Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

Тема 2. Металічні елементи ІА-ІІІА груп

§ 67. Загальна характеристика хімічних елементів ІА групи

Будова атомів та властивості елементів

Лужні елементи — елементи ІА групи (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr), вони є першими елементами кожного періоду. На зовнішньому енергетичному рівні їхніх атомів міститься по одному електрону.

У лужних елементів найменша електронегативність серед усіх елементів періоду, в якому вони розташовані. Втрачаючи електрон, атоми лужних елементів набувають стійкої електронної конфігурації атомів найближчого інертного елемента (Li⁺ → Не; Na⁺ → Ne тощо). Лужні елементи є найтиповішими представниками металічних елементів: у лужних елементів металічні властивості виявлені дуже сильно.

Однакова будова не лише зовнішнього, але й передостаннього енергетичного рівня атомів усіх лужних елементів (крім Літію) зумовлює подібність властивостей цих елементів. Збільшення кількості енергетичних рівнів (збільшення радіуса) зумовлює легшу втрату валентних електронів, тобто посилення металічних властивостей.

Мал. 67.1. Забарвлення полум'я солями: а — Натрію; б — Калію

Йони лужних елементів легко переходять у збуджений стан за нагрівання. Під час зворотного процесу вони випромінюють характерне світло, тому сполуки лужних елементів забарвлюють полум’я в характерний колір: сполуки Натрію — у жовтий, Калію — у фіолетовий (мал. 67.1, с. 172).

Таблиця 13. Загальна характеристика лужних елементів

Характеристика	Літій Li	Натрій Na	Калій К	Рубідій Rb	Цезій Cs
Радіус атома, нм	0,155	0,190	0,235	0,248	0,267
Відносна електронегативність	0,98	0,93	0,82	0,82	0,79
Характерні ступені окиснення	0, +1
Уміст у земній корі, мас %	6,5 • 10-3	2,64	2,4	7,8 • 10-3	3,7·• 10-4

Поширеність у природі

У вигляді простих речовин лужні елементи в природі не трапляються, оскільки вони хімічно дуже активні. Зі сполук лужних елементів поширені лише сполуки Натрію й Калію. У земній корі вміст Натрію становить 2,64 %, Калію — 2,4 % (відповідно, четверте і п’яте місця серед металічних елементів). Усіх інших лужних елементів разом у земній корі близько 0,01 %.

Найважливішими природними сполуками Натрію й Калію є кухонна сіль, або галіт NaCl (мал. 67.2а), мірабіліт Na₂SO₄ • 10Н₂О (мал. 67.2б), сильвініт NaCl • KCl, сильвін КСl, карналіт KCl • MgCl₂ • 6H₂O, каїніт KCl • MgSO₄ • 3H₂O. Багато Калію (у складі поташу К₂СО₃) міститься в золі, утвореній під час згоряння соломи або деревини. Значні кількості йонів Натрію і Калію у розчиненому вигляді є в морській воді: Na⁺ — 1,07 % (найпоширеніший металічний елемент у морській воді), К⁺ — 0,038 %.

Мал. 67.2. Природні мінерали Натрію: а — галіт; б — мірабіліт

Літій утворює мінерал сподумен LiAl(Si₂O₆), але зазвичай він міститься як домішка в деяких інших мінералах. Уміст Рубідію в земній корі значно менший, за поширеністю він посідає приблизно 20-те місце. Цезію в земній корі ще в 10 разів менше за рубідій. Рубідій та Цезій не утворюють власних мінералів. Вони трапляються лише як домішки до мінералів Калію. Найбільший уміст Рубідію у воді одеських лиманів (670 мкг/л) та Каспійського моря (5700 мкг/л).

Францій утворюється в ядерних перетвореннях у мізерних кількостях, тому на Землі його майже немає.

Застосування сполук лужних елементів

• Натрій гідроксид використовують для очищення продуктів переробки нафти, у миловарній, паперовій, текстильній та інших галузях промисловості, а також під час виробництва штучного волокна й біодизелю. Натрій гідроксид є ефективним засобом для прочищення каналізаційних труб.

• Калій — важливий біогенний елемент, тому його сполуки у великих кількостях застосовують як мінеральні добрива.

• Калій гідроксид використовують для виготовлення лужних акумуляторів.

• Калій у складі подвійної солі з Натрієм є компонентом сегнетової солі (калій натрій тартрат тетрагідрат KNaC₄H₄O₆ • 4H₂O), із якої виготовляють п’єзоелектрики.

• Із калій дигідрогенортофосфату виготовляють монокристали для лазерної техніки.

• Калій пероксид та калій надпероксид використовують для регенерації повітря на підводних човнах та в ізолюючих протигазах. Під час проходження повітря крізь патрони, наповнені цими речовинами, вуглекислий газ поглинається, а повітря збагачується киснем.

• Калій карбонат (поташ) К₂СО₃ використовують у виробництві скла й рідкого мила.

• Великі кількості Літію йдуть на виробництво хімічних джерел струму: літій-іонних, літій-полімерних акумуляторів тощо.

• Із монокристалів літій флуориду виготовляють оптичні деталі для високоефективних лазерів.

• Літій нітрат є складовою піротехнічних сумішей. Скло з літій алюмінату і літій силікату має високу твердість і міцність, його застосовують у військовій техніці та ядерній енергетиці. Солі Літію виявляють психотропну дію, їх використовують у медицині для лікування деяких психічних захворювань. Літій пероксид Li₂O₂ та літій надпероксид LiO₂ разом із такими сполуками інших лужних елементів використовують на підводних човнах та космічних апаратах для регенерації кисню в повітрі.

• Сполуки та прості речовини Рубідію і Цезію застосовують у сучасних технологіях: як каталізатори під час переробки нафти, в електроніці, спеціальній оптиці, атомній промисловості та медицині. У складі деяких сплавів їх використовують як вакуумне мастило в космічній та ракетній техніці. Газуватий рубідій використовують у надточних атомних годинниках.

Францію практично немає на Землі, він є проміжним продуктом радіоактивного розпаду Урану й Торію. За певними оцінками, в усій земній корі міститься лише 340 г атомів Францію. Він корисний для виявлення ракових пухлин, але через високу вартість одержання його не використовують.

Біологічне значення Натрію і Калію

Натрій і Калій є важливими біогенними елементами: їхні сполуки необхідні для існування і функціонування живих організмів. Йони Натрію містяться переважно в міжклітинній рідині (майже в 15 разів більше, ніж у цитоплазмі клітин), а йони Калію — усередині клітин (майже в 40 разів більше, ніж у міжклітинній рідині). Ця різниця забезпечує функціонування натрій-калієвого насосу, завдяки якому відбувається активний транспорт необхідних речовин усередину клітин (мал. 67.3).

Мал. 67.3. Натрій-калієвий насос забезпечує активний транспорт речовин крізь мембрану клітин

Йони Натрію і Калію створюють умови для фізіологічних процесів скорочення м’язів, підтримання кислотно-лужного балансу, нормалізації водного балансу в організмі, активації багатьох ферментів. Доросла людина має вживати на добу близько 3 г йонів Натрію і 6 г йонів Калію. Зверніть увагу, що ця кількість визначена з урахуванням усіх джерел йонів у раціоні.

Основним джерелом для поповнення запасів Натрію в організмі є звичайна кухонна сіль. Але надмірне вживання кухонної солі може призвести до надлишку Натрію в організмі. Це спричиняє набряки ніг та обличчя, підвищення артеріального тиску, надмірне виділення Калію із сечею.

Якщо нестача Натрію трапляється рідко, то зменшення кількості Калію в організмі може статися внаслідок утрати значної кількості рідини (зазвичай у разі частих проносів або блювоти). Нестача Калію спричиняє порушення роботи серця та м’язів, невралгію.

Джерелом Калію є сушені абрикоси, шпинат, дині, боби, картопля, печінка, ківі, авокадо, банани, молоко, цитрусові, риба тощо.

За нестачі Калію в ґрунті порушується життєдіяльність рослин: пригнічується фотосинтез, відбувається пожовтіння й відмирання листків. Тому Калій у значних кількостях використовують для підживлення рослин. Сполуки Калію, зокрема калій нітрат, є важливими мінеральними добривами. На їх виготовлення йде майже 90 % солей Калію, що добувають у світі.

Біологічна роль Рубідію і Цезію ще досконально не досліджена, хоча вони містяться в живих організмах у помітних кількостях. Відомо, що їхні солі впливають на діяльність серцево-судинної системи, завдяки чому їх застосовують для лікування певних захворювань.

Ключова ідея

Калій та Натрій — важливі біогенні елементи, їхні сполуки дуже важливі для сучасної науки і техніки.

Запитання та завдання

398. Які характерні особливості електронної оболонки лужних елементів? Схарактеризуйте електронну будову Натрію і Калію.

399. Як змінюються металічні властивості лужних елементів зі збільшенням порядкового номера елемента? Проілюструйте свою відповідь прикладами.

400. Складіть порівняльну характеристику Натрію і Калію за зразком, описаним у § 5.

401. У вигляді яких речовин трапляються Натрій і Калій у природі? Схарактеризуйте поширеність лужних елементів у природі та застосування їхніх сполук.

402. Схарактеризуйте біологічне значення Натрію і Калію.