мирабилит, Na₂B₂O₇*10H₂O — бура, Na₃AlF₆ -криолит, KCl — сильвин, NaCl*KCl — сильвинит, KCl*MgCl₂*6H₂O — карналлит, KCl*MgSO₄*3H₂0 — каинит.

Все щелочные металлы не имеют аллотропных и полиморфных модификаций и образуют по одному простому веществу.

В виде простых веществ — мягкие, серебристо белые металлы, цезий имеет золотисто-желтый цвет. Плотности лития, натрия и калия меньше плотности воды ( 1 г/см 3 ), температура плавления плавно уменьшается от лития (180 о С) к цезию (28 о С). Так же изменятся и температура кипения — от 1337 о С у лития до 668 о С у цезия. Твердость щелочных металлов мала — они легко режутся ножом.

В видимой области спектра в парах щелочные металлы имеют интенсивные линии излучения: натрий — желтую, литий — карминово-красную, калий — фиолетовую, рубидий — красную, цезий — голубую. Это позволяет распозновать эти металлы с помощью пламенной фотометрии.

Химические свойства

Щелочные металлы исключительно реакционноспособны и проявляют сильные восстановительные свойства. Уже при комнатной температуре они реагируют со многими неметаллами. С кислородом литий образует оксид:

Остальные щелочные металлы образуют пероксиды и надпероксиды (супероксиды), например:

В атмосфере фтора и хлора щелочные металлы самовоспламеняются, образуя галогениды:

С жидким бромом литий и натрий реагируют замедленно, остальные — о взрывом. С иодом взаимодействие протекает спокойно.

С водородом щелочные металлы реагируют при нагревании (200-400 o C), при этом образуютсяионные гидриды:

разлагающиеся водой с выделением водорода:

С азотом щелочные металлы реагируют при нагревании, образуя нитриды состава Ме₃N. Литий реагирует с азотом воздуха уже при комнатной температуре, покрываясь слоем красноватого нитрида:

Щелочные металлы реагируют с водой:

литий — спокойно, натрий — энергично, калий и остальные — со взрывом — воспламеняется выделяющийся водород. Рубидий и цезий реагируют не только с жидкой водой, но и со льдом.

С кислотами щелочные металлы образуют соли, часто эти реакции сопровождаются взрывами.

Со спиртами щелочные металлы реагируют спокойно, часто для завершения реакции необходимо нагревание:

При взаимодействии лития и натрия с алюминие, оловом, ртутью образуются интерметаллические соединения. Широко распространена амальгама натрия Na_nHg_m. Между собой щелочные металлы образуют сплавы, широкое применение имеет сплав натрия и калия, обладающий высокой теплоемкостью.

Получение щелочных металлов

Основным способом получения щелочных металлов является электролиз расплавов их соединений. Для получения лития электролизу подвергают расплав эвтектическуй смеси хлоридов лития и калия. Натрий получают электролизом расплава хлорида или гидроксида, калий — электролизом расплава смеси хлоридов натрия и калия. Смеси солей используют для понижения температуры электролиза. Реакции электролиза хлоридов и гидроксидов в общем виде выглядят так:

Кромe электролиза щелочные металлы можно получить и восстановлением оксидов и гидроксидов, например оксид лития восстанавливают кремнием при нагревании:

Расплавленный гидроксид калия восстанавливают жидким натрием:

KOH + Na = NаOH + K

Гидроксиды рубидия и цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме при нагревании:

RbOH + Ca = Rb + CaO CsOH + Ca = Cs + CaO

Хранят щелочные металлы в атмосфере инертного газа, под слоем сухого керосина или обезвоженного масла. Большие количества щелочных металлов хранят в герметичной железной таре (бочке).

Щелочные металлы используют в качестве восстановителей, в качестве жидких теплоносителей, например, в ядерных реакторах, в органическом синтезе. Литий применяется производстве сплавов в качестве легирующей добавки. Пары натрия используют для наполнения газоразрядных ламп уличного освещения, которые дают свет с оранжевым оттенком.

СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Гидриды щелочных металлов — соединения с ионным типом связи, сильные восстановители. Водой разлагаются с выделением водорода

При нагревании в вакууме разлагаются:

пр этом устойчивость гидридов уменьшается от лития к цезию. Рaсплавы гидридов проводят электрический ток.

Гидриды лития и натрия испльзуют для получения алюмогидридов, гидрид алюминия вводится в реакцию в виде эфирного раствора:

Алюмогидриды лития и натрия используются в качестве восстановителей, напримеp, в органическом синтезе.

Карбиды щелочных металлов имеют состав Ме₂С₂ . Бесцветные кристаллические вещества. Обладают высокой химической активностью. При непосредственном взаимодействии простых веществ образуется толькр карбид лития, остальные — при взаимодействии металла и ацетилена.Водой разлагаются с выделением ацетилена:

Из нитридов щелочных металлов наиболее устойчив гидрид лития, который медленно образуется при взаимодействии с азотом уже при комнтной температуре и быстро — при 250 o C. Водой нитрид лития разлагается с выделением аммиака:

Нитриды остальных щелочных металлов получают при взаимодействии паров металла с азотом в тлеющем электрическом разряде.

При взаимодействии расплавленных щелочных металлов с аммиаком образуются амиды, например:

В жидком аммиаке щелочные металлы растворяются, образуя темно-синие, хорошо проводящие электрический ток растворы.

Оксиды, пероксиды, озониды

При сгорании при атмосферном давлении литий дает только оксид Li₂O , натрий — пероксид Na₂O₂ , остальные — надпероксиды Ме₂O₄ или Ме O₂ . Оксид натрия можно получить только косвенным путем, например:

Оксиды щелочных металлов обладают высокой реакионной способностью, проявляют сильно выраженные основные свойства, энергично взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды.

Пероксиды и надпероксиды — твердые вещеста, сильные окислители. При контакте с водой разлагаются:

Озониды натрия, калия, рубидия и цезия получают действием озона на твердые гидроксиды:

Озониды еще более сильные окислители, чем пероксиды и надпероксиды. Бурно реагируют с водой и разбавленной серной кислотой:

Твердые, бесцветные, гигроскопические, хорошо растворимые в воде вещества. Растворение в воде сопровождаетсявыделением большого количества теплоты. В водном растворе почти полностью диссоциированы, сильные основания. Часто гидроксиды щелочных металлов называют едкими щелочами. Термически устойчивы до температур более 1000 o C

Едкие щелочи жадно поглощают из воздуха водяные пары и углекислый газ, превращаясь в сиропообразную массу.Расплавы едких щелочей разрушают стекло и платину, поэтому щелочи плавят в железных тиглях.

Получают щелочи электролизом водных растворов хлоридов:

или обменными реациями карбоната металла и гидроксида кальция:

Наиболее широкое применение находит гидроксид натрия — для осушения газов, в органическом синтезе, в производстве искусственного волокна.

Источник

Щелочные металлы

К щелочным металлам относят химические элементы: одновалентные металлы, составляющие Ia группу: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций.

Эти металлы очень активны, быстро окисляются на воздухе и бурно реагируют с водой. Их хранят под слоем керосина из-за их сильной реакционной способности.

Общая характеристика

От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 1 :

• Li — 2s 1
• Na — 3s 1
• K — 4s 1
• Rb — 5s 1
• Cs — 6s 1
• Fr — 7s 1

Природные соединения

В природе щелочные металлы встречаются в виде следующих соединений:

• NaCl — галит (каменная соль)
• KCl — сильвин
• NaCl*KCl — сильвинит

Получение

Получить такие активные металлы электролизом водного раствора — невозможно. Для их получения применяют электролиз расплавов при высоких температурах (естественно — безводных):

NaCl → Na + Cl₂↑ (электролиз расплава каменной соли)

Химические свойства

Одной из особенностей щелочных металлов является их реакция с кислородом. Литий в такой реакции преимущественно образует оксид, натрий — пероксид, калий, рубидий и цезий — супероксиды.

K + O₂ → KO₂ (супероксид калия)

Реакции с неметаллами

Помните, что металлы никогда не принимают отрицательных степеней окисления. Щелочные металлы одновалентны, и проявляют постоянную степень окисления +1 в различных соединениях: гидриды, галогениды (фториды, хлориды, бромиды и йодиды), нитриды, сульфиды и т.д.

Li + H₂ → LiH (в гидридах водород -1)

Na + F₂ → NaF (в фторидах фтор -1)

Na + S → Na₂S (в сульфидах сера -2)

K + N₂ → K₃N (в нитридах азот -3)

Реакция с водой

Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом часто происходит воспламенение, а иногда — взрыв.

Na + H₂O → NaOH + H₂↑ (воду можно представить в виде HOH — натрий вытесняет водород)

Иногда в задачах может проскользнуть фраза такого плана: «. в ходе реакции выделился металл, окрашивающий пламя горелки в желтый цвет». Тут вы сразу должны догадаться: речь, скорее всего, про натрий.

Щелочные металлы по-разному окрашивают пламя. Литий окрашивает в алый цвет, натрий — в желтый, калий — в фиолетовый, рубидий — синевато-красный, цезий — синий.

Оксиды щелочных металлов

Имеют общую формулу R₂O, например: Na₂O, K₂O.

Получение

Получение оксидов щелочных металлов возможно в ходе реакции с кислородом. Для лития все совсем несложно:

В подобных реакциях у натрия и калия получается соответственно пероксид и супероксид, что приводит к затруднениям. Как из пероксида, так и из супероксида, при желании можно получить оксид:

Химические свойства

По свойствам эти оксиды являются основными. Они хорошо реагируют c водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li₂O + H₂O → LiOH (осн. оксид + вода = основание — реакция идет, только если основание растворимо)

Na₂O + SO₂ → Na₂SO₃ (обратите внимание — мы сохраняем СО серы +4)

Гидроксиды щелочных металлов

Относятся к щелочам — растворимым основаниям. Наиболее известные представители: NaOH — едкий натр, KOH — едкое кали.

Получение

Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции щелочных металлов и их оксидов с водой:

KCl + H₂O → (электролиз!) KOH + H₂ + Cl₂ (на катоде выделяется водород, на аноде — хлор)

Химические свойства

Проявляют основные свойства. Хорошо реагируют с кислотами, кислотными оксидами и солями, если в ходе реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

LiOH + H₂SO₄ → LiHSO₄ + H₂O (соотношение 1:1, кислота в избытке — получается кислая соль)

2LiOH + H₂SO₄ → Li₂SO₄ + 2H₂O (соотношение 2:1, основание в избытке — получается средняя соль)

KOH + SO₂ → KHSO₃ (соотношение 1:1 — получается кислая соль)

2KOH + SO₂ → K₂SO₃ + H₂O (соотношение 2:1 — получается средняя соль)

С амфотерными гидроксидами реакции протекают с образованием комплексных солей (в водном растворе) или с образованием окиселов — смешанных оксидов (при высоких температурах — прокаливании).

NaOH + Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄] (в водном растворе образуются комплексные соли)

NaOH + Al(OH)₃ → NaAlO₂ + H₂O (при прокаливании образуется окисел — смесь двух оксидов: Al₂O₃ и Na₂O, вода испаряется)

Реакции щелочей с галогенами заслуживают особого внимания. Без нагревания они идут по одной схеме, а при нагревании эта схема меняется:

NaOH + Cl₂ → NaClO + NaCl + H₂O (без нагревания хлор переходит в СО +1 и -1)

NaOH + Cl₂ → NaClO₃ + NaCl + H₂O (с нагреванием хлор переходит в СО +5 и -1)

В реакциях щелочей с йодом образуется исключительно иодат, так как гипоиодит неустойчив даже при комнатной температуре, не говоря о нагревании. С серой реакция протекает схожим образом:

NaOH + I₂ → NaIO₃ + NaI + H₂O (с нагреванием)

NaOH + S → Na₂S + Na₂SO₃ + H₂O (сера переходит в СО -2 и +4)

Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO₂, который соответствует сразу двум кислотам — и азотной, и азотистой.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник