Химия s -элементов

Элементы IA-группы
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – щелочные металлы
Общая электронная формула: [Э]ns1np0
Э – благородный газ, завершающий (n-1) период
Электронные конфигурации изолированных атомов
Электронное строение

Характеристика атомов элементов IA-группы
Увеличение числа электронов в атоме и размеров орбиталей, занимаемых последними электронами
Потеря единственного валентного электрона=> rион

Единственный электрон на внешнем энергетическом уровне атома щелочного металла слабо связан с ядром (I1) . Атомы щелочных металлов легко ионизируются с образованием ионов М+, входящих в состав большинства химических соединений этих элементов.
В реальных условиях ион М2+ не образуется (I2 )

Электроотрицательность уменьшается с возрастанием атомного номера элемента
В ОВР s-элементы выполняют только роль восстановителей

Особенности химии лития
Li3N – устойчивый
>600°C
2LiOH → Li2O + H2O
LiCl, LiBr, LiI, LiClO4 - растворимы в C2H5OH
LiOH, Li2CO3, Li3PO4, LiF - малорастворимы в воде
3Li++2HPO42-→Li3PO4↓+H2PO4-
2LiHS→Li2S + H2S↑
Li2CO3→Li2O + CO2↑
Образование более устойчивых комплексов

Физические свойства
Простые вещества – легкоплавкие серебристо-белые (Li, Na, K, Rb) или золотисто-желтые (Cs) металлы, обладающие высокой мягкостью и пластичностью. Li – наиболее твердый металл
Калий
Цезий
Натрий

Наличие в атомах элементов одного валентного электрона обусловливает низкие значения энергии атомизации, низкие tплавл и tкип

В кристаллическом виде металлы имеют объемно-центрированную кристаллическую решетку с металлическим типом химической связи

Распространенность в природе
Na и K – наиболее широко распространены, встречаются исключительно в виде соединений
Щелочные элементы (от Li до Cs) наряду со стабильными изотопами имеют многочисленные радиоактивные изотопы

Минералы
NaCl Галит (каменная соль)
Na2SO4*10H2O Мирабилит

KCl
Сильвин
KCl*NaCl Сильвинит

KCl*MgCl26H2O Карналлит
Li2O*Al2O3*4SiO2 Сподумен

Получение
Na: электролиз расплава NaCl.
катод: Na+ + e- =Na
анод: 2Cl- - 2e- =Cl2
Li: аналогично из LiCl
Также Na и Li можно получить восстановительным методом:
2Li2O + Si = SiO2 + 4Li↑
3Na2O + 2Al = 6Na↑ + Al2O3

2RbCl + Ca → CaCl2 + 2Rb↑
Li этим способом получать нельзя из-за высокой устойчивости Li3N
700-800°C
2Cs2CO3 + Zr → ZrO2 + 2CO2↑ + 4Cs↑
650°C
6KCl + 2Al + 4CaO →3CaCl2 + CaO·Al2O3 + 6K
2KF + CaC2 → CaF2 + 2C + 2K↑
t°
Небольшие количества Na, K, Rb, Cs можно получить термическим разложением их азидов:
2NaN3 → 2Na↑ + 3N2↑
300°C

Применение
Li, Na - теплоносители в ядерных реакторах
Na и K – применяются для осушки органических растворителей
Li – химический источник тока
Cs входит в состав катодов для фотоэлементов, электронных лучевых трубок
Na2CO3, Na2SO3, Na2SO4, NaOH - бумажная, химическая промышленность, металлургия, производство стекла

Качественный анализ на s-металлы по окрашиванию пламени
Li+
Na+
Rb+
K+
Cs+

Химические свойства
Взаимодействие с простыми веществами
2M + 2H2O→2MOH + H2↑ K + 2HNO3(конц.)→KNO3+ NO2↑ + H2O
2Na + 2HBr→2NaBr + H2↑ 2M (кроме Li) + 2MOH→2M2O + H2↑

Соединения с неметаллами
NaCl + H2SO4→NaHSO4+ HCl↑
Cs2C2 + 2H2O→2CsOH + C2H2↑
Li3N + 3H2O→3LiOH + NH3↑
K3P + 3H2O→KOH + PH3↑

Кислородные соединения
4Li+O2→2Li2O 2M+M2O2→2M2O
2NaOH+2Na→2Na2O+H2↑
2LiOH+2H2O2+H2O→2LiOOH·3H2O
2LiOOH·3H2O→Li2O2+4H2O+½O2
KO2+O3→KO3+O2
Li2O
Na2O
K2O
Rb2O
Cs2O

M2O2+2H2O→2MOH+H2O2 (на холоду)
2M2O2 +2H2O →4MOH+O2↑(при нагрев.)
2NaO2+H2O → NaOH+NaH+O2↑(на холоду)
4NaO2+2H2O → 4NaOH+3O2↑ (при нагрев.)
2MO2+2H2O→ 2MOH+H2O2+O2↑
4MO3 +2H2O→ 4MOH+O2↑
2CsO3 +2H2O → 2CsOH+H2O2 +2O2 ↑
Rb6O
Rb6O9
Cs7O
Cs11O3

Гидроксиды
2LiOH→Li2O + H2O
Rb2SO4 + Ba(OH)2→BaSO4↓ + 2RbOH
2NaOH + SiO2→Na2SiO3 + H2O
NaOH + CO→Na(HCOO)

Растворимость гидроксидов в воде
Гидроксиды щелочных металлов прекрасно растворимы в воде, хорошо растворимы в этаноле (растворимость значительно возрастает от LiOH к CsOH)

Соли
Твердые кристаллические вещества с ионным типом кристаллической решетки
Почти все соли хорошо растворимы
Водные растворы – сильные электролиты
3NaOH + H3PO4→Na3PO4 + 3H2O
2KOH + H2S→K2S + 2H2O
6Na + N2→2Na3N
Na3N + 3H2O→3NaOH + NH3↑
Na3N + 4HCl→3NaCl + NH4Cl
2Li + 2C→Li2C2
Li2C2 + 2H2O→2LiOH + C2H2↑

Сода (карбонат натрия-кальцинированная сода)
В природе встречается в виде минерала троны Na2CO3 *NaHCO3* 2H2O
Первый промышленный способ- Леблан 1791г.
(прокаливание при температуре 10000С обезвоженного мирабилита с углем и известняком)
Na2SO4 +4C + CaCO3 → Na2CO3 +4CO+ CaS
В настоящее время: Метод Сольве
NaCl + NH3 + H2O + CO2→NaHCO3↓ + NH4Cl
2NaHCO3→Na2CO3 + H2O + CO2↑

Комплексные соединения
В разбавленных водных растворах катионы существуют в форме аквакомплексов
Наиболее устойчивы комплексы с полидентатными лигандами
Соответствие между размерами катиона металла и внутренней полости лиганда
Образование комплексов с краун-эфирами повышает растворимость солей в неполярных растворителях