Щелочные металлы

1. Нахождение ЩМ в природе

К щелочным металлам (ЩМ) относятся: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr).

Самыми распространёнными ЩМ являются натрий и калий. Ввиду высокой химической активности в природе они не встречаются в свободном виде.

ЩМ присутствуют в виде минералов: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов и др. Важнейшие минералы:

Галит (NaCl) — поваренная соль
Сильвин (KCl)
Сильвинит (NaCl·KCl)
Глауберова соль (Na₂SO₄·10H₂O)
Криолит-ионит (Li₃[AlF₆]·Na₃[AlF₆])
Ортоклаз (K[AlSi₃O₈])
Поташ (K₂CO₃)
Поллуцит (алюмосиликат, содержит цезий)

2. Строение ЩМ

ЩМ находятся в I группе главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне — 1 валентный электрон (ns¹). Типичная степень окисления: +1.

Электронные конфигурации:

Li: 1s²2s¹
Na: [Ne]3s¹
K: [Ar]4s¹
Rb: [Kr]5s¹
Cs: [Xe]6s¹
Fr: [Rn]7s¹

В ряду Li → Fr:

увеличивается атомный радиус
усиливаются металлические и восстановительные свойства
усиливаются основные свойства гидроксидов
уменьшается электроотрицательность и потенциал ионизации

3. Получение ЩМ

ЩМ — сильные восстановители, поэтому получают **электролизом расплавов**:

2LiCl → 2Li + Cl₂↑
2NaCl → 2Na + Cl₂↑
4NaOH → 4Na + O₂↑ + 2H₂O

Калий часто получают **восстановлением**:

KCl + Na → K↑ + NaCl

Цезий — нагреванием с кальцием или ректификацией в вакууме:

Ca + 2CsCl → 2Cs + CaCl₂

4. Физические свойства ЩМ

Серебристо-белые металлы с металлическим блеском (на свежем срезе). Быстро тускнеют из-за окисления. Хранят под керосином или вазелиновым маслом. Кристаллическая решётка — кубическая объёмно-центрированная.

Цвет пламени:

Li — карминно-красный
Na — жёлтый
K — фиолетовый
Rb — буро-красный
Cs — небесно-голубой

5. Химические свойства ЩМ

ЩМ — сильные восстановители. Взаимодействуют почти со всеми неметаллами.

Неметалл	Продукт	Особенности
Галогены	Галогениды (NaCl, KBr и др.)	2Na + Cl₂ → 2NaCl
Сера	Сульфиды	2Na + S → Na₂S
Фосфор	Фосфиды	3K + P → K₃P
Водород	Гидриды	2Na + H₂ → 2NaH
Азот	Нитриды	6Li + N₂ → 2Li₃N (при комнатной темп.)
Углерод	Карбиды (ацетилениды)	2Na + 2C → Na₂C₂
Кислород	Li → оксид, Na → пероксид, K/Rb/Cs → надпероксид	Cs самовозгорается на воздухе

Взаимодействие со сложными веществами:

Реагент	Уравнение	Примечание
Вода	2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑	Взрывоопасно (кроме Li)
Разбавленные кислоты	2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂↑	Выделяется H₂
Конц. H₂SO₄	8Na + 5H₂SO₄ → 4Na₂SO₄ + H₂S↑ + 4H₂O	ОВР, выделяется H₂S
Азотная кислота	8Na + 10HNO_3(конц) → N₂O + 8NaNO₃ + 5H₂O	Продукт зависит от концентрации
Спирты, фенолы, орг. кислоты	2CH₃OH + 2Na → 2CH₃ONa + H₂↑	Образуются алкилаты, феноляты, соли
Галогеналканы (реакция Вюрца)	2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl	Удлинение углеродной цепи
Соли (в расплаве)	3Na + AlCl₃ → 3NaCl + Al	В растворе ЩМ реагируют только с водой!

6.1. Получение оксидов ЩМ

Оксиды ЩМ (кроме Li₂O) получают косвенными методами:

10Na + 2NaNO₃ → 6Na₂O + N₂↑
2Na + Na₂O₂ → 2Na₂O
2Na + 2NaOH → 2Na₂O + H₂↑
2LiOH → Li₂O + H₂O

6.2. Химические свойства оксидов ЩМ

Основные оксиды. Реагируют с:

Кислотными оксидами: 3Na₂O + P₂O₅ → 2Na₃PO₄
Амфотерными оксидами: Na₂O + Al₂O₃ → 2NaAlO₂
Кислотами: K₂O + 2HCl → 2KCl + H₂O
Водой: Li₂O + H₂O → 2LiOH

Оксиды Na, K, Rb, Cs окисляются кислородом до пероксидов и надпероксидов:

2Na₂O + O₂ → 2Na₂O₂

7. Химические свойства пероксидов ЩМ

Кислород в пероксидах имеет СО = –1 → проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

С водой (на холоду): Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂
С водой (при нагревании): 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
С CO₂: 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑
С кислотами (на холоду): Na₂O₂ + 2HCl → 2NaCl + H₂O₂
Термическое разложение: 2Na₂O₂ → 2Na₂O + O₂↑

Окислительные свойства:

Na₂O₂ + CO → Na₂CO₃
Na₂O₂ + SO₂ → Na₂SO₄
Na₂O₂ + 2NaI + 2H₂SO₄ → I₂ + 2Na₂SO₄ + 2H₂O

Восстановительные свойства:

5Na₂O₂ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ → 5O₂↑ + 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

8.1. Получение гидроксидов ЩМ

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
Na₂O + H₂O → 2NaOH
Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂
K₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + 2KOH

8.2. Химические свойства гидроксидов ЩМ

Сильные основания. Реагируют с:

Кислотами: образуют средние/кислые соли (в зависимости от соотношения)
Кислотными оксидами: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O (избыток щёлочи)
NaOH + CO₂ → NaHCO₃ (избыток CO₂)
NO₂: 2NaOH + 2NO₂ → NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O
Амфотерными соединениями: в растворе — комплексы, в расплаве — средние соли
Кислыми солями: KOH + KHCO₃ → K₂CO₃ + H₂O
Неметаллами: Si, S, P, Cl₂ — диспропорционирование
Амфотерными металлами: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
Солями тяжёлых металлов: 2NaOH + CuCl₂ → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl
Солями аммония: NaOH + NH₄Cl → NH₃↑ + NaCl + H₂O

LiOH разлагается при 600°C: 2LiOH → Li₂O + H₂O.
Все ЩМ-гидроксиды — сильные электролиты: NaOH → Na⁺ + OH^–.

9. Применение ЩМ

Na/K — теплоносители в ядерных реакторах
Na — восстановитель в металлургии (Ti, Zr)
Na — в натриевых лампах
NaCl — пищевой продукт, физраствор
K — в минеральных удобрениях
LiOH, NaOH, KOH — в щелочных аккумуляторах
NaOH — в производстве бумаги, моющих средств