Щелочной металл литий встречается в природе в виде

Щелочной металл литий встречается в природе в виде

Со­дер­жа­ние Л. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 6,5·10 –3 % по мас­се; в сво­бод­ном со­стоянии вслед­ст­вие вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти не встре­ча­ет­ся. Л. на­ка­п­ли­вает­ся пре­им. в пег­ма­ти­тах. Бли­зость ион­ных ра­диу­сов $\ce$ и $\ce>$ обу­слов­ли­вает вхо­ж­де­ние $\ce$ в ре­шёт­ки маг­не­зи­аль­но-же­ле­зи­стых си­ли­ка­тов – пи­рок­се­нов и ам­фи­бо­лов; Л. со­дер­жит­ся в ви­де изо­морф­ной при­ме­си в слю­дах и др. Все ми­не­ра­лы ли­тия (си­ликаты, фос­фаты и др.) ред­кие. Осн. мине­ра­лы: спо­ду­мен $\ce$, ле­пидо­лит $\ceAl_<1\!,5>[Si3AlO10](F,OH)2>$, пе­та­лит $\ce$ и амб­ли­го­нит $\ce$. Осн. пром. ис­точ­ни­ки Л. – пег­ма­ти­ты ред­ких и рас­се­ян­ных эле­мен­тов (ок. 60%) и ра­па не­ко­торых со­ля­ных озёр (до 40%); см. Ли­тие­вые ру­ды.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма Л. $2s^1$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +1; энер­гия ио­ни­за­ции $\ce$ 5,392 эВ, элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 0,98; атом­ный ра­ди­ус 145 пм, ион­ный ра­ди­ус $\ce$ (в скоб­ках при­ве­де­ны ко­ор­ди­нац. чис­ла) 73 пм (4); 90 пм (6); 106 пм (8).

Ком­пакт­ный Л. – се­реб­ри­сто-бе­лый ме­талл, бы­ст­ро по­кры­ваю­щий­ся тём­но-се­рым на­лё­том, со­стоя­щим из нит­ри­да $\ce $ и ок­си­да $\ce $. При обыч­ной темп-ре Л. кри­стал­ли­зу­ет­ся в ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ре­шёт­ке; при темп-ре ни­же –193 °C ре­шёт­ка гек­са­го­наль­ная плот­но­упа­ко­ван­ная; $t_\text<пл>$ 180,54 °C, $t_\text<кип>$ 1342 °C; са­мый лёг­кий ме­талл, плот­ность 535 кг/м 3 ; при 298 К тем­пе­ра­тур­ный ко­эф. ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния 5,6·10 –5 К –1 , те­п­ло­про­вод­ность 85 Вт/(м·К), удель­ное элек­трическое со­про­тив­ле­ние 9,4·10 –8 Ом· м. Л. па­ра­маг­ни­тен.

Л. – мяг­кий и пла­стич­ный ме­талл, хо­ро­шо об­ра­ба­ты­ва­ет­ся прес­со­ва­ни­ем и про­кат­кой, лег­ко про­тя­ги­ва­ет­ся в про­во­ло­ку, твёр­дость по Бри­нел­лю 5 МПа (твёр­же др. ще­лоч­ных ме­тал­лов). Па­ры́ Л. ок­ра­ши­ва­ют пла­мя в тём­но-крас­ный цвет.

Мн. хи­мич. ре­ак­ции Л. про­те­ка­ют ме­нее энер­гич­но, чем у др. ще­лоч­ных ме­тал­лов. С су­хим воз­ду­хом Л. прак­ти­че­ски не реа­ги­ру­ет при ком­нат­ной темп-ре, окис­ля­ет­ся толь­ко при на­гре­ва­нии. Во влаж­ном воз­ду­хе об­ра­зу­ет­ся пре­им. $\ce$, при влаж­но­сти воз­ду­ха бо­лее 80% – $\ce$ и $\ce$. С су­хим $\ce$ при ком­нат­ной темп-ре не реа­ги­ру­ет, при на­гре­ва­нии го­рит го­лу­бым пла­ме­нем с об­ра­зо­ва­ни­ем $\ce$ (пе­рок­сид $\ce$ по­лу­ча­ют толь­ко кос­вен­ным пу­тём). С во­дой реа­ги­ру­ет ме­нее энер­гич­но, чем др. ще­лоч­ные ме­тал­лы, при этом об­ра­зу­ет­ся гид­ро­ксид $\ce$ и вы­де­ля­ет­ся $\ce

$. Рас­плав Л. при кон­так­те с во­дой взры­ва­ет­ся. Раз­бав­лен­ные ми­нер. ки­сло­ты энер­гич­но рас­тво­ря­ют Л. В жид­ком ам­миа­ке рас­тво­ря­ет­ся, об­ра­зуя си­ний рас­твор. Л. не­по­сред­ст­вен­но со­еди­ня­ет­ся с $\ce$, при на­гре­ва­нии так­же и с $\ce$, об­ра­зуя га­ло­ге­ни­ды (важ­ней­ший – хло­рид ли­тия $\ce$). При на­гре­ва­нии (500 °С) взаи­мо­дей­ст­ву­ет с $\ce

$, об­ра­зуя ли­тия гид­рид $\ce$, с се­рой – суль­фид $\ce$. С азо­том Л. мед­лен­но реа­ги­ру­ет при ком­нат­ной темп-ре, энер­гич­но – при 250 °С с об­ра­зо­ва­ни­ем нит­ри­да $\ce$. С фос­фо­ром Л. не­по­сред­ст­вен­но не взаи­мо­дей­ст­ву­ет, в спец. ус­ло­ви­ях мо­гут быть по­лу­че­ны фос­фи­ды $\ce$. На­гре­ва­ние Л. с уг­ле­ро­дом при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию кар­би­да $\ce$. Би­нар­ные со­еди­не­ния Л. – $\ce$ и др. и $\ce$ очень ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ны; при на­гре­ва­нии или плав­ле­нии они раз­ру­ша­ют мн. ме­тал­лы, фар­фор, кварц и др. Л. лег­ко сплав­ля­ет­ся со мно­ги­ми ме­тал­ла­ми (кро­ме $\ce$ и $\ce$), об­ра­зуя твёр­дые рас­тво­ры (с $\ce$) или ин­тер­ме­тал­ли­ды (с $\ce$ и др.). Л. об­ра­зу­ет мно­го­числ. ли­тий­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, что оп­ре­де­ля­ет его важ­ную роль в ор­га­нич. син­те­зе.

Мел­кая крош­ка Л. вы­зы­ва­ет ожо­ги влаж­ной ко­жи и глаз. За­го­рев­ший­ся Л. за­сы­па­ют $\ce$ или со­дой. Хра­нят Л. в гер­ме­ти­че­ски за­кры­тых жес­тя­ных ко­роб­ках под сло­ем пас­то­об­раз­ной мас­сы из па­ра­фи­на и ми­нер. мас­ла.

Наи­бо­лее важ­ные со­еди­не­ния Л.: ли­тия кар­бо­нат $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2110 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 732 °С, пло­хо рас­тво­ри­мые в во­де; ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния др. со­еди­не­ний Л., а так­же в про­из-ве си­тал­лов, ке­рами­ки, элек­тро­изо­ляц. фар­фо­ра, эма­лей, гла­зу­рей, в пи­ро­тех­ни­ке, в чёр­ной ме­тал­лур­гии, в ка­че­ст­ве до­бав­ки в элек­тро­лит алю­ми­ние­вых элек­тро­ли­зё­ров и пр.); ли­тия хло­рид $\ce$ (бес­цвет­ные гиг­ро­ско­пич­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2070 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 610 °С, рас­тво­ри­мые в во­де и во мно­гих ор­га­нич. рас­тво­ри­телях; ис­поль­зу­ют как вы­са­ли­ваю­щий и де­гид­ра­ти­рую­щий агент, в пром-сти – для по­лу­че­ния ме­тал­лич. ли­тия элек­тро­ли­зом, для кон­ди­цио­ни­ро­ва­ния воз­ду­ха, в про­из-ве флю­сов для плав­ки ме­тал­лов и пр.); ли­тия фто­рид $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2600 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 849 °С; ис­поль­зу­ют как ма­те­ри­ал тер­мо­лю­ми­нес­цент­ных до­зи­мет­ров, как оп­тич. ма­те­ри­ал, ком­по­нент элек­тро­ли­тов, эма­лей, гла­зу­рей и пр.); ли­тия гид­ро­ксид $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 1440 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 473 °С, ме­нее рас­тво­ри­мы в во­де, чем гид­ро­кси­ды др. ще­лоч­ных ме­тал­лов; ис­поль­зу­ют как до­бав­ки к элек­тро­ли­ту ще­лоч­ных ак­ку­му­ля­то­ров, в ка­че­ст­ве реа­ген­та для по­лу­че­ния, напр., олеа­тов, стеа­ра­тов и паль­ми­та­тов – ком­по­нен­тов кон­си­стент­ных сма­зок для авиа­ции и во­ен. тех­ни­ки с ра­бо­чим ин­тер­ва­лом от –50 до +150 °С, как по­гло­ти­тель $\ce$ на под­вод­ных лод­ках, са­мо­лё­тах и кос­мич. ко­раб­лях); ли­тия нио­бат (ме­та­нио­бат ли­тия) $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 4628 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 1260 °С; мо­но­кри­стал­лы $\ce$ вы­ра­щи­ва­ют по ме­то­ду Чох­раль­ско­го и ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве пре­об­ра­зо­ва­те­лей энер­гии и зву­ко­про­во­дов, эле­мен­тов мо­ду­ля­то­ров и др. в элек­трооп­ти­ке, мо­ду­ля­то­ров ла­зер­но­го из­лу­че­ния, пи­ро­элек­трич. при­ём­ни­ков лу­чи­стой энер­гии и др.).

Получение

Со­еди­не­ния Л. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те гид­ро­ме­тал­лур­гич. пе­ре­ра­бот­ки кон­цен­тра­тов – про­дук­тов обо­га­ще­ния ли­тие­вых руд. Осн. пром. ми­не­рал Л. – спо­ду­мен – пе­ре­ра­ба­ты­ва­ют по из­вест­ко­во­му, суль­фат­но­му, сер­но­кис­лот­но­му и щё­лоч­но-со­ле­во­му ме­то­дам. По из­вест­ко­во­му ме­то­ду спо­ду­мен раз­ла­гает­ся из­вест­ня­ком при 1150–1200 °С: $\ce$. Спек вы­ще­ла­чи­ва­ют во­дой в при­сут­ст­вии из­быт­ка из­вес­ти, при этом алю­ми­нат ли­тия $\ce$ раз­ла­га­ет­ся: $\ce$. По суль­фат­но­му ме­то­ду спо­ду­мен (и дру­гие алю­мо­си­ли­ка­ты) спе­ка­ют с $\ce$ (при 1050–1100 °С): $\ce$, суль­фат Л. рас­тво­ря­ют в во­де и из рас­тво­ра со­дой оса­ж­да­ют кар­бо­нат Л.: $\ce$. По сер­но­кис­лот­но­му спо­со­бу по­лу­ча­ют рас­твор суль­фа­та Л., за­тем кар­бо­нат; ре­ак­ция при­ме­ни­ма толь­ко для $β$-мо­ди­фи­ка­ции спо­ду­ме­на. При щё­лоч­но-со­ле­вом ме­то­де по­сле раз­ло­же­ния спо­ду­ме­на сме­сью $\ce$ и $\ce$ в рас­твор пе­ре­хо­дит $\ce$.

Ме­тал­лич. Л. по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­плав­лен­ной сме­си $\ce$ и $\ce$ при 400–460 °С с по­сле­дую­щей очи­ст­кой от при­ме­сей ($\ce$) ва­куум­ной дис­тил­ля­ци­ей, рек­ти­фи­ка­ци­ей или зон­ной плав­кой. Ме­тал­лич. Л. по­лу­ча­ют так­же ва­ку­ум-тер­мич. вос­ста­нов­ле­ни­ем алю­ми­на­та ли­тия (алю­ми­ни­ем при темп-ре 1150–1200 °С и дав­ле­нии 15–66 Па), $\ce$ (крем­ни­ем или алю­ми­ни­ем в при­сут­ст­вии $\ce$ при темп-ре 950–1000 °С и дав­ле­нии 0,1 Па), спо­думе­на (фер­ро­си­ли­ци­ем в при­сут­ст­вии $\ce$ при темп-ре 1050–1150 °С и дав­ле­нии 1,3–4,4 Па).

Объ­ём ми­ро­во­го про­из-ва Л. ок. 7·10 6 т/год.

Применение

Важ­ней­шая об­ласть при­ме­не­ния Л. – ядер­ная энер­ге­ти­ка. Изо­топ $\ce<^6Li>$ – един­ст­вен­ный пром. ис­точ­ник для про­из-ва три­тия (). Жид­кий Л. ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве те­п­ло­но­си­те­ля в ура­но­вых ре­ак­то­рах, рас­плав­лен­ный $\ce<^7LiF>$ – как рас­тво­ри­тель $\ce$ и $\ce$ в го­мо­ген­ных ре­ак­то­рах. Дей­те­рид $\ce<^6Li>$ – ос­но­ва тер­мо­ядер­но­го ору­жия. Л. при­ме­ня­ют в про­из-ве ано­дов для хи­мич. ис­точ­ни­ков то­ка на ос­но­ве не­вод­ных и твёр­дых элек­тро­ли­тов; как ком­по­нент спла­вов с $\ce$ и $\ce$, ан­ти­фрик­ци­он­ных спла­вов (баб­би­тов), спла­вов с $\ce$ для из­го­тов­ле­ния ка­то­дов в элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­рах; для рас­кис­ле­ния, де­га­за­ции, ра­фи­ни­ро­ва­ния $\ce$, мед­ных, цин­ко­вых и ни­ке­ле­вых спла­вов; как ка­та­ли­за­тор по­ли­ме­ри­за­ции (напр., изо­пре­на), аце­ти­ли­ро­ва­ния и др. Со­еди­не­ния Л. (напр., кар­бо­нат) при­ме­ня­ют­ся для ле­че­ния пси­хич. за­бо­ле­ва­ний.

Источник



Щелочные металлы

К щелочным металлам относят химические элементы: одновалентные металлы, составляющие Ia группу: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций.

Эти металлы очень активны, быстро окисляются на воздухе и бурно реагируют с водой. Их хранят под слоем керосина из-за их сильной реакционной способности.

Общая характеристика

От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

• Li — 2s 1
• Na — 3s 1
• K — 4s 1
• Rb — 5s 1
• Cs — 6s 1
• Fr — 7s 1

Природные соединения

• NaCl — галит (каменная соль)
• KCl — сильвит
• NaCl*KCl — сильвинит

Получение

Получить такие активные металлы электролизом водного раствора — невозможно. Для их получения применяют электролиз расплавов при высоких температурах (естественно — безводных):

NaCl → Na + Cl₂↑ (электролиз расплава каменной соли)

Химические свойства

Одной из особенностей щелочных металлов является их реакция с кислородом. Литий в такой реакции преимущественно образует оксид, натрий — пероксид, калий, рубидий и цезий — супероксиды.

K + O₂ → KO₂ (супероксид калия)

Помните, что металлы никогда не принимают отрицательных степеней окисления. Щелочные металлы одновалентны, и проявляют постоянную степень окисления +1 в различных соединениях: гидриды, галогениды (фториды, хлориды, бромиды и йодиды), нитриды, сульфиды и т.д.

Li + H₂ → LiH (в гидридах водород -1)

Na + F₂ → NaF (в фторидах фтор -1)

Na + S → Na₂S (в сульфидах сера -2)

K + N₂ → K₃N (в нитридах азот -3)

Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом часто происходит воспламенение, а иногда — взрыв.

Na + H₂O → NaOH + H₂↑ (воду можно представить в виде HOH — натрий вытесняет водород)

Иногда в задачах может проскользнуть фраза такого плана: «. в ходе реакции выделился металл, окрашивающий пламя горелки в желтый цвет». Тут вы сразу должны догадаться: речь, скорее всего, про натрий.

Щелочные металлы по-разному окрашивают пламя. Литий окрашивает в алый цвет, натрий — в желтый, калий — в фиолетовый, рубидий — синевато-красный, цезий — синий.

Оксиды щелочных металлов

Имеют общую формулу R₂O, например: Na₂O, K₂O.

Получение

Получение оксидов щелочных металлов возможно в ходе реакции с кислородом. Для лития все совсем несложно:

В подобных реакциях у натрия и калия получается соответственно пероксид и супероксид, что приводит к затруднениям. Как из пероксида, так и из супероксида, при желании можно получить оксид:

Химические свойства

По свойствам эти оксиды являются основными. Они хорошо реагируют c водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li₂O + H₂O → LiOH (осн. оксид + вода = основание — реакция идет, только если основание растворимо)

Na₂O + SO₂ → Na₂SO₃ (обратите внимание — мы сохраняем СО серы +4)

Гидроксиды щелочных металлов

Относятся к щелочам — растворимым основаниям. Наиболее известные представители: NaOH — едкий натр, KOH — едкое кали.

Получение

Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции щелочных металлов и их оксидов с водой:

KCl + H₂O → (электролиз!) KOH + H₂ + Cl₂ (на катоде выделяется водород, на аноде — хлор)

Химические свойства

Проявляют основные свойства. Хорошо реагируют с кислотами, кислотными оксидами и солями, если в ходе реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

LiOH + H₂SO₄ → LiHSO₄ + H₂O (соотношение 1:1, кислота в избытке — получается кислая соль)

2LiOH + H₂SO₄ → Li₂SO₄ + 2H₂O (соотношение 2:1, основание в избытке — получается средняя соль)

KOH + SO₂ → KHSO₃ (соотношение 1:1 — получается кислая соль)

2KOH + SO₂ → K₂SO₃ + H₂O (соотношение 2:1 — получается средняя соль)

С амфотерными гидроксидами реакции протекают с образованием комплексных солей (в водном растворе) или с образованием оксиелов — смешанных оксидов (при высоких температурах — прокаливании).

NaOH + Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄] (в водном растворе образуются комплексные соли)

NaOH + Al(OH)₃ → NaAlO₂ + H₂O (при прокаливании образуется оксиел — смесь двух оксидов: Al₂O₃ и Na₂O, вода испаряется)

Реакции щелочей с галогенами заслуживают особого внимания. Без нагревания они идут по одной схеме, а при нагревании эта схема меняется:

NaOH + Cl₂ → NaClO + NaCl + H₂O (без нагревания хлор переходит в СО +1 и -1)

NaOH + Cl₂ → NaClO₃ + NaCl + H₂O (с нагреванием хлор переходит в СО +5 и -1)

В реакциях щелочей с йодом образуется исключительно иодат, так как гипоиодит неустойчив даже при комнатной температуре, не говоря о нагревании. С серой реакция протекает схожим образом:

NaOH + I₂ → NaIO₃ + NaI + H₂O (с нагреванием)

NaOH + S → Na₂S + Na₂SO₃ + H₂O (сера переходит в СО -2 и +4)

Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO₂, который соответствует сразу двум кислотам — и азотной, и азотистой.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Щелочные металлы в природе

Получение и свойства щелочных металлов. Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений. Натрий и калий принадлежат к наиболее распространенным на земле элементам: содержание натрия в земной коре составляет 2,40, а калия 2,35 весовых процента. Оба металла входят в состав различных минералов и горных пород силикатного типа. Хлористый натрий находится в морской воде, а также образует мощные отложения каменной соли во многих местах земного шара. В верхних слоях этих отложений иногда содержатся довольно значительные количества калия, преимущественно в виде хлористого калия и в виде двойных солей с натрием и магнием. Однако большие скопления калиевых солей, имеющие промышленное значение, встречаются редко. Наиболее важными из них являются Соликамские месторождения в СНГ, стассфуртские — в Германии и эльзасские — во Франции. Залежи натриевой селитры находятся в Чили. Сода содержится в воде многих озер. Наконец, огромные количества сульфата натрия находятся в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря, где эта соль в зимние месяцы толстым слоем осаждается на дно залива.

Значительно меньше, чем натрий и калий, распространены остальные три щелочных металла: литий, рубидий и цезий. Чаще других встречается литий, но содержащие его минералы редко образуют большие скопления. Следы лития можно обнаружить в воде многих минеральных источников, в почве, а также в золе некоторых растений, как, например, свеклы, табака, хмеля. Рубидий и цезий содержатся в малых количествах в некоторых литиевых минералах.

Щелочные металлы всегда находятся в соединениях в виде положительно заряженных ионов. Так как атомы щелочных металлов очень легко окисляются, отдавая свои электроны, то ионы их, наоборот, трудно восстанавливаются. Поэтому для восстановления ионов щелочных металлов обычно прибегают к наиболее мощному восстановительному средству — электрическому току. Натрий и калий получают в технике электролизом расплавленных гидроокисей или расплавленных хлористых солей; литий получается электролизом расплавленного хлористого лития или смеси расплавленных хлористого лития и хлористого калия.

Все щелочные металлы обладают сильным металлическим блеском, который хорошо можно наблюдать на свежем разрезе металла. На воздухе блестящая поверхность металла сейчас же тускнеет вследствие окисления.

Щелочные металлы характеризуются незначительной твердостью, высокой электропроводностью, малыми удельными весами и низки-ми температурами плавления и кипения, наименьший удельный вес 0,53 имеет литий, наиболее низкую температуру плавления 28° — цезий.

Основные физические константы щелочных металлов приведены в табл. 28.

Важнейшие физические константы щелочных металлов

Константы	Литий Li	Натрий Na	Калий К	Рубидий Rb	Цезий Cs
Удельный вес

Темп, кипения в °С

Радиус атома в Å

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке, образуя коллоидные растворы, окрашенные в темносиний цвет.

Если внести в несветящее пламя газовой горелки соль щелочного металла, то она разлагается и пары освободившегося металла окрашивают пламя в тот или иной характерный для данного металла цвет. Например, литий окрашивает пламя в малиновый цвет, натрий — в желтый и т. д. Рассматривая окрашенное пламя в спектроскоп, мы увидим свойственный данному металлу спектр. Таким путем можно открыть даже незначительные следы этих элементов в исследуемом веществе.

Спектральный анализ. Многочисленные исследования спектров различных веществ, находящихся в газообразном состоянии, показали, что каждому химическому элементу, а также многим сложным веществам соответствует свой характерный спектр, отличающийся от спектров других веществ числом и расположением линий. При исследовании спектров смесей получают от каждого входящего в смесь вещества свойственный ему спектр. Таким образом, по спектру можно устанавливать присутствие тех или иных веществ в смеси. На этом основан специальный метод исследования веществ, получивший название спектрального анализа.

Спектральный анализ имеет огромное значение для химии. Особенно важным он является в тех случаях, когда исследуемое вещество имеется в ничтожном количестве. Чувствительность этого метода далеко оставляет за собою чувствительность обыкновенных химических реакций. Например, характерная желтая линия в спектре натрия видна в спектроскоп, если пламя содержит всего одну миллиардную долю грамма натрия. Многие редкие элементы, встречающиеся в малых количествах, в том числе рубидий и цезий, были открыты только благодаря спектральному анализу.

По своим химическим свойствам щелочные металлы принадлежат к числу наиболее активных элементов. Активность щелочных металлов неодинакова и заметно увеличивается с возрастанием их порядковых номеров. Увеличение активности идет параллельно с увеличением атомных радиусов, т. е. расстояний между валентным электроном и ядром (табл. 28). Такая закономерность вполне понятна: чем дальше от ядра отодвигается валентный электрон, тем слабее становится связь между ним и ядром, тем легче он отрывается от ядра. А так как активность металлов определяется легкостью отдачи валентных электронов, то она, естественно, растет в ряду Li — Cs.

Как уже было сказано ранее (см. стр. 168), прочность связи электронов в атоме оценивается величиной энергии ионизации, или ионизационным потенциалом, элемента. Наименьшие ионизационные потенциалы имеют атомы щелочных металлов. Величины ионизационных потенциалов этих элементов характеризуются следующими цифрами (в вольтах):

Li Na К Rb Cs 5,36 5,1 4,32 4,10 3,87

Приведенные данные показывают, что при переходе от лития к цезию ионизационные потенциалы уменьшаются, следовательно, уменьшается и прочность связи наружного электрона с ядром атома.

С низкими ионизационными потенциалами связана способность щелочных металлов легко терять электроны при различных внешних воздействиях, в частности при действии света на чистую поверхность металла. На этом явлении основано действие фотоэлементов — приборов, непосредственно преобразующих световую энергию-в электрическую. Особенно чувствительным к действию света является цезий.

Схема устройства фотоэлемента показана на рис. 139. Стеклянный шарообразный сосуд наполовину покрыт изнутри тонким слоем одного из щелочных металлов. Над слоем металла расположено кольцо или сетка из платиновой проволоки. Колба наполнена неоном или другим инертным газом при очень малом давлении. Сетку и слой металла соединяют с внешней цепью, в которую включают батарею элементов и гальванометр. При отсутствии света цепь остается разомкнутой; ток не проходит через фотоэлемент. Но если осветить поверхность металла, то с нее начинают срываться электроны, летящие в направлении сетки и вызывающие тем самым замыкание цепи и возникновение в ней постоянного тока.

Фотоэлементы широко применяются на практике при передаче изображений на расстояние (например, телевидение), в различных сигнализационных установках, для автоматической регулировки механизмов в звуковом кино и т. п.

Все щелочные металлы энергично соединяются с кислородом.. Рубидий и цезий даже самовоспламеняются на воздухе; литий, натрий и калий загораются при небольшом нагревании. Чрезвычайно характерно, что только литий, сгорая, образует нормальный окисел Li₂О, остальные же щелочные металлы превращаются в перекиси следующего состава:

Строение перекисей типа M₂O₄, где М — щелочной металл, точно не установлено.

Не менее энергично, чем с кислородом, взаимодействуют щелочные металлы с галогенами, особенно с хлором и фтором.

Так как в ряду напряжений щелочные металлы стоят далеко впереди водорода, то они вытесняют водород не только из кислот,, но и из воды (где концентрация Н’-ионов очень мала), образуя, сильные основания:

2К + 2НОН = 2КОН + Н₂

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, щелочные металлы являются самыми энергичными восстановителями.

Восстановительная способность щелочных металлов настолько велика, что они могут восстанавливать даже атомы водорода,, превращая их в отрицательно заряженные ионы Н’ с электронной конфигурацией инертного газа гелия. Так, при нагревании щелочных металлов в струе водорода получаются твердые кристаллические вещества типа МН, называемые гидридами, в состав которых входит отрицательно заряженный водород:

С водой гидриды взаимодействуют с образованием водорода: и щелочи:

По своему химическому характеру гидриды несколько напоминают соли галогеноводородных кислот. Гидриды щелочных_ металлов растворяются в жидком аммиаке, образуя проводящие ток растворы. При электролизе таких растворов на катоде выделяется металл, а на аноде — водород; следовательно, последний находится в растворе з виде анионов Н’:

Щелочные металлы образуют большое число солей. За исключением нескольких солей лития (LiF, Li₂CO₃, Li₃PO₄), почти все соли щелочных металлов легко растворимы в воде. Поэтому, если для реакции требуется тот или иной анион, его обычно берут в виде соли щелочного металла. Растворы солей, образованных слабыми кислотами, вследствие гидролиза имеют сильно щелочную реакцию.

Щелочные металлы и их соединения широко используются в технике. Смазки, содержащие соединения лития, сохраняют высокие смазочные свойства в пределах от 120 до —60° и находят широкое применение в авиации. Небольшая добавка едкого лития увеличивает мощность щелочных электрических аккумуляторов и втрое удлиняет срок их службы. Хлористый и бромистый литий применяются в подводных лодках для очистки воздуха. Литиевые соединения входят в состав оптических стекол и т. д. Цезий и рубидий применяются для изготовления фотоэлементов. Особенно же большое практическое значение имеют натрий, калий и их соли.

Источник

ЛИ́ТИЙ

Со­дер­жа­ние Л. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 6,5·10 –3 % по мас­се; в сво­бод­ном со­стоянии вслед­ст­вие вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти не встре­ча­ет­ся. Л. на­ка­п­ли­вает­ся пре­им. в пег­ма­ти­тах. Бли­зость ион­ных ра­диу­сов $\ce$ и $\ce>$ обу­слов­ли­вает вхо­ж­де­ние $\ce$ в ре­шёт­ки маг­не­зи­аль­но-же­ле­зи­стых си­ли­ка­тов – пи­рок­се­нов и ам­фи­бо­лов; Л. со­дер­жит­ся в ви­де изо­морф­ной при­ме­си в слю­дах и др. Все ми­не­ра­лы ли­тия (си­ликаты, фос­фаты и др.) ред­кие. Осн. мине­ра­лы: спо­ду­мен $\ce$, ле­пидо­лит $\ceAl_<1\!,5>[Si3AlO10](F,OH)2>$, пе­та­лит $\ce$ и амб­ли­го­нит $\ce$. Осн. пром. ис­точ­ни­ки Л. – пег­ма­ти­ты ред­ких и рас­се­ян­ных эле­мен­тов (ок. 60%) и ра­па не­ко­торых со­ля­ных озёр (до 40%); см. Ли­тие­вые ру­ды.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма Л. $2s^1$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +1; энер­гия ио­ни­за­ции $\ce$ 5,392 эВ, элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 0,98; атом­ный ра­ди­ус 145 пм, ион­ный ра­ди­ус $\ce$ (в скоб­ках при­ве­де­ны ко­ор­ди­нац. чис­ла) 73 пм (4); 90 пм (6); 106 пм (8).

Ком­пакт­ный Л. – се­реб­ри­сто-бе­лый ме­талл, бы­ст­ро по­кры­ваю­щий­ся тём­но-се­рым на­лё­том, со­стоя­щим из нит­ри­да $\ce $ и ок­си­да $\ce $. При обыч­ной темп-ре Л. кри­стал­ли­зу­ет­ся в ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ре­шёт­ке; при темп-ре ни­же –193 °C ре­шёт­ка гек­са­го­наль­ная плот­но­упа­ко­ван­ная; $t_\text<пл>$ 180,54 °C, $t_\text<кип>$ 1342 °C; са­мый лёг­кий ме­талл, плот­ность 535 кг/м 3 ; при 298 К тем­пе­ра­тур­ный ко­эф. ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния 5,6·10 –5 К –1 , те­п­ло­про­вод­ность 85 Вт/(м·К), удель­ное элек­трическое со­про­тив­ле­ние 9,4·10 –8 Ом· м. Л. па­ра­маг­ни­тен.

Л. – мяг­кий и пла­стич­ный ме­талл, хо­ро­шо об­ра­ба­ты­ва­ет­ся прес­со­ва­ни­ем и про­кат­кой, лег­ко про­тя­ги­ва­ет­ся в про­во­ло­ку, твёр­дость по Бри­нел­лю 5 МПа (твёр­же др. ще­лоч­ных ме­тал­лов). Па­ры́ Л. ок­ра­ши­ва­ют пла­мя в тём­но-крас­ный цвет.

Мн. хи­мич. ре­ак­ции Л. про­те­ка­ют ме­нее энер­гич­но, чем у др. ще­лоч­ных ме­тал­лов. С су­хим воз­ду­хом Л. прак­ти­че­ски не реа­ги­ру­ет при ком­нат­ной темп-ре, окис­ля­ет­ся толь­ко при на­гре­ва­нии. Во влаж­ном воз­ду­хе об­ра­зу­ет­ся пре­им. $\ce$, при влаж­но­сти воз­ду­ха бо­лее 80% – $\ce$ и $\ce$. С су­хим $\ce$ при ком­нат­ной темп-ре не реа­ги­ру­ет, при на­гре­ва­нии го­рит го­лу­бым пла­ме­нем с об­ра­зо­ва­ни­ем $\ce$ (пе­рок­сид $\ce$ по­лу­ча­ют толь­ко кос­вен­ным пу­тём). С во­дой реа­ги­ру­ет ме­нее энер­гич­но, чем др. ще­лоч­ные ме­тал­лы, при этом об­ра­зу­ет­ся гид­ро­ксид $\ce$ и вы­де­ля­ет­ся $\ce

$. Рас­плав Л. при кон­так­те с во­дой взры­ва­ет­ся. Раз­бав­лен­ные ми­нер. ки­сло­ты энер­гич­но рас­тво­ря­ют Л. В жид­ком ам­миа­ке рас­тво­ря­ет­ся, об­ра­зуя си­ний рас­твор. Л. не­по­сред­ст­вен­но со­еди­ня­ет­ся с $\ce$, при на­гре­ва­нии так­же и с $\ce$, об­ра­зуя га­ло­ге­ни­ды (важ­ней­ший – хло­рид ли­тия $\ce$). При на­гре­ва­нии (500 °С) взаи­мо­дей­ст­ву­ет с $\ce

$, об­ра­зуя ли­тия гид­рид $\ce$, с се­рой – суль­фид $\ce$. С азо­том Л. мед­лен­но реа­ги­ру­ет при ком­нат­ной темп-ре, энер­гич­но – при 250 °С с об­ра­зо­ва­ни­ем нит­ри­да $\ce$. С фос­фо­ром Л. не­по­сред­ст­вен­но не взаи­мо­дей­ст­ву­ет, в спец. ус­ло­ви­ях мо­гут быть по­лу­че­ны фос­фи­ды $\ce$. На­гре­ва­ние Л. с уг­ле­ро­дом при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию кар­би­да $\ce$. Би­нар­ные со­еди­не­ния Л. – $\ce$ и др. и $\ce$ очень ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ны; при на­гре­ва­нии или плав­ле­нии они раз­ру­ша­ют мн. ме­тал­лы, фар­фор, кварц и др. Л. лег­ко сплав­ля­ет­ся со мно­ги­ми ме­тал­ла­ми (кро­ме $\ce$ и $\ce$), об­ра­зуя твёр­дые рас­тво­ры (с $\ce$) или ин­тер­ме­тал­ли­ды (с $\ce$ и др.). Л. об­ра­зу­ет мно­го­числ. ли­тий­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, что оп­ре­де­ля­ет его важ­ную роль в ор­га­нич. син­те­зе.

Мел­кая крош­ка Л. вы­зы­ва­ет ожо­ги влаж­ной ко­жи и глаз. За­го­рев­ший­ся Л. за­сы­па­ют $\ce$ или со­дой. Хра­нят Л. в гер­ме­ти­че­ски за­кры­тых жес­тя­ных ко­роб­ках под сло­ем пас­то­об­раз­ной мас­сы из па­ра­фи­на и ми­нер. мас­ла.

Наи­бо­лее важ­ные со­еди­не­ния Л.: ли­тия кар­бо­нат $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2110 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 732 °С, пло­хо рас­тво­ри­мые в во­де; ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния др. со­еди­не­ний Л., а так­же в про­из-ве си­тал­лов, ке­рами­ки, элек­тро­изо­ляц. фар­фо­ра, эма­лей, гла­зу­рей, в пи­ро­тех­ни­ке, в чёр­ной ме­тал­лур­гии, в ка­че­ст­ве до­бав­ки в элек­тро­лит алю­ми­ние­вых элек­тро­ли­зё­ров и пр.); ли­тия хло­рид $\ce$ (бес­цвет­ные гиг­ро­ско­пич­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2070 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 610 °С, рас­тво­ри­мые в во­де и во мно­гих ор­га­нич. рас­тво­ри­телях; ис­поль­зу­ют как вы­са­ли­ваю­щий и де­гид­ра­ти­рую­щий агент, в пром-сти – для по­лу­че­ния ме­тал­лич. ли­тия элек­тро­ли­зом, для кон­ди­цио­ни­ро­ва­ния воз­ду­ха, в про­из-ве флю­сов для плав­ки ме­тал­лов и пр.); ли­тия фто­рид $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 2600 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 849 °С; ис­поль­зу­ют как ма­те­ри­ал тер­мо­лю­ми­нес­цент­ных до­зи­мет­ров, как оп­тич. ма­те­ри­ал, ком­по­нент элек­тро­ли­тов, эма­лей, гла­зу­рей и пр.); ли­тия гид­ро­ксид $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 1440 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 473 °С, ме­нее рас­тво­ри­мы в во­де, чем гид­ро­кси­ды др. ще­лоч­ных ме­тал­лов; ис­поль­зу­ют как до­бав­ки к элек­тро­ли­ту ще­лоч­ных ак­ку­му­ля­то­ров, в ка­че­ст­ве реа­ген­та для по­лу­че­ния, напр., олеа­тов, стеа­ра­тов и паль­ми­та­тов – ком­по­нен­тов кон­си­стент­ных сма­зок для авиа­ции и во­ен. тех­ни­ки с ра­бо­чим ин­тер­ва­лом от –50 до +150 °С, как по­гло­ти­тель $\ce$ на под­вод­ных лод­ках, са­мо­лё­тах и кос­мич. ко­раб­лях); ли­тия нио­бат (ме­та­нио­бат ли­тия) $\ce$ (бес­цвет­ные кри­стал­лы с плот­но­стью 4628 кг/м 3 и $t_\text<пл>$ 1260 °С; мо­но­кри­стал­лы $\ce$ вы­ра­щи­ва­ют по ме­то­ду Чох­раль­ско­го и ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве пре­об­ра­зо­ва­те­лей энер­гии и зву­ко­про­во­дов, эле­мен­тов мо­ду­ля­то­ров и др. в элек­трооп­ти­ке, мо­ду­ля­то­ров ла­зер­но­го из­лу­че­ния, пи­ро­элек­трич. при­ём­ни­ков лу­чи­стой энер­гии и др.).

Получение

Со­еди­не­ния Л. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те гид­ро­ме­тал­лур­гич. пе­ре­ра­бот­ки кон­цен­тра­тов – про­дук­тов обо­га­ще­ния ли­тие­вых руд. Осн. пром. ми­не­рал Л. – спо­ду­мен – пе­ре­ра­ба­ты­ва­ют по из­вест­ко­во­му, суль­фат­но­му, сер­но­кис­лот­но­му и щё­лоч­но-со­ле­во­му ме­то­дам. По из­вест­ко­во­му ме­то­ду спо­ду­мен раз­ла­гает­ся из­вест­ня­ком при 1150–1200 °С: $\ce$. Спек вы­ще­ла­чи­ва­ют во­дой в при­сут­ст­вии из­быт­ка из­вес­ти, при этом алю­ми­нат ли­тия $\ce$ раз­ла­га­ет­ся: $\ce$. По суль­фат­но­му ме­то­ду спо­ду­мен (и дру­гие алю­мо­си­ли­ка­ты) спе­ка­ют с $\ce$ (при 1050–1100 °С): $\ce$, суль­фат Л. рас­тво­ря­ют в во­де и из рас­тво­ра со­дой оса­ж­да­ют кар­бо­нат Л.: $\ce$. По сер­но­кис­лот­но­му спо­со­бу по­лу­ча­ют рас­твор суль­фа­та Л., за­тем кар­бо­нат; ре­ак­ция при­ме­ни­ма толь­ко для $β$-мо­ди­фи­ка­ции спо­ду­ме­на. При щё­лоч­но-со­ле­вом ме­то­де по­сле раз­ло­же­ния спо­ду­ме­на сме­сью $\ce$ и $\ce$ в рас­твор пе­ре­хо­дит $\ce$.

Ме­тал­лич. Л. по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­плав­лен­ной сме­си $\ce$ и $\ce$ при 400–460 °С с по­сле­дую­щей очи­ст­кой от при­ме­сей ($\ce$) ва­куум­ной дис­тил­ля­ци­ей, рек­ти­фи­ка­ци­ей или зон­ной плав­кой. Ме­тал­лич. Л. по­лу­ча­ют так­же ва­ку­ум-тер­мич. вос­ста­нов­ле­ни­ем алю­ми­на­та ли­тия (алю­ми­ни­ем при темп-ре 1150–1200 °С и дав­ле­нии 15–66 Па), $\ce$ (крем­ни­ем или алю­ми­ни­ем в при­сут­ст­вии $\ce$ при темп-ре 950–1000 °С и дав­ле­нии 0,1 Па), спо­думе­на (фер­ро­си­ли­ци­ем в при­сут­ст­вии $\ce$ при темп-ре 1050–1150 °С и дав­ле­нии 1,3–4,4 Па).

Объ­ём ми­ро­во­го про­из-ва Л. ок. 7·10 6 т/год.

Применение

Важ­ней­шая об­ласть при­ме­не­ния Л. – ядер­ная энер­ге­ти­ка. Изо­топ $\ce<^6Li>$ – един­ст­вен­ный пром. ис­точ­ник для про­из-ва три­тия (). Жид­кий Л. ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве те­п­ло­но­си­те­ля в ура­но­вых ре­ак­то­рах, рас­плав­лен­ный $\ce<^7LiF>$ – как рас­тво­ри­тель $\ce$ и $\ce$ в го­мо­ген­ных ре­ак­то­рах. Дей­те­рид $\ce<^6Li>$ – ос­но­ва тер­мо­ядер­но­го ору­жия. Л. при­ме­ня­ют в про­из-ве ано­дов для хи­мич. ис­точ­ни­ков то­ка на ос­но­ве не­вод­ных и твёр­дых элек­тро­ли­тов; как ком­по­нент спла­вов с $\ce$ и $\ce$, ан­ти­фрик­ци­он­ных спла­вов (баб­би­тов), спла­вов с $\ce$ для из­го­тов­ле­ния ка­то­дов в элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­рах; для рас­кис­ле­ния, де­га­за­ции, ра­фи­ни­ро­ва­ния $\ce$, мед­ных, цин­ко­вых и ни­ке­ле­вых спла­вов; как ка­та­ли­за­тор по­ли­ме­ри­за­ции (напр., изо­пре­на), аце­ти­ли­ро­ва­ния и др. Со­еди­не­ния Л. (напр., кар­бо­нат) при­ме­ня­ют­ся для ле­че­ния пси­хич. за­бо­ле­ва­ний.

Источник

Читайте также:  Жена на природе идеи