Щелочные металлы

ВВЕДЕНИЕ 
 
Элементы первой группы периодической системы характеризуются прежде всего одинаковым строением внешнего электронного слоя атомов, в котором у всех членов группы содержится только один электрон. Но второй снаружи электронный слой у отдельных элементов группы построен различно. Это обстоятельство оказывает большое влияние на свойства соответствующих элементов и вызывает деление группы на две подгруппы — главную и побочную. Главную подгруппу образуют типические элементы — литий и натрий исходные с ними по строению атомов элементы четных рядов больших периодов — калий, рубидий и цезий, содержащие в предпоследнем слое восемь электронов. К побочной подгруппе относятся элементы нечетных рядов больших периодов — медь, серебро и золото, с восемнадцатью электронами в предпоследнем слое.  
Название «щелочные «металлы» присвоено элементам главной подгруппы первой группы ввиду того, что гидроокиси главных представителей этой группы — лития, натрия и калия — издавна были известны под названием «щелочей». Из этих щелочей, подвергая их в расплавленном состоянии электролизу, Дэви в 1807 г. впервые получил свободные калий и натрий. Имея в наружном слое только один электрон, удаленный от ядра на значительное расстояние, атомы щелочных металлов чрезвычайно легко отдают его, превращаясь в положительные однозарядные ионы с устойчивой оболочкой соответствующего инертного газа.  
Поэтому щелочные металлы являются наиболее типичными представителями металлов. Все металлические свойства выражены у них особенно резко.  

Цель курсовой работы: повторить свойства металлов, систематизировать и углубить знания о щелочных металлах на основании их сравнительной характеристики. Сформировать понятие о физических и химических свойствах щелочных металлов.

 
Задачи:

 1)Сформировать знания о щелочных металлах, как типичных металлах

2) Рассмотреть представителей щелочных металлов

3)Раскрыть физико-химические свойства щелочных металлов, а также способы их получения

1.Общая характеристика щелочных металлов

Главную подгруппу I группы Периодической системы Д. И. Менделеева составляют литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Сs и францийFr.

Атомы этих элементов имеют на внешнем энергетическом уровне один s-электрон:ns1.Вступая в химические взаимодействия, атомы легко отдают электрон внешнего энергетического уровня, проявляя в соединениях постоянную степень окисления +1.

Элементы этой подгруппы относят к металлам. Их общее название — щелочные металлы.

Распространенность в природе.

 Из элементов главной  подгруппы I группы в природе наиболее распространены натрий и калий. Массовая доля натрия в земной коре составляет 2,64%, калия — 2,60%. Содержание в земной коре лития, рубидия и цезия значительно меньше и составляет соответственно 6,5 • 10-3, 0,031 и 7 • 10-4%. Щелочные металлы в свободном состоянии в природе не встречаются. Основными природными соединениями натрияявляются минералы галит, или каменная соль, NaCl, и мирабилит, или глауберова соль,Na2SO4 • 10Н2О. К важнейшим минералам калия относится сильвин КС1, карналлит КС1 • МgС12 • 6Н2О, сильвинит NaС1 • КС1.

Франций — радиоактивный элемент. Следы этого элемента обнаружены в продуктах распада природного урана. Из-за малого времени жизни изотопов франция его трудно получать в больших количествах, поэтому свойства металлического франция и его соединений изучены еще недостаточно.

Свойства

Щелочные металлы — серебристо-белые вещества с малой плотностью. Литий — самый легкий металл, его плотность равна 0,534 г/см3 (20 °С). Это мягкие металлы, по мягкости  Na, К, Rb и Сs подобны воску. Щелочные металлы легкоплавкие. Так, температура плавления цезия равна 28,50C, наибольшая температура плавления у лития (180,5 °С). Щелочные металлы обладают хорошей электрической проводимостью.

Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, их активность увеличивается в ряду Li— Na— К— Rb— Сs— Fг. В реакциях они являются сильными восстановителями.

 

 

 

 

 

2.Биография  Гемфри Дэви

Гемфри Дэви (1778-1829) родился в маленьком городке Пензансе на юго-западе Англии. Об этой местности есть старинная поговорка: "Южный ветер приносит туда ливни, а северный - возвращает их".  
Отец Гемфри был резчиком по дереву, "не умеющим считать деньги", и поэтому семья с трудом сводила концы с концами, а мать - приемной дочерью местного врача Тонкина.

Гемфри еще в детстве удивил всех своими необычайными способностями. После смерти отца он стал учеником аптекаря и смог осуществить свои давнишние мечты, заняться любимым делом - химией.

В 1798 году Дэви, который приобрел репутацию хорошего химика, был приглашен в Пневматический институт, где изучалось действие на человеческий организм различных газов - водорода, метана, диоксида углерода. Дэви принадлежит открытие "веселящего газа" (оксида диазота) и его физиологического действия на человека.  
В первые годы XIX века Дэви увлекся изучением действия электрического тока на различные вещества, в том числе на расплавленные соли и щелочи. Тридцатилетний ученый сумел в течение двух лет получить в свободном виде шесть ранее неизвестных металлов: калий, натрий, барий, кальций, магний и стронций. Это стало одним из самых выдающихся событий в истории открытия новых химических элементов, особенно если учесть, что щелочи в то время считались простыми веществами (из химиков того времени лишь Лавуазье сомневался в этом).

Вот как описывал Дэви свой опыт, в котором впервые был получен металлический калий: "Маленький кусочек едкого кали... был помещен на изолированный платиновый диск, соединенный с отрицательным полюсом интенсивно действующей батареи... в то же время платиновая проволока, соединенная с положительным полюсом, была приведена в соприкосновение в верхней поверхностью щелочи... Кали начало плавиться у обеих точек электризации, причем у верхней поверхности наблюдалось энергичное выделение газа; у нижней, отрицательной поверхности, газ не выделялся, вместо этого появлялись маленькие шарики с сильным металлическим блеском, внешне ничем не отличавшиеся от ртути. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом и с появлением яркого пламени, другие не сгорали, а только тускнели, и поверхность их покрывалась в конце концов белой пленкой".

Однажды во время опытов с неизвестными металлами произошло несчастье: расплавленный калий попал в воду, произошел взрыв, в результате которого Дэви жестоко пострадал. Неосторожность обернулась для него потерей правого глаза и глубокими шрамами на лице.

Дэви пытался разложить электролизом многие природные соединения, в том числе и глинозем. Он был уверен, что и в этом веществе содержится неведомый металл. Ученый писал: "Если бы мне посчастливилось получить металлическое вещество, которое я ищу, я бы предложил для него название - алюминий". Ему удалось получить сплав алюминия с железом, а чистый алюминий был выделен лишь в 1825 году, когда Дэви уже прекратил свои эксперименты, датским физиком Х.К. Эрстедом.

В течение своей жизни Гемфри Дэви неоднократно возвращался к проблемам получения металлов, хотя его интересы были весьма разносторонними. Так, в 1815 году он сконструировал безопасную рудничную лампу с металлической сеткой, которая спасла жизнь многим шахтерам, а в 1818 году получил в чистом виде еще один щелочной металл - литий.

В 1812 году, в возрасте тридцати четырех лет от роду, Дэви был удостоен титула лорда за свои научные заслуги. В это же время у него обнаружился и поэтический талант, он вошел в кружок английских поэтов-романтиков так называемой "озерной школы". Вскоре его женой стала леди Джейн Эйприс, родственница знаменитого писателя Вальтера Скотта, но этот брак не был счастливым.

С 1820 года Дэви стал президентом Лондонского Королевского общества - английской академии наук.

В начале 1827 года Дэви, чувствуя недомогание, уезжает из Лондона на лечение во Францию и Италию вместе с братом. Жена не сочла нужным сопровождать больного мужа. В 1829 году в Женеве, на обратном пути в Англию, Дэви поразил апоплексический удар, от которого он и умер на 51-м году жизни. Рядом с ним был только его брат. Дэви похоронили в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, где покоится прах выдающихся сынов Англии.

Научные работы Гемфри Дэви в области химии относятся к неорганической химии и электрохимии, основоположником которой он является.

• Открыл (1799 г.) опьяняющее и обезболивающее действие закиси азота и определил ее состав.
• Изучал (1800 г.) электролиз воды и подтвердил факт разложения ее на водород и кислород.
• Выдвинул (1807 г.) электрохимическую теорию химического сродства, согласно которой при образовании химического соединения происходит взаимная нейтрализация, или выравнивание, электрических зарядов, присущих соединяющимся простым телам; при этом чем больше разность этих зарядов, тем прочнее соединение.
• Путем электролиза солей и щелочей получил (1808 г.) калий, натрий, барий, кальций, амальгаму стронция и магний.
• Независимо от Ж. Л. Гей-Люссака и Л. Ж. Тенара открыл (1808 г.) бор нагреванием борной кислоты.
• Подтвердил (1810 г.) элементарную природу хлора.
• Независимо от П. Л. Дюлонга создал (1815 г.) водородную теорию кислот.
• Одновременно с Гей-Люссаком доказал (1813-1814 гг.) элементарную природу иода.
• Сконструировал (1815 г.) безопасную рудничную лампу.
• Открыл (1817-1820 гг.) каталитическое действие платины и палладия. Получил (1818 г.) металлический литий.

[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Характеристика элементов

3.1Литий.

Литий — элемент главной подгруппы первой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева Дмитрия Ивановича, с атомным номером 3. Обозначается символом Li (лат. Lithium). Простое вещество литий (CAS-номер: 7439-93-2) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. 
 
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом

А. Арфведсоном

 

 

 

 

сначала в минерале петалите (Li,Na)[Si4AlO10] ,

а затем в сподумене LiAl[Si2О6] . Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.

Литий — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объёмноцентрированную решётку (координационное число 8), которая при холодной обработке переходит в кубическую плотноупакованную решётку

, где каждый атом, имеющий  двойную кубооктаэдрическую координацию, окружён 12 другими. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структ, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра.

 

 

 

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см3, почти в два раза меньше плотности воды).                    2                            

Щелочной металл, неустойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует.

Во влажном воздухе медленно окисляется, превращаясь в нитрид Li3N, гидроксид LiOH и карбонат Li2CO3. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li2O. Есть интересная особенность, что в интервале температур от 100 °С до 300 °С литий покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет

, это является качественным  признаком для определения лития. Температура возгорания находится  около 300 °С. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой,

Li+ H2O        LiOH+H2

Литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках.

Металлический литий вызывает ожоги при попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза.

В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.

Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (затрата карбоната лития 2,5-3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).

Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью, являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием, скандием, медью, кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.

Соли лития обладают психотропным действием и используются в медицине при профилактике и лечении ряда психических заболеваний. Наиболее распространен в этом качестве карбонат лития. применяется в психиатрии для стабилизации настроения людей, страдающих биполярным расстройством и частыми перепадами настроения. Он эффективен в предотвращении мании депрессии и уменьшает рисксуицида.Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток – для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.

[2]