Металлический натрий, с тех пор как его изготовление стало дешевым, находит широкое техническое применение. Его используют в качестве исходного продукта при производстве перекиси натрия (моющее средство), а также амида натрия и натрийцианамида. Его используют также в больших количествах в органических синтезах (например, в красильном производстве). В осветительной технике его применяют в натриевых газоразрядных лампах. В лабораториях натрий используют в качестве восстановителя. Для этого обычно вместо чистого металла употребляют мягко действующую амальгаму. Металлический калий также иногда употребляют в лаборатории. Кроме того,
калий и прежде всего цезий применяют в фотоэлементах. Помимо этого, рубидий и цезий в свободном состоянии мало применяются. Металлический литий, напротив, приобрел большое техническое значение. Его используют во все возрастающих количествах в сплавах, так как небольшие добавки этого металла существенно улучшают свойства многих сплавов. Преимущественно литий (и наряду с натрием и кальцием) применяют для свинцово-подшипниковых сплавов и при производстве склерона. Кроме того, он служит в качестве раскисляющего средства для меди и при рафинировании содержащего никеля.
Перекись натрия в больших количествах используется при производстве моющих средств. В лаборатории ее применяют как энергичный окислитель в водном растворе и в расплаве. Гидроксиды калия и натрия в технике и в лаборатории часто применяют в качестве сильных оснований.
Вследствие небольшой гигроскопичности оксида и гидроксида лития, их используют для приготовления фотографических проявителей в виде порошков.
Соли щелочных металлов натрия и калия также имеют широкое применение. Если требуется ввести в реакцию какой-либо кислотный остаток, то его применяют большей частью в виде соответствующей соли щелочного металла (натрия или калия). Такое предпочтение для реакций щелочных солей объясняется их легкой плавкостью и растворимостью, а также и тем, что они не вызывают нежелательных побочных реакций. Однако, для технических целей, могут использовать и другие соединения, если они являются дешевле. Некоторые соли лития, например салицилат, карбонат и цитрат принимают как лечебное средство от подагры. Минеральные воды, употребляемые для борьбы с этой болезнью, в качестве действующей составной части содержат соли лития.
Из-за высокой химической активно-сти щелочные металлы встречаются на Земле исключительно в виде соеди-нений, главным образом солей. Ли-тий является редким элементом. Он входит в состав некоторых алюмоси-ликатов(в частности, сподумена
Li 2 O .А l 2 О 3 . 4SiO 2), а также в форме хлорида Li С l присутствует в морской воде, подземных водах, водах соляных озёр. Рубидий и цезий встречаются в виде примесей к алюмосиликатам, содержащим калий.
Натрий и калий, напротив, входят в десятку элементов, наиболее распро-странённых в земной коре (в ней со-держится 2,3% натрия и 2,1% калия). Многие из их минералов, например Редкими называют эле-менты, содержание которых в земной коре не превыша-ет 0,01 %. К ним относят Li, Rb, Cs, Be, Sc, Y, La, лантаниды, Ga, In, Tl, Zr, Hf, Ge, V, Nb, Та, Mo, W, Re и платино-вые металлы.
галит (поваренная соль) NaCl, сильвин КС l , сильвинит КС1 . NaCl, знакомы людям с глубокой древности. Из мор-ской воды кристаллизуется также ми-рабилит (или глауберова соль) Na 2 SO 4 .10Н 2 О. Впервые это вещество было получено в 1648 г. немецким хи-миком Иоганном Рудольфом Глаубером (1604—1670).
Большинство солей щелочных ме-таллов хорошо растворимы в воде; ис-ключение составляют лишь соедине-ния лития, а также соли некоторых кислот, например хлорной КС l О 4 . Интересно, что многие соли лития выделяются из растворов в виде кри-сталлогидратов, тогда как для солей тяжёлых щелочных металлов (напри-мер, цезия или даже калия) кристал-логидраты оказываются неустойчивы-ми. Это связано с последовательным увеличением ионного радиуса катио-на при движении вниз по подгруппе. Чем больше радиус иона, тем ниже плотность заряда на его поверхности и тем сложнее иону удерживать моле-кулы воды. Вот почему соли калия ме-нее гигроскопичны, чем аналогич-ные соли натрия. По этой причине в
пиротехнике и при производстве по-роха предпочитают использовать ка-лийную селитру, а не натриевую: она меньше отсыревает.
Среди соединений натрия важная роль принадлежит карбонату, или соде. Безводный средний карбонат натрия Na 2 CO 3 называют кальциниро-ванной содой, десятиводный кристал-логидрат Na 2 CO 3 . 10H 2 O — стираль-ной содой, а гидрокарбонат NaHCO 3 — питьевой (или пищевой) содой.
Растворы среднего карбоната Na 2 CO 3 имеют сильнощелочную реак-цию среды, их используют при стир-ке белья и при обработке шерсти. Кроме того, кальцинированная сода находит широкое применение в про-изводстве стекла, мыла, сульфита натрия, органических красителей. Растворы гидрокарбоната имеют сла-бощелочную реакцию среды, поэтому питьевую соду используют в медици-не (например, для полоскания горла), а также при приготовлении пищи.
В организме человека содержится в среднем около 140 г калия и около 100 г натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потреб-ность в ионах Na + настолько велика, что их необходимо специально добав-лять в пищу (в виде поваренной соли). Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и потом) неблагоприятно сказывает-ся на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют людям есть больше солёного. Однако и избыточное содержание их в пище вызывает негативную реакцию орга-низма, например повышение артери-ального давления.
Действительно, все щелочные металлы энергично, во многих случаях со взрывом, реагируют с водой и растворами кислот. Со щелочными растворами, в которых концентрация протонов мала, реакции идут более спокойно. Натрий, брошенный на поверхность воды, немедленно плавится за счет теплоты реакции, а иногда поджигает выделяющийся водород:
Na (кр) + H2O (ж) = NaOH (p-p) + 1/2H2
Калий всегда реагирует с водой со вспышкой или со взрывом.
Соли щелочных металлов
Во всех своих соединениях щелочные металлы существуют в виде однозарядных катионов. Это относиться как к бинарным соединениям – галогенидам, халькогенидам, нитридам, карбидам, так и к солям со сложными многоатомными анионами.
Электростатические взаимодействия в ионных кристаллических решетках, содержащих однозарядные катионы, не очень велики, и энергии гидратации ионов оказываются вполне соизмеримы с ними. Поэтому, за редкими исключениями, соли щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Хуже других растворимы фториды, карбонат и фосфат лития и перхлораты калия, рубидия и цезия.
При сильном нагревании солей, особенно при внесении их в пламя горящего водорода или бытового газа, происходит ряд процессов приводящих к появлению характерной окраски пламени.
Соли щелочных металлов находят самое широкое применение как в лабораторной практике, так и в различных областях промышленности и медицины.
Особенно широко используются карбонат и гидрокарбонат натрия, известные под общим названием сода. В технике и в быту различают кристаллическую соду Na2CO3×10H2O, кальцинированную соду – безводный карбонат Na2CO3 и питьевую соду – NaHCO3. Кроме того, следует упомянуть, что термин каустическая сода или каустик используется в технике для обозначения NaOH.
Основные потребители соды – стекольное, мыловаренное, бумажное, текстильное производство. Сода служит исходным продуктом для получения других солей натрия. Питьевая сода широко применяется в медицине. В лабораторной практике сода используется для нейтрализации кислот при несчастных случаях.
Приложение I
Таблица 1-1. Физико-химические свойства щелочных металлов
|
Величина | |||||
|
Энергия ионизации атомов I1, Эв (кДж/моль) | |||||
|
Сродство атомов к электрону, Эв (кДж/моль) | |||||
|
Электроотрицательность | |||||
|
Орбитальный радиус атома, нм | |||||
|
Энтальпия атомизации, кДж/моль | |||||
|
Температура плавления, °C | |||||
|
Температура кипения, °C |
Таблица 1-2. Основные сведения о щелочных металлах
|
Величина |
3 Li |
11 Na |
19 Ka |
37 Rb |
55 Cs |
87 Fr |
|
Атомный вес | ||||||
|
Валентные электроны | ||||||
|
Металлический радиус | ||||||
|
Радиус иона Э+, А | ||||||
|
Энергия ионизации, Эв | ||||||
|
коре, ат. % | ||||||
|
Природные изотопы |
Таблица 1-3. Основные физические константы щелочных металлов
|
Величина | |||||
|
Плотность, г/см3 | |||||
|
Твердость (алмаз 10) | |||||
|
S°298, дж/г-ат×град | |||||
|
Теплоемкость (H2O 1) | |||||
|
Теплопроводность | |||||
|
DH°возг.298,кДж/г-ат | |||||
|
Т. кип., °C |