Естествознание

Активные металлы

 
 
01 Активными мы будем называть такие металлы, которые с легкостью вступают в разнообразные химические реакции даже при мягких условиях, например при комнатной температуре и атмосферном давлении. К ним прежде всего относятся:
  • щелочные металлы (элементы подгруппы Ia, кроме водорода),
  • щелочно-земельные металлы (Ca, Sr, Ba, Ra — элементы подгруппы IIa),
  • алюминий — элемент подгруппы IIIa.

Щелочные и щелочно-земельные металлы получили свое название благодаря тому, что их гидроксиды растворяются в воде, то есть являются щелочами.

02

Электронное строение активных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного, двух или трех электронов, относительно слабо связанных с ядром. В результате химических реакций металлы легко отдают эти электроны, проявляя свои постоянные степени окисления и валентности:

 
Конфигурация щелочных металлов Конфигурация щелочно-земельных металлов Конфигурация алюминия
щелочные металлы
степень окисления +1
валентность I
щелочно-земельные металлы
степень окисления +2
валентность II
алюминий
степень окисления +3
валентность III
   
03

Благодаря своей активности щелочные и щелочно-земельные металлы, равно как и алюминий, встречаются в природе не в чистом виде, а в составе многочисленных химических соединений — минералов. Минералы представляют собой кристаллические вещества, как правило оксиды или соли. У многих из них в кристаллической решетке содержатся молекулы воды: такие соединения называются кристаллогидратами. Например в глаубе́ровой соли на один фрагмент сульфата натрия приходится десять молекул воды; он имеет формулу Na2SO4·10H2O и название декагидрат сульфата натрия (по-гречески дека — десять).

04 Наиболее распространенные природные соединения щелочных металлов представлены следующими минералами:
  • NaCl — поваренная соль, или галит (рис. 1),
  • Na2CO3·10H2O — натрит, или сода (именно от слова сода произошло англоязычное название натрия — Sodium),
  • NaHCO3 — питьевая сода, или накхолит,
  • Na2SO4·10H2O — глауберова соль, или мирабилит,
  • KCl — сильвин,
  • твердый раствор KCl и NaCl в мольном отношении 1:1 — сильвинит; его формулу можно записать как KCl·NaCl,
  • K2CO3поташ (отсюда происходит англоязычное название калия — Potassium) и др.

05
Самородный кристалл галита
Рис. 1
Самородный кристалл галита (NaCl)
Original by Rob Lavinsky, iRocks.com
   
06 Щелочно-земельные металлы также встречаются в составе многочисленных минералов, среди которых:
  • CaCO3кальцит, основной компонент мела и мрамора (рис. 2),
  • CaSO4·2H2O — гипс,
  • CaF2флюорит,
  • BaSO4барит.

   
 
Рис. 2
Различные модификации кальцита (CaCO3)
Original by Rob Lavinsky, iRocks.com
07
Кальцит Кальцит
 
 
   
08

Основные запасы алюминия сконцентрированы в глинозёмах и полевых шпатах — соединениях кремния, кислорода, алюминия и других металлов, — а также в некоторых минералах: корунде (Al2O3), бокситах (Al2O3·H2O) и др. Алюминий — самый распространенный металл в земной коре.

   

Получение активных металлов

09 Основной метод получения активных металлов — электролиз расплавов их солей:

2NaCl 2Na + Cl2
CaF2 Ca + F2

Промышленное производство алюминия основано на электролизе глинозёмов в расплаве криолита (Na3AlF6).

   

Химические свойства активных металлов

10 Все активные металлы, кроме лития, легко взаимодействуют с кислородом даже при комнатной температуре. Щелочные металлы самовозгораются в воздухе; натрий образует пероксид натрия:

2Na + O2 → Na2O2

а калий, рубидий и цезий — надпероксиды, или супероксиды:

K + O2 → KO2.

11 При нагревании смеси пероксидов и супероксидов с чистыми металлами образуются оксиды:

Na2O2 + 2Na → 2Na2O
RbO2 + 3Rb → 2Rb2O

12 Литий реагирует с кислородом только при нагревании, превращаясь в оксид:

4Li + O2 → 2Li2O

Щелочно-земельные металлы и алюминий также образуют оксиды; при комнатной температуре их поверхность покрывается оксидной пленкой, при нагревании происходит интенсивное самовозгорание:

2Ca + O2 → 2CaO
4Al + 3O2 → 2Al2O3

Так, посуда, провода, детали машин и механизмов и прочие изделия из алюминия покрыты тонкой пленкой Al2O3. Эта пленка не пропускает ни воздух, ни влагу, предотвращая тем самым дальнейшее окисление металла, иначе срок службы алюминиевых изделий не превышал бы нескольких минут. Однако, если потравить (т. е. обработать химически агрессивной средой) поверхность такого изделия, то несколько мгновений можно будет наблюдать характерный блеск чистого алюминия (рис. 3).

 
Рис. 3
Поверхность алюминиевого бруска после травления
Original by Alchemist-hp
13 Алюминиевый брусок
 
 
   
   
14 Активные металлы вступают в реакции с простыми веществами, образуя гидриды, галогениды, сульфиды и другие бинарные соединения:

2Li + H2 → 2LiH
Ca + Br2 → CaBr2
2Al + 3S → Al2S3

Исключением является реакция алюминия с водородом, которая не идет даже при нагревании.

15 Щелочные и щелочно-земельные металлы реагируют с водой с образованием щелочей и водорода. Реакция с участием лития протекает достаточно медленно, с остальными металлами — бурно: выделяющийся водород нередко самовоспламеняется, а сами металлы расплавляются и превращаются в раскаленные шарики.

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2

 
Видеоролик поочередно демонстрирует взаимодействие лития, натрия, калия, рубидия и цезия с водой. Можно заметить, что в этом ряду активность металлов возрастает
На английском языке
16
 
 
   
   
17 Чистый алюминий тоже активно реагирует с водой, однако оксидная пленка, покрывающая его поверхность, надежно защищает алюминиевые изделия от влаги. Реакция возможна только при искусственном удалении пленки (например, обработкой горячим раствором щелочи):

2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2

18 Активные металлы вступают в реакцию с большинством кислот:

2Al + 6HNO2 → 2Al(NO2)3 + 3H2
Ca + 2HCl → CaCl2 + H2

Однако, следует иметь в виду, что если щелочной или щелочно-земельный металл попадет в разбавленный раствор кислоты, то начинают протекать две конкурирующие реакции — с кислотой и водой:

2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
2K + 2H2O → 2KOH + H2

Образующаяся в результате второй реакции щелочь впоследствии также вступает во взаимодействие с кислотой; в итоге все равно образуется нейтральное соединение — соль:

KOH + HMnO4 → KMnO4 + H2O

19 Аналогично протекает взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с растворами солей, однако в этом случае реакция с водой является преобладающей: сначала образуется щелочь, затем идет обменная реакция. Например, в случае взаимодействия натрия с раствором хлорида меди (II) будут протекать два процесса:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl

20 Алюминий способен вытеснять менее активные металлы из растворов солей в одну стадию:

2Al + 3CuCl2 → 2AlCl3 + 3Cu

21 Еще одна группа реакций активных металлов основана на их хорошей восстанавливающей способности. Так, алюминий используется в металлургии для восстановления из руд хрома и железа (рис. 4), а натрий и кальций — для восстановления редких металлов (урана, циркония, иттрия и др.):

2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr
ZrF4 + 2Ca → 2CaF2 + Zr

Такие металлургические процессы, сопровождающиеся обычно выделением большого количества тепла, объединяют под общим названием металлотермия.

 
Рис. 4
Воспламенение термитной смеси (смеси порошков алюминия и оксида железа)
Original by Schuyler S.
22 Воспламенение термитной смеси
 
 
   
   

Применение активных металлов и их соединений

23

Упомянутая выше металлотермия — основная область применения всех активных металлов, которые являются отличными восстановителями.

24

Щелочные металлы имеют высокую теплопроводность, но в то же время достаточно низкую температуру плавления (натрий — +98 °С, калий — +64 °С). Эти свойства обуславливают применение щелочных металлов и их сплавов в качестве эффективных теплоносителей, например в атомных реакторах.

25

Небольшие добавки щелочных и щелочно-земельных металлов в сплавы алюминия, меди, свинца придают им пластичность и стойкость к коррозии.

26

Газоразрядные лампы, заполненные пара́ми натрия, дают яркий желто-оранжевый свет и широко применяются в уличном освещении (рис. 5).

 
Рис. 5
Характерный свет фонарей с натриевыми газоразрядными лампами. Сеул, Республика Корея
Original by d'n'c on flickr.com
27 Свет фонарей с натриевыми газоразрядными лампами
 
 
   
   
28

Среди соединений щелочных и щелочно-земельных металлов наибольшее применение находят непосредственно щелочи, а также оксиды, фториды, хлориды, карбонаты и некоторые другие. Гидроксиды лития, натрия и калия используются для приготовления электролитов щелочных батарей, а оксид лития — один из основных компонентов литий-ионных аккумуляторов, которыми снабжаются большинство современных сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и других мобильных устройств.

29

Фториды кальция и бария применяются в изготовлении оптических приборов — объективов, линз и призм.

30

Неорганические соединения калия и кальция (K2CO3, KNO3, Ca(OH)2 и др.) широко используются в качестве минеральных удобрений.

31

Алюминий и его сплавы — легкие, прочные и коррозионно-устойчивые, — применяются для изготовления корпусов всевозможных механизмов (рис. 6), деталей электронных устройств, проводов, посуды и пр.

 
Рис. 6
Сплавы алюминия — основной материал для изготовления корпусов воздушных судов
Original by Caribb on flickr.com
32
 
 
   
   
33

Непосредственно алюминий и некоторые его соединения, в том числе органические, используются в качестве высокоэффективного ракетного топлива.

   
   
34 Ваша очередь!
  1. К раствору, содержащему 6,8 г хлорида алюминия, прилили раствор, содержащий 5,0 г гидроксида калия. Определите массу образовавшегося осадка.

2. Закончите уравнения реакций:
Al + CuO → ...
Na + ZnCl2 → ...
Ca + S → ...
Li + H2O → ...
Al + H2SO3→ ...
CsO2 + Cs → ...
4Al + 6CuO → 6Cu + 2Al2O3
2Na + ZnCl2 → Zn + 2NaCl
Ca + S → CaS
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2
2Al + 3H2SO3→ Al2(SO3)3 + 3H2
CsO2 + 3Cs → 2Cs2O

3. Смесь алюминия с медью массой 11,8 г вступила во взаимодействие с соляной кислотой; при этом выделилось 6,72 л водорода. Чему равна массовая доля меди в такой смеси?

4. Осуществите цепочку превращений:   
NaBr → Na → Na2O2 → Na2O → NaOH → NaBr.
   
  ***
 
 
 
«Активные металлы», май 2010 Т. С. Конькова, Д. В. Широков
© 2009–2011 «Естествознание»
При перепечатке материалов ссылка на ресурс обязательна
Пишите нам: mail@nscience.ru
О проекте