21. ЕЛЕМЕНТИ ІА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

21. ЕЛЕМЕНТИ ІА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

До ІА групи належать Літій Li, Натрій Na, Калій K, Рубідій Rb, Цезій Cs, Францій Fr. На зовнішньому електронному рівні вони містять один s-електрон – ns¹, де n – номер періоду, тому є s-елементами.

Усі елементи – типові метали, їх ще називають лужні метали, через те, що усі вони утворюють розчинні у воді сильні основи МеОН – луги.

Лужні метали виявляють сильні відновні властивості, легко віддають єдиний валентний електрон (окиснюються) набуваючи електронної конфігурації благородного газу. У сполуках лужних металів існує іонний зв’язок. Характерна валентність 1, ступінь окиснення – +1.

Металічні властивості зростають у групі зверху вниз. Усі сполуки лужних металів виявляють властивості основ.

21.1. Натрій. Калій

Сполуки натрію і калію використовувались з давніх часів. У Старому Завіті згадується “нетер”, – речовина, яку використовували як миючий засіб. У арабів використовувалось слово “натрон”, звідки і пішла сучасна назва натрій. Слово “калій” арабського походження, арабською “ал-калі” – зола рослин.

Поширення в природі.

Натрій і калій у природі зустрічаються лише у вигляді сполук. Вони входять до складу мінералів гірських порід.

Промислове значення для добування натрію мають галіт (NaCl) – міститься у морській воді і у вигляді кам’яної солі утворює підземні поклади (в Україні родовища в Артемівську і Слов’янську Донецької області). NaCl∙KCl (сильвініт), Na₂SO₄∙10H₂O мірабіліт (глауберова сіль), Na₂CO₃ натрій карбонат.

Найважливіші мінерали калію: KCl∙NaCl сильвініт, KCl∙MgCl₂∙6H₂O карналіт (в Україні родовища калійних солей є в Калуші і Стебнику Львівської обл.). Калій міститься майже в усіх рослинах.

Одержання.

Металічні натрій і калій вперше одержав Г. Деві (Ангілія) у 1807 р. при електролізі розплавів відповідних гідроксидів. У 1924 р. Г. Даунс (США) запропонував добувати ці метали електролізом дешевших хлоридів.

Зараз у промисловості натрій і калій одержують електролізом розплавів їх солей (найчастіше хлоридів*) або гідроксидів (див. Електроліз). Останній спосіб дає можливість одержати натрій і калій вищої частоти, ніж при електролізі хлоридів, проте є дорожчим, оскільки для цього попередньо слід добути їх гідроксиди.

Калій також можна одержати за реакціями у розплавах:

KOH + Na = K + NaOH;                  KCl + Na = K + NaCl.

Фізичні властивості.

Натрій і калій – сріблясто-білі речовини з металічним блиском, високо тепло-, електропровідні, пластичні, ковкі, легкоплавкі (табл. 21.1.)

Таблиця 21.1

Деякі властивості натрію і калію

	Натрій	Калій
Порядковий номер	11	19
Атомна маса	23	39
Конфігурація зовнішнього електронного рівня	3s1	4s1
Атомний радіус, пм	189	236
Густина, г/см3	0,97	0,86
Температура плавлення, 0С	98	63,5
Температура кипіння, 0С	886	771

Такі властивості пояснюються слабкою міжатомною взаємодією.

Цікаво, що електричні дроти можна виготовляти саме з натрію, хоча електропровідність його втричі нижча, ніж у міді, зате натрій у 9 разів легший. Однак, через високу хімічну активність, натрій для цього не застосовують.

Хімічні властивості.

Лужні метали – найактивніші у хімічному відношенні метали, що зумовлено низькими значеннями енергій іонізації атомів (легкістю віддачі електронів).

При контакті з повітрям натрій і калій вкриваються плівкою, що складається з нітридів, оксидів, карбонатів, пероксидів і гідроксидів зазначених металів. Тому натрій і калій зберігають в герметичному посуді під шаром гасу, який захищає їх від контакту з повітрям.

І. Взаємодія з простими речовинами.

Натрій і калій за м’яких умов реагують з усіма неметалами (крім благородних газів), виявляючи при цьому винятково відновні властивості. З воднем, галогенами, сіркою утворюються відповідні бінарні сполуки (див. Бінарні сполуки). Взаємодія з киснем супроводжується утворенням пероксидів та надпероксидів (супероксидів):

Na + O₂ = Na₂O₂;                              K + O₂ = KO₂ (або K₂O₄).

   натрій пероксид                     калій надпероксид

Оксиди натрію Na₂O і калію K₂O одержують при термічному розкладі їх пероксидів та надпероксидів або взаємодії їх з відповідними металами:

2Na₂O₂ = 2Na₂O + O₂;   Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O; KO₂ + 3K = 4K₂O.

Взаємодія пероксидів та надпероксидів натрію і калію з водою або кислотами веде до утворення гідроген пероксиду Н₂О₂:

Na₂O₂ + 2H₂O = 2NaOH + H₂O₂;     Na₂O₂ + H₂SO_4р. = Na₂SO₄ + H₂O₂

ІІ. Взаємодія зі складними речовинами.

1. Натрій і калій при взаємодії з водою утворюють відповідні гідроксиди МеОН (луги) і виділяється водень Н₂:

2Ме + 2Н₂О = 2МеОН + Н₂­.

Реакція часто супроводжується розігріванням і займанням утвореного водню.

2. Взаємодія з кислотами-неокисниками (HHal) відбувається з утворенням відповідних солей і виділенням водню:

2Ме + 2НHal = 2МеНal + Н₂­.

При взаємодії з кислотами-окисниками (концентровані HNO₃, H₂SO₄, розбавлена HNO₃) водень не утворюється, а виділяються продукти відновлення відповідних кислот (див. Нітратна кислота, Сульфатна кислота):

8Na + 10HNO_3р. = 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3H₂O,

8Na + 10HNO_3к. = 8NaNO₃ + N₂O + 5H₂O,

8K + 5H₂SO_4к. = 4К₂SO₄ + H₂S + 4H₂O.

3. З амоніаком NH₃ розплавлені натрій і калій утворюють аміди:

2Nа + 2NH₃ = 2NаNH₂ + Н₂.

4. У реакціях з ацетиленом утворюються ацетиленіди (карбіди) Me₂C₂:

2Nа + HС≡СН = Nа–С≡С–Na + Н₂.

При їх гідролізі утворюються луги (див. Бінарні сполуки).

5. Взаємодію з органічними сполуками (алкілгалогенідами (реакція Вюрца), спиртами, фенолами, карбоновими кислотами) розглянуто в розд. Органічна хімія.

21.2. Гідроксиди натрію і калію

Фізичні властивості. Гідроксиди натрію і калію – тверді безбарвні, легкоплавкі гігроскопічні речовини, розчинні у воді і спиртах. Технічні назви – NaOH – їдкий натр або каустична сода, KOH – їдке калі.

Одержують гідроксиди натрію і калію дією води на прості речовини або їх оксиди.

Хімічні властивості. Гідроксиди натрію і калію виявляють всі характерні властивості гідроксидів.

1. Реагують з кислотами (реакція нейтралізації) та кислотними оксидами утворюючи відповідні солі:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O;            KOH + CO₂ = KHCO₃.

2. Вступають у реакції обміну із солями:

2KOH + CuSO₄ = K₂SO₄ + Cu(OH)₂¯.

3. З амфотерними металами, оксидами, гідроксидами утворюють комплексні сполуки (див. Комплексні сполуки):

2NaOH + 2Al + 6H₂O = Na₂[Al(OH)]₄ + H₂,

2KOH + ZnO + H₂O = K₂[Zn(OH)]₄,

3NaOH + 2Al(OH)₃ = Na₃[Al(OH)]₆.

4. Реакція з галогенами, залежно від температурних умов веде до утворення різних продуктів (див Хлор):

при охолодженні: NaOH + Cl₂ = NaClO + NaСl;

при нагріванні: 6NaОН + 3Cl₂ = NaClO₃ + 5NaCl + 3H₂O.

5. Розкладання гідроксидів натрію і калію можливе лише при електролізі розплавів:

4NaOH = 4Na + O₂ + 2H₂O.

6. Взаємодіють з органічними сполуками (алкілгалогенідами, фенолами, карбоновими кислотами) (див. Органічна хімія).

21.3. Застосування натрію, калію та їх сполук

Натрій є значно дешевшим ніж калій, тому його застосовують частіше.

Металічний натрій використовують для одержання натрій пероксиду, відновлення металів з їх хлоридів (метод натрійтермії), в органічному синтезі (див. Органічна хімія), для видалення з органічних розчинників (бензен, діоксан) слідів води.

Гідроксиди натрію та калію використовують для очистки повітря від шкідливих газів (СО₂, SO₂), нафтопродуктів, у виробництві мила (див. Мила).

Натрій хлорид і натрій карбонат використовують у харчовому виробництві та у побуті. 0,05% Розчин натрій хлориду використовують у медицині як фізіологічний розчин.

Калій хлорид та нітрат – калійні добрива. Калій карбонат застосовують у виробництві скла.

Пероксиди калію та натрію використовують для регенерації повітря в ізольованих приміщеннях (на підводних човнах, космічних кораблях):

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂,

4KO₂ + 2CO₂ = 2K₂CO₃ + 3O₂.

Іони натрію і калію Na⁺ і К⁺ є одними з основних неорганічних компонентів біологічних рідин людського організму (кров, лімфа).