Щелочные металлы: понимание элементов группы 1 Периодической таблицы

Что такое щелочные металлы?

Щелочные металлы — шесть химических элементов в Группе 1, крайнем левом столбце Периодической таблицы. Это литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). (Исключение — водород (H), имеющий один электрон на внешней оболочке, но не считается щелочным металлом, так как он не металл, а газ при комнатной температуре.)

Щелочные металлы названы так, потому что при реакции с водой они образуют щелочи. Щелочи — гидроксиды этих элементов, например, гидроксид натрия и гидроксид калия. Щелочи — очень сильные основания, едкие. Едкий натр (NaOH) — пример щелочи. Щелочи реагируют с кислотами, образуя соли.

В чистом виде щелочные металлы — мягкие, блестящие металлы с низкими температурами плавления. Щелочные металлы легко реагируют с воздухом и влагой. Из-за своей реактивности при использовании и хранении этих металлов необходимо соблюдать особые меры предосторожности.

Щелочные металлы — высокореактивные металлы при стандартных температуре и давлении и легко теряют свой внешний электрон, образуя катионы с зарядом +1. Все их можно легко резать ножом из-за мягкости, обнажая блестящую поверхность, которая быстро тускнеет на воздухе из-за окисления атмосферной влагой и кислородом (а в случае лития — азотом).

Из-за высокой реактивности их необходимо хранить под маслом, чтобы предотвратить реакцию с воздухом, и в природе они встречаются только в виде солей, никогда как свободные элементы. Цезий, пятый щелочной металл, является самым реактивным из всех металлов. Все щелочные металлы реагируют с водой, причем более тяжелые щелочные металлы реагируют бурнее, чем легкие.

Щелочные металлы в Периодической таблице

Щелочные металлы — литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). Эта группа находится в s-блоке Периодической таблицы, так как у всех щелочных металлов внешний электрон находится в s-орбитали.

Щелочные металлы дают лучший пример групповых тенденций свойств в Периодической таблице, с элементами, демонстрирующими похожие свойства. Например, при движении вниз по таблице все известные щелочные металлы показывают:

• Увеличение атомного радиуса,
• Уменьшение электроотрицательности
• Увеличение реактивности
• Уменьшение температур плавления и кипения

В целом, их плотность увеличивается при движении вниз, за исключением калия, который менее плотен, чем натрий.

Свойства щелочных металлов

Щелочные металлы — группа химических элементов в Периодической таблице со следующими физическими и химическими свойствами:

• Блестящие
• Мягкие
• Серебристые
• Высокореактивные при стандартных температуре и давлении
• Легко теряют внешний электрон, образуя катионы с зарядом +1

Щелочные металлы имеют низкие температуры плавления. Литий плавится при 180,5 °C (356,9 °F); цезий — всего при 28,4 °C (83,1 °F). Эти элементы также отличные проводники тепла и электричества. Щелочные металлы очень реактивны и поэтому обычно встречаются в соединениях с другими элементами, такими как соль (хлорид натрия, NaCl) и хлорид калия (KCl).

Их можно легко резать пластиковым ножом из-за мягкости, а их блестящая поверхность быстро тускнеет на воздухе из-за окисления. Из-за высокой реактивности щелочные металлы должны храниться под маслом, чтобы предотвратить реакцию с воздухом.

В современной номенклатуре IUPAC щелочные металлы составляют элементы группы 1, за исключением водорода. Все щелочные металлы реагируют с водой, причем более тяжелые щелочные металлы реагируют бурнее легких.

Свойства щелочных металлов:

Свойства	Литий	Натрий	Калий	Рубидий	Цезий	Франций
Атомный номер	3	11	19	37	55	87
Атомная масса (или стабильный изотоп)	6,941	22,99	38,098	86,468	132,905	223
Цвет элемента	Серебряный	Серебряный	Серебряный	Серебряный	Серебряный	—
Температура плавления (°C)	180,5	97,72	63,38	39,31	28,44	27
Температура кипения (°C)	1342	883	759	688	671	677
Плотность при 20 °C (г/см³)	0,534	0,971	0,862	1,532	1,873	—
Увеличение объема при плавлении (%)	1,51	2,63	2,81	2,54	2,66	—
Валентность	1	1	1	1	1	1
Массовое число самых распространенных изотопов (природная изобилия, %)	6 (7,59), 7 (92,41)	23 (100)	39 (93,2581), 40 (0,0117), 41 (6,7302)	85 (72,17), 87 (27,83)	133 (100)	—
Цвет пламени	Красный	Желтый	Фиолетовый	Желто-фиолетовый	Синий	—
Основные спектральные линии (длина волны, ангстремы)	6708; 6104	5890; 5896	7699; 7665	4216; 4202	4593; 4555	—
Теплота плавления (кал/моль / кДж/моль)	720 (3)	621 (2,6)	557 (2,33)	523 (2,19)	500 (2,09)	500 (2)
Удельная теплота (Дж/(г·К))	3,582	1,228	0,757	0,363	0,242	—
Электрическое сопротивление при 293–298 К (мкОм·см)	9,5	4,9	7,5	13,3	21	—
Магнитная восприимчивость (CGS)	14,2 (10⁻⁶)	16 (10⁻⁶)	20,8 (10⁻⁶)	17 (10⁻⁶)	29 (10⁻⁶)	—
Кристаллическая структура	Объемно-центрированная кубическая	Объемно-центрированная кубическая	Объемно-центрированная кубическая	Объемно-центрированная кубическая	Объемно-центрированная кубическая	—
Радиус: атомный (ангстремы)	1,67	1,9	2,43	2,65	2,98	—
Радиус: ионный (+1 ион, ангстремы)	0,9	1,16	1,52	1,66	1,81	1,94
Радиус: металлический (ангстремы, 12-координатный)	1,57	1,91	2,35	2,5	2,72	2,8
Первая энергия ионизации (кДж/моль)	520,2	495,8	418,8	403	375,7	380
Окислительный потенциал для окисления из 0 в +1 при 25 °C (В)	3,04	2,71	2,93	2,92	2,92	2,92
Электроотрицательность (Полинг)	0,98	0,93	0,82	0,82	0,79	0,7

Список щелочных металлов

Щелочные металлы:

• Литий (Li)
• Натрий (Na)
• Калий (K)
• Рубидий (Rb)
• Цезий (Cs)
• Франций (Fr)

Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) исключает водород (H) из щелочных металлов, потому что он встречается как газ при обычных температурах и давлениях. Однако водород демонстрирует многие свойства, связанные с элементами группы, и становится щелочным металлом под экстремально высоким давлением.

Примеры щелочных металлов

Щелочные металлы — шесть химических элементов в Группе 1, крайнем левом столбце Периодической таблицы. Это литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr).

Литий

Литий — самый легкий открытый металл. Единственный металл, реагирующий с азотом. Оксид лития амфотерный (и кислотные, и основные свойства). Кроме лития, другие щелочные элементы преимущественно ионны. Зарядная плотность лития выше других щелочных металлов, поэтому он сильно гидратируется.

Литий открыт в 1817 году Йоханом Арфведсоном при анализе петалита LiAlSi₄O₁₀. Слово «литий» происходит от греческого «lithos» — камень. Литий находится в пегматитических минералах, глинах, рассолах, океанах и во всех живых существах.

Применение лития

• Литий используется в теплостойких керамиках и стеклах.
• Сплав лития применяется в авиастроении.
• Литийдейтерид используется как термоядерное топливо.
• Литий-ионные батареи накапливают много энергии. Революционизировали мобильные телефоны и компьютеры.
• Соли лития используются как стабилизаторы настроения (препараты).
• Литий-6 — главный источник трития.
• Литий используется для деоксидизации меди и ее сплавов.
• Соединения лития — пиротехнические колориметры в фейерверках (красная светость).
• Смазочные смазки производятся из лития.

Натрий

Натрий — химическое вещество, которое мы потребляем ежедневно в пище в виде хлорида натрия (поваренной соли). Натрий получают электролизом хлорида натрия. Элемент натрий высокореактивен.

В 1806 году сэр Хамфри Деви, химик, получил натрий, пропуская электрический ток через расплавленный гидроксид натрия. Натрий впервые образовался при термоядерном синтезе в звездах, путем слияния двух атомов углерода. Также может образовываться в звездах, когда атомы неона приобретают протон.

Применение натрия

• Натрий используется для придания блеска металлам.
• Жидкий натрий — теплоноситель в ядерных реакторах.
• Натрийная соль жирных кислот используется в мыле.
• NaK, сплав натрия и калия, важный теплоноситель.
• Соединения натрия используются в бумажной, текстильной, нефтяной и химической промышленности.
• Йодид натрия лечит обширный дерматофитоз.
• Натрий в уличных фонарях и натриевых лампах дает желтое свечение с высокой яркостью.
• Гидроксид натрия — чиститель для духовок.

Калий

Калий — 19-й элемент Периодической таблицы. Калий играет жизненно важную роль в нормальном функционировании организма. Это необходимый минерал, который должен поддерживаться в организмах. Если уровень калия не сбалансирован, может привести к гиперкалиемии или гипокалиемии.

Калий седеет на воздухе. Чтобы предотвратить окисление и влагу, калий хранят в нефти.

Применение калия

• Хлорид калия необходим для роста растений. Используется в удобрениях.
• Калий улучшает удержание воды, урожайность, пищевую ценность, вкус, цвет, текстуру и устойчивость к болезням сельхозкультур.
• Хлорат калия и нитрат калия используются во взрывчатых веществах и фейерверках.
• Нитрат калия — консервант пищевой продукции.
• Калий поддерживает давление и кислотность в организме.
• Хромат калия используется в дублении кожи, производстве чернил, пороха, красителей, спичек и т.д.
• Калий необходим для нормального дыхания клеток и электролитной функции, так как 95% наших клеток состоят из калия.
• Гидроксид калия производит моющие средства.
• Калий помогает качать жидкости внутри сердца и нервов.

Рубидий

Рубидий — радиоактивный элемент. Название от латинского «rubius» — глубокий красный.

Применение рубидия

• Рубидий-82 используется в миокардиальной перфузии.
• Рубидий используется в производстве атомных часов, электронных ламп и фотокатадов.
• Рубидий — рабочая жидкость в паровых турбинах.
• Компонент в двигателях космических аппаратов.
• Пар рубидия используется в лазерном охлаждении.
• Хлорид рубидия заставляет клетки усваивать ДНК.
• Используется в термоэлектрических генераторах.
• Карбонат рубидия — для оптических стекол.
• Из-за гипертонкой структуры энергетических уровней рубидия используется в атомных часах.
• Соединение рубидия, сереба и йода с определенными электрическими характеристиками используется в тонкопленочных батареях.

Цезий

Цезий — активный металл. Химически цезий — самый электроотрицательный элемент и объединяется с анионами для образования соединений. Высокотоксичный элемент. Гидроксид цезия — самое сильное основание, известное на сегодня.

У него много изотопов, из которых цезий-133 стабилен и самый важный стандарт измерения времени (цезиевые/атомные часы). Цезий жидок при или близко к комнатной температуре.

Применение цезия

• Цезий-134 в ядерной энергетике.
• В фотоэлектрических ячейках из-за быстрой электронной эмиссии.
• Цезий — катализатор гидрогенизации определенных органических соединений.
• В системах реактивного движения.
• Удаляет следы воздуха из вакуумных трубок.
• Цезий в фотоэлементах, телевизорах, приборах ночного видения.
• Пар цезия в магнитометре.
• Цезий-137 в брахитерапии для лечения рака. (Брахитерапия — метод лечения рака радиоактивными элементами).
• Раствор хлорида цезия в молекулярной биологии для градиентной ультрацентрифугирования, преимущественно для изоляции вирусных частиц, субклеточных органелл и фракций, нуклеиновых кислот из биологических проб.
• Цезий как стандарт в спектрофотометрии.
• В военных самолетах.

Франций

Франций имеет наименьшую электроотрицательность среди всех известных элементов. Высокорадиоактивный металл и самый тяжелый из этих металлов. Франций получают бомбардировкой тория протонами или радия нейтронами.

Элемент редок и мало используется. Главно для научных исследований в лаборатории. Быстро распадается из-за короткого периода полураспада.

Щелочные металлы великолепно полезны, но не должны использоваться без экспертного руководства, так как они становятся яростными при реакциях и должны обрабатываться осторожно как токсичные.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как называются щелочные металлы?

Группа 1A (или IA) Периодической таблицы — щелочные металлы: водород (H), литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). Это (кроме водорода) мягкие, блестящие, низкоплавкие, высокореактивные металлы, тускнеющие на воздухе.

Каковы 5 характеристик щелочных металлов?

Характеристики щелочных металлов:

• Находятся в столбце 1A Периодической таблицы.
• Имеют один электрон на внешнем электронном слое.
• Легко ионизируются.
• Серебристые, мягкие и не плотные.
• Низкие температуры плавления.
• Невероятно реактивны.

Каковы 3 факта о щелочных металлах?

• Щелочные металлы очень реактивны.
• Они реагируют с водой. Иногда взрываются при контакте с воздухом и водой.
• Они кованы и хорошие проводники тепла и электричества.

Каковы применения щелочных металлов?

Промышленные применения: теплостойкое стекло и керамика, литиевые смазочные смазки, флюсовые добавки для производства железа, стали и алюминия. Мобильные устройства и электромобили зависят от литий-ионных батарей.

Является ли алюминий щелочным металлом?

Цезий, пятый щелочной металл, самый реактивный из всех металлов. Все щелочные металлы реагируют с водой, более тяжелые — бурнее легких.

Где находятся щелочные металлы?

Щелочные металлы: факты об элементах первого столбца Периодической таблицы. Щелочные металлы вокруг вас прямо сейчас. Натрий в поваренной соли, литий в батарее телефона, калий в бананах. Щелочные металлы составляют шесть элементов в первом столбце Периодической таблицы.

Где щелочные металлы встречаются в природе?

Щелочные металлы — первая группа в Периодической таблице. Их никогда не находят в природе в свободном виде, потому что они нестабильны и быстро реагируют с другими элементами. Они хорошо связываются со всеми элементами, кроме инертных газов. На воздухе быстро почерневают.

Каковы 2 самых реактивных щелочных металла?

Реактивность щелочных металлов увеличивается сверху вниз группы, поэтому литий (Li) — наименее реактивный, а франций (Fr) — самый реактивный. Из-за высокой реактивности в природе встречаются только в соединениях с другими элементами.

Из чего делается щелочь?

Производство промышленной щелочи обычно относится к производству содовой (Na₂CO₃; карбонат натрия) и едкого натра (NaOH; гидроксид натрия). Другие промышленные щелочи: гидроксид калия, калий, едкий натр. Производство огромного спектра товаров зависит от использования щелочи на некотором этапе.

Почему щелочные металлы очень активны?

Щелочные металлы экстремально реактивны, потому что у них один электрон на внешней оболочке. Наличие одного валентного электрона делает щелочной металл очень реактивным. Они теряют электрон, чтобы получить конфигурацию инертного газа.

В каком блоке щелочные металлы?

s-блок Периодической таблицы занимают щелочные металлы и щелочноземельные металлы, также известные как группы 1 и 2. Гелий также часть s-блока. Главное квантовое число «n» заполняет s-орбиталь. Максимум два электрона могут занять s-орбиталь.

Почему щелочные металлы встречаются в природе?

Щелочные металлы имеют низкие значения энтальпии ионизации. Следовательно, они легко теряют валентные электроны и высокореактивны. Поэтому в природе они не встречаются в элементарном состоянии. В соединенном состоянии присутствуют в виде галидов, оксидов, силикатов, боратов и нитратов.

Почему щелочные металлы взрываются в воде?

Щелочные металлы реагируют с водой, выделяя тепло, водородный газ и соответствующий гидроксид металла. Выделяемое тепло может поджечь водород или сам металл, приводя к пожару или взрыву.

Почему щелочные металлы не найдены в земле?

Щелочные металлы имеют низкие значения энтальпии ионизации. Следовательно, они легко теряют валентные электроны и высокореактивны. Поэтому в природе они не встречаются в элементарном состоянии.

Почему щелочные металлы хранят в масле?

Элементы Группы 1 называют щелочными металлами. Они размещены в вертикальном столбце слева Периодической таблицы. Все элементы Группы 1 очень реактивны. Их должны хранить под маслом, чтобы держать воздух и воду вдали от них.