Щелочные и щелочно-земельные металлы получили свое название благодаря тому, что их гидроксиды растворяются в воде, то есть являются щелочами.
Электронное строение активных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного, двух или трех электронов, относительно слабо связанных с ядром. В результате химических реакций металлы легко отдают эти электроны, проявляя свои постоянные степени окисления и валентности:
щелочные металлы
Благодаря своей активности щелочные и щелочно-земельные металлы, равно как и алюминий, встречаются в природе не в чистом виде, а в составе многочисленных химических соединений — минералов. Минералы представляют собой кристаллические вещества, как правило оксиды или соли. У многих из них в кристаллической решетке содержатся молекулы воды: такие соединения называются кристаллогидратами. Например в глаубе́ровой соли на один фрагмент сульфата натрия приходится десять молекул воды; он имеет формулу и название декагидрат сульфата натрия (по-гречески дека — десять).
K2CO3 — поташ (отсюда происходит англоязычное название калия — Potassium) и др.
Основные запасы алюминия сконцентрированы в глинозёмах и полевых шпатах — соединениях кремния, кислорода, алюминия и других металлов, — а также в некоторых минералах: корунде (Al2O3), бокситах (Al2O3·H2O) и др. Алюминий — самый распространенный металл в земной коре.
Получение активных металлов
09
Основной метод получения активных металлов — электролиз расплавов их солей:
2NaCl 2Na + Cl2 CaF2Ca + F2
Промышленное производство алюминия основано на электролизе глинозёмов в расплаве криолита (Na3AlF6).
Химические свойства активных металлов
10
Все активные металлы, кроме лития, легко взаимодействуют с кислородом даже при комнатной температуре. Щелочные металлы самовозгораются в воздухе; натрий образует пероксид натрия:
а калий, рубидий и цезий — надпероксиды, или супероксиды:
11
При нагревании смеси пероксидов и супероксидов с чистыми металлами образуются оксиды:
12
Литий реагирует с кислородом только при нагревании, превращаясь в оксид:
Щелочно-земельные металлы и алюминий также образуют оксиды; при комнатной температуре их поверхность покрывается оксидной пленкой, при нагревании происходит интенсивное самовозгорание:
Так, посуда, провода, детали машин и механизмов и прочие изделия из алюминия покрыты тонкой пленкой Al2O3. Эта пленка не пропускает ни воздух, ни влагу, предотвращая тем самым дальнейшее окисление металла, иначе срок службы алюминиевых изделий не превышал бы нескольких минут. Однако, если потравить (т. е. обработать химически агрессивной средой) поверхность такого изделия, то несколько мгновений можно будет наблюдать характерный блеск чистого алюминия (рис. 3).
13
14
Активные металлы вступают в реакции с простыми веществами, образуя гидриды, галогениды, сульфиды и другие бинарные соединения:
Исключением является реакция алюминия с водородом, которая не идет даже при нагревании.
15
Щелочные и щелочно-земельные металлы реагируют с водой с образованием щелочей и водорода. Реакция с участием лития протекает достаточно медленно, с остальными металлами — бурно: выделяющийся водород нередко самовоспламеняется, а сами металлы расплавляются и превращаются в раскаленные шарики.
16
17
Чистый алюминий тоже активно реагирует с водой, однако оксидная пленка, покрывающая его поверхность, надежно защищает алюминиевые изделия от влаги. Реакция возможна только при искусственном удалении пленки (например, обработкой горячим раствором щелочи):
18
Активные металлы вступают в реакцию с большинством кислот:
Однако, следует иметь в виду, что если щелочной или щелочно-земельный металл попадет в разбавленный раствор кислоты, то начинают протекать две конкурирующие реакции — с кислотой и водой:
Образующаяся в результате второй реакции щелочь впоследствии также вступает во взаимодействие с кислотой; в итоге все равно образуется нейтральное соединение — соль:
19
Аналогично протекает взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с растворами солей, однако в этом случае реакция с водой является преобладающей: сначала образуется щелочь, затем идет обменная реакция. Например, в случае взаимодействия натрия с раствором хлорида меди (II) будут протекать два процесса:
20
Алюминий способен вытеснять менее активные металлы из растворов солей в одну стадию:
21
Еще одна группа реакций активных металлов основана на их хорошей восстанавливающей способности. Так, алюминий используется в металлургии для восстановления из руд хрома и железа (рис. 4), а натрий и кальций — для восстановления редких металлов (урана, циркония, иттрия и др.):
Такие металлургические процессы, сопровождающиеся обычно выделением большого количества тепла, объединяют под общим названием металлотермия.
Применение активных металлов и их соединений
Упомянутая выше металлотермия — основная область применения всех активных металлов, которые являются отличными восстановителями.
Щелочные металлы имеют высокую теплопроводность, но в то же время достаточно низкую температуру плавления (натрий — +98 °С, калий — +64 °С). Эти свойства обуславливают применение щелочных металлов и их сплавов в качестве эффективных теплоносителей, например в атомных реакторах.
Небольшие добавки щелочных и щелочно-земельных металлов в сплавы алюминия, меди, свинца придают им пластичность и стойкость к коррозии.
Газоразрядные лампы, заполненные пара́ми натрия, дают яркий желто-оранжевый свет и широко применяются в уличном освещении (рис. 5).
Среди соединений щелочных и щелочно-земельных металлов наибольшее применение находят непосредственно щелочи, а также оксиды, фториды, хлориды, карбонаты и некоторые другие. Гидроксиды лития, натрия и калия используются для приготовления электролитов щелочных батарей, а оксид лития — один из основных компонентов литий-ионных аккумуляторов, которыми снабжаются большинство современных сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и других мобильных устройств.
Фториды кальция и бария применяются в изготовлении оптических приборов — объективов, линз и призм.
Неорганические соединения калия и кальция (K2CO3, KNO3, Ca(OH)2 и др.) широко используются в качестве минеральных удобрений.
Алюминий и его сплавы — легкие, прочные и коррозионно-устойчивые, — применяются для изготовления корпусов всевозможных механизмов (рис. 6), деталей электронных устройств, проводов, посуды и пр.
Непосредственно алюминий и некоторые его соединения, в том числе органические, используются в качестве высокоэффективного ракетного топлива.
2Na + Cl2 