Общая характеристика, нахождение и получение

Один электрон на внешнем уровне — и отсюда всё: и мягкость, и активность, и способ получения.

1. Общая характеристика элементов IA группы

К щелочным металлам относятся элементы главной подгруппы I группы Периодической системы:

Литий (Li)
Натрий (Na)
Калий (K)
Рубидий (Rb)
Цезий (Cs)
Франций (Fr) — радиоактивный элемент

Строение атома

Все эти элементы имеют сходное строение внешнего электронного уровня:

ns¹

На внешнем уровне находится всего один валентный s-электрон, который они легко отдают в химических реакциях, проявляя свойства сильных восстановителей.

Закономерности в группе (Li → Fr)

Физические свойства

Щелочные металлы — это мягкие вещества серебристо-белого цвета (на свежем срезе). Их можно резать ножом

. Обладают характерным металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью. Имеют низкие температуры плавления и низкую плотность (литий, натрий и калий легче воды).

Из-за высокой химической активности их хранят под слоем керосина или в запаянных ампулах (чтобы исключить контакт с кислородом и влагой воздуха).

Вопрос 1: Закономерности изменения свойств

Проверка

Расположите следующие щелочные металлы в порядке увеличения их восстановительной активности в водных растворах: Натрий, Литий, Калий. Какое исключение из общей тенденции здесь наблюдается?

Ответ: Натрий → Калий → Литий.

Пояснение: Обычно восстановительная способность в группе увеличивается сверху вниз (Na < K). Однако в водном растворе литий является сильнейшим восстановителем за счет аномально высокой энергии гидратации его маленького катиона $Li^+$.

Вопрос 2: Хранение щелочных металлов

Проверка

Почему металлический литий нельзя хранить под слоем керосина, как это делают с натрием и калием?

Ответ: Литий слишком легкий и всплывает на поверхность керосина.

Пояснение: Плотность лития составляет всего 0.534 г/см³, что значительно меньше плотности керосина (~0.8 г/см³). Он просто всплывет на поверхность и окислится на воздухе. Поэтому литий хранят в вазелине или парафине.

2. Нахождение в природе

Ввиду своей исключительной активности, в свободном виде щелочные металлы в природе не встречаются. Они существуют только в виде соединений (солей).

Название минерала	Формула / Химическое название
Каменная соль (Галит)	Формула: NaCl Химическое название: Хлорид натрия
Сильвин	Формула: KCl Химическое название: Хлорид калия
Сильвинит	Формула: NaCl · KCl Химическое название: Смешанный хлорид натрия-калия
Глауберова соль (Мирабилит)	Формула: Na₂SO₄ · 10H₂O Химическое название: Декагидрат сульфата натрия
Селитра чилийская	Формула: NaNO₃ Химическое название: Нитрат натрия

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Установите соответствие между названием минерала и его химической формулой:
1) Сильвин
2) Галит (каменная соль)
3) Чилийская селитра

А) $NaCl$
Б) $NaNO_3$
В) $KCl$

Ответ: 1 - В, 2 - А, 3 - Б.

Пояснение: Сильвин — это хлорид калия ($KCl$), галит — хлорид натрия ($NaCl$), а чилийская селитра — нитрат натрия ($NaNO_3$).

3. Способы получения

Основной промышленный метод получения щелочных металлов — электролиз расплавов их солей (чаще всего хлоридов).

Способ / Металл	Описание процесса и уравнения реакций
Электролиз расплава (Li, Na)	Электролитическое получение щелочных металлов осуществляют исключительно из расплавов солей (чаще всего хлоридов), так как в водных растворах из-за активности металлов на катоде будет восстанавливаться водород: 2NaCl_{(расплав)} → 2Na + Cl₂↑ Катод (-): Na⁺ + e^- → Na⁰ Анод (+): 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰ Примечание: Аналогично получают литий из расплава LiCl.
Термохимическое восстановление (K, Rb, Cs)	Более тяжелые металлы (K, Rb, Cs) технически сложно получать электролизом. Их получают металлотермически или вакуумтермически — вытесняют из расплавов хлоридов парами более активного натрия, либо восстанавливают кальцием или цирконием: KCl + Na t°⇄ NaCl + K↑ 2CsCl + Ca t°→ CaCl₂ + 2Cs↑

Способ / Металл

Описание процесса и уравнения реакций

Электролиз расплава
(Li, Na)

Электролитическое получение щелочных металлов осуществляют исключительно из расплавов солей (чаще всего хлоридов), так как в водных растворах из-за активности металлов на катоде будет восстанавливаться водород:

2NaCl_{(расплав)} → 2Na + Cl₂↑

Катод (-): Na⁺ + e^- → Na⁰
Анод (+): 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Примечание: Аналогично получают литий из расплава LiCl.

Термохимическое восстановление
(K, Rb, Cs)

Более тяжелые металлы (K, Rb, Cs) технически сложно получать электролизом. Их получают металлотермически или вакуумтермически — вытесняют из расплавов хлоридов парами более активного натрия, либо восстанавливают кальцием или цирконием:

KCl + Na t°⇄ NaCl + K↑
2CsCl + Ca t°→ CaCl₂ + 2Cs↑

Вопрос 1: Получение щелочных металлов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций получения щелочных металлов и расставьте коэффициенты:

$NaCl(расплав) \xrightarrow{эл. ток} \dots + \dots$
$KCl + Na \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
$CsCl + Ca \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

$2NaCl \xrightarrow{эл. ток} 2Na + Cl_2\uparrow$
$KCl + Na \xrightarrow{t^\circ} NaCl + K\uparrow$
$2CsCl + Ca \xrightarrow{t^\circ} CaCl_2 + 2Cs\uparrow$

Пояснение: Натрий и литий получают электролизом расплавов хлоридов. В водных растворах на катоде выделяется водород. Тяжелые щелочные металлы получают вытеснением из расплавов хлоридов парами более летучего и легкого натрия, либо кальцием.