Свойства щелочных металлов

Физические свойства.

Все щелочные металлы кристаллизуются в объемно-центрированной кубической решетке.

Все щелочные металлы относятся к легким металлам и очень легко режутся ножом. На свежем срезе они имеют белый цвет с серебристым металлическим блеском, который на воздухе быстро исчезает вследствие окисления кислородом воздуха. Поэтому все щелочные металлы хранят или под слоем керосина, или в атмосфере благородного газа. Самым твердым является литий. Они характеризуются высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

Химические свойства.

Все щелочные металлы — очень сильные восстановители. В реакциях окисления они, теряя свой валентный 5-электрон, превращаются в положительный однозарядный ион по схеме.

Этим объясняется их высокая реакционная способность по отношению к электроотрицательным элементам и многим сложным веществам, содержащим атомы таких элементов.

Низкие энтальпии ионизации, сферическая симметрия ионов и низкая поляризуемость определяют химическое поведение ионов щелочных металлов. Несмотря на преимущественно ионную природу соединений элементов данной группы, связи в них могут быть в некоторой степени ковалентными. Двухатомные молекулы элементов, такие как Li₂, Na₂, ковалентны (о причинах см. гл. 4). В некоторых хелатах, а также органических производных связи Me—О, Me—N и Me—С имеют незначительный ковалентный характер. Тенденция к образованию ковалентных связей более выражена для ионов с наибольшей поляризующей способностью, т. е. для Li.

Щелочные металлы активно взаимодействуют с кислородом па холоде, о чем свидетельствует появление оксида на поверхности металла. Рубидий и цезий самовоспламеняются на воздухе.

При сжигании в кислороде только литий образует оксид Li₂0, в то время как натрий образует пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды (супероксиды) общей формулы Э0₂:

Косвенным путем могут быть получены и пероксиды К₂0₂, Rb₉0₂ и Cs₂0₂, но они менее устойчивы, чем Na₇0₂. Пероксиды и надпероксиды (супероксиды) — сильные окислители: водой и разбавленными кислотами они легко разлагаются с образованием пероксида водорода и кислорода:

Не менее энергично, чем с кислородом, взаимодействуют щелочные металлы с галогенами; реакция экзотермическая:

В атмосфере фтора и хлора, а также в парах брома и иода щелочные металлы самовоспламеняются при обычных условиях. С жидким бромом натрий энергично взаимодействует при небольшом нагревании, а калий, рубидий и цезий с жидким бромом реагируют с сильным взрывом.

При нагревании щелочные металлы легко реагируют с серой, образуя сульфиды типа Me₂S:

При сплавлении натрия с серой возможно образование персульфидов типа Na₂S₂, Na₂S₃, Na₂S₄ и Na₃S₅, общая формула которых Na₂S".

Персульфиды калия, рубидия и цезия получают обычно кипячением соответствующих сульфидов с избытком серы (или при сплавлении сухих сульфидов с серой). Для этих элементов персульфиды 3₂S,_; получены при значениях п = 1-^6, в то время как для натрия п = 5, а для лития п = 2. Устойчивость персульфидов щелочных металлов повышается с увеличением заряда ядра.

Щелочные металлы легко реагируют с водородом при слабом нагревании. В этих реакциях водород, присоединяя электрон, образует гидрид-ион Н", имеющий оболочку гелия Is² (о свойствах гидридов см. параграф 11.3). Гидриды, образованные щелочными металлами, имеют ионный характер связи (ионные гидриды). Эти соединения представляют собой белые кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Их расплавы характеризуются высокой электрической проводимостью, и при их электролизе на аноде выделяется водород. Гидриды щелочных металлов имеют структуру, аналогичную NaCl.

В обычных условиях только литий непосредственно взаимодействует с азотом с образованием нитрида Li₃N:

Это свойство позволяет использовать литий для поглощения N₂. Нитриды остальных щелочных металлов обычно получают косвенным путем.

Обычно нитриды рассматривают в качестве продуктов полного замещения водорода в NH₃ на металл. Если же в NH₃ замещается один атом водорода, то образующийся продукт называется амидом. Это обычно достигается взаимодействием металлов с жидким аммиаком:

Амид натрия можно получить и пропусканием сухого аммиака над расплавленным натрием:

Нитриды щелочных металлов химически довольно активны. Они легко разлагаются водой, образуя щелочь и аммиак:

Гидролиз нитридов часто протекает с образованием промежуточных амидов:

Амиды щелочных металлов в жидком NH₃ обладают основными свойствами:

Лучше всего растворимы в жидком NH₃ амиды Cs, Rb и К, тогда как NaNH₂ растворим гораздо хуже.

Вода разлагает амиды с образованием щелочи и NH₃:

Натрий и другие металлы бурно растворяются в ртути, образуя интерметаллические соединения — амальгамы.

В ряду стандартных электродных потенциалов щелочные металлы расположены до магния, благодаря чему они легко окисляются ионом водорода Н⁺ и вытесняют Н₂ из воды:

С литием реакция протекает спокойно, без воспламенения. Так как процесс экзотермический, то за счет выделяющейся теплоты наблюдаются такие явления, как плавление металла (натрий), самовоспламенение (калий) или взрыв (рубидий и цезий).