Сейчас вокруг вас повсюду щелочные металлы. Натрий содержится в поваренной соли, литий в аккумуляторе телефона и калий в бананах. Щелочные металлы составляют шесть различных элементов, находящихся в первом столбце периодической таблицы. Это:
- литий (Li),
- натрий (Na),
- калий (К),
- рубидий (Rb),
- цезий (Cs)
- франций (Fr)
Они являются частью S-блока элементов периодической таблицы, у которых, наряду с водородом, гелием, кальцием и другими, самый удаленный электрон находится на S-орбитали. Щелочные металлы - это мягкие металлы, которые очень активно реагируют с водой и кислородом. Они настолько мягкие, что их можно резать пластиковым ножом. Они также имеют серебристый блеск и являются отличными проводниками тепла и света.
Щелочные металлы называются так потому, что при взаимодействии с водой они образуют сильнощелочные вещества. Щелочность относится к pH вещества или способности нейтрализовать кислоту. Вещества с высокой щелочностью могут образовывать сильные основания, способные нейтрализовать кислоты и поддерживать стабильный уровень pH.
Каждый элемент имеет ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и щелочные металлы ничем не отличаются. Ядра атомов окружают электроны, представляющие собой частицы с отрицательным зарядом. Эти электроны существуют в энергетических оболочках вокруг ядер атомов, каждая из которых может содержать различное количество электронов. Первая оболочка может содержать до двух электронов, вторая - до восьми, третья - 18 и четвертая - 32. Именно эти электронные оболочки и то, как устроены щелочные металлы, делают их такими реактивными.
Все атомы, естественно, хотят иметь полностью заполненную внешнюю оболочку электронов. Однако все элементы в этом первом столбце периодической таблицы имеют один электрон на внешней оболочке. Эта внешняя оболочка также называется валентной оболочкой, а электроны, находящиеся там, называются валентными электронами.
Наличие только одного электрона на самой внешней оболочке позволяет атомам щелочных металлов очень легко достигать точек стабильности - им нужно всего лишь потерять один электрон! Эта готовность и легкость потери электрона для достижения состояния равновесия известна как высокая реактивность. На самом деле реактивность в химии определяется количеством электронов на самой внешней оболочке. Благородные газы (такие элементы, как неон и гелий) очень неактивны, потому что их внешние электронные оболочки заполнены.
" Поскольку щелочные металлы имеют только один валентный электрон, они обычно достигают этого состояния, отдавая этот электрон. В этом процессе говорят, что щелочной металл окисляется, и все, что забирает электрон у щелочного металла, уменьшенный. Все щелочные металлы любят отдавать свой единственный валентный электрон», - говорит доктор Чип Натаро, профессор химии в колледже Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания. «Поскольку электроны имеют заряд -1, потеря электрона приводит к тому, что атом приобретает заряд +1. Когда это происходит, атом называют ионом, а поскольку он будет иметь положительный заряд, его называют катионом. Итак, все щелочные металлы любят образовывать катионы с зарядом +1».
Поскольку щелочные металлы очень активны, они обычно встречаются в природе в сочетании с другими металлами.
Если элемент обладает высокой реакционной способностью, его труднее найти в природе.
«Все эти элементы были впервые обнаружены в соединениях, [и] некоторые из открытий трудно объяснить из-за обилия и использования соединений», - говорит Натаро. «По мере того, как вы спускаетесь по периодической таблице, щелочные металлы становятся более склонными терять свой валентный электрон», и, таким образом, «количество элемента, встречающегося в природе, также уменьшается, [что приводит к] более поздним датам открытия."
Когда были открыты щелочные металлы?
Литий был впервые обнаружен в 1817 году, когда Йохан Август Арфведсон, шведский химик, анализировал минеральную руду. Цезий и рубидий были открыты в 1860 и 1861 годах, соответственно, немецкими химиками Робертом Бунзеном (который дал свое имя горелке Бунзена) и Густавом Кирхгофом (который разработал законы Кирхгофа для электрического тока). Франций, наиболее реакционноспособный из известных нам щелочных металлов, был обнаружен в 1939 году французским ученым Маргаритой Перей в Институте Кюри в Париже.
Натрий и калий, два очень распространенных щелочных металла, имеют неизвестные даты открытия, они использовались так долго. Но в чистом виде они не были выделены до 1807 года (известным химиком Хамфри Дэви). Рубидий не был выделен до 1928 года, а также Бунзеном и Кирхгофом.
Одним из наиболее распространенных свойств щелочных металлов является их реактивность по отношению к воде и воздуху. Эти элементы будут танцевать, шипя из-за образования газообразного водорода, и часто взрываются. Они становятся более реактивными по мере продвижения вниз по периодической таблице, причем цезий и франций настолько реактивны, что могут загореться, просто находясь на воздухе. Элементы также увеличивают атомный радиус, уменьшают электроотрицательность и уменьшают точки плавления и кипения по мере продвижения вниз по периодической таблице.
Вы можете задаться вопросом, как щелочные металлы вообще были обнаружены в природе, если они так бурно реагируют на воздух и воду. Что ж, как оказалось, большинство щелочных металлов встречаются в природе в виде ионов из-за их сильного желания реагировать и терять этот один валентный электрон. В своей ионной форме металлы гораздо менее реакционноспособны.
Щелочные металлы в повседневной жизни
Щелочные металлы имеют интересную химическую двойственность, потому что они очень распространены в повседневной жизни, но также очень редко встречаются в необработанных элементарных формах.
Например, натрий не встречается в природе и должен быть получен из соединений. Натрий и калий являются важными элементами в повседневной жизни, а натрий помогает регулировать кровяное давление и перемещать электролиты по клеткам. Натрий также соединяется с другими соединениями, образуя поваренную соль и пищевую соду. Калий помогает регулировать кровяное давление и уровень глюкозы и содержится в удобрениях. Литий, как упоминалось ранее, используется в производстве аккумуляторов, а также является лекарством, стабилизирующим настроение.
Более реакционноспособные элементы, цезий, рубидий и франций, имеют меньше естественных применений. Цезий используется в атомных часах, сверлении и производстве оптического стекла среди других узкоспециализированных приложений. Рубидий используется в медицинской визуализации и вакуумных трубках. Франций, который встречается очень редко, не имеет большого коммерческого применения, но используется в исследованиях и для диагностики некоторых форм рака.
Наконец, все щелочные металлы также являются невероятно полезными учебными пособиями в области химии. Учителя любят демонстрировать принцип реактивности, бросая щелочной металл в воду только для того, чтобы класс с трепетом наблюдал, как он извергает огонь и взрывается.
Это радиоактивно!
Франций является самым редким из щелочных металлов и вторым по редкости элементом в земной коре (по оценкам, в земной коре содержится всего 340-550 граммов или около 1 фунта). Он также оказался очень радиоактивным и имеет максимальный срок службы всего 22 минуты. Франций никогда не бросали в воду, потому что он такой редкий и такой дорогой, но ученые ожидают, что он будет иметь самую сильную реакцию среди всех щелочных металлов.
Часто задаваемые вопросы
Что такое щелочные металлы?
Щелочные металлы - это группа элементов периодической таблицы со схожими свойствами: все они блестящие, серебристо-белые, высокореактивные металлы. Щелочные металлы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr).