Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 68. Натрій і Калій: прості речовини, оксиди й гідроксиди

Фізичні властивості лужних металів

У лужних металах атоми в кристалічних ґратках упаковані не щільно (атоми займають лише 68 % наявного об’єму), тому всі лужні метали — легкі та м’які. Літій майже у два рази легший за воду (мал. 60.6, с. 156). Лужні метали — сріблясто-білі речовини з металічним блиском на свіжому зрізі, а цезій — сріблясто-жовтий, дещо світліший за золото (мал. 68.1). На повітрі зріз лужних металів швидко тьмяніє внаслідок утворення оксидної плівки.

Мал. 68.1. Зразки лужних металів: а — калій; б — цезій

Лужні метали характеризуються незначною твердістю, малою густиною, низькими температурами кипіння й плавлення. У літію найменша густина серед лужних металів і найбільші температури плавлення й кипіння. Найменша температура плавлення серед лужних металів у Цезію. За кімнатної температури він перебуває у напіврідкому стані.

Через надзвичайну хімічну активність лужні метали зберігають під шаром гасу або інших рідких вуглеводнів.

Натрій і калій:

• сріблясто-білі метали з металічним блиском на свіжому зрізі;

• на повітрі зріз швидко тьмяніє внаслідок утворення оксидної плівки;

• м’які, ріжуться ножем;

• у натрію: t_пл. = 97 °С, t_кип. = 883 °С, густина 0,971 г/см³;

• у калію: t_пл. = 64°С, t_кип. = 774 °С, густина 0,856 г/см³.

Хімічні властивості натрію і калію

Лужні метали належать до найбільш хімічно активних речовин, вони виявляють лише відновні властивості.

• Взаємодія з киснем. Під час контакту з повітрям лужні метали окиснюються. Усі лужні метали горять у повітрі й утворюють оксиди складу Ме₂О, пероксиди складу Ме₂О₂ і надпероксиди МеО₂ (або їх суміш):

2Na + О₂ = Na₂O₂

К + О₂ = КО₂

• Взаємодія з воднем. Усі лужні метали взаємодіють з воднем за нагрівання.

У цій реакції водень є окисником:

• Взаємодія з іншими неметалами. Лужні метали активно взаємодіють із неметалами. У реакції з галогенами, сіркою, азотом, фосфором і силіцієм утворюються, відповідно, галогеніди, сульфіди, нітриди, фосфіди та силіциди:

2Na + Сl₂ = 2NaCl

2К + S = K₂S

• Взаємодія з водою. Лужні метали активно взаємодіють із водою з утворенням водню і відповідних гідроксидів. При цьому літій і натрій реагують помірно активно, а калій та інші лужні метали за такої взаємодії зазвичай вибухають:

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Η₂↑

• Відношення до кислот. Із концентрованими кислотами всі лужні метали реагують із вибухом, тому такі реакції є небезпечними. Під час взаємодії з розбавленими кислотами лужні метали насамперед реагують із водою в розчині кислоти, після чого утворений луг нейтралізується наявною в розчині кислотою. Із цієї ж причини лужні метали не витісняють менш активні метали з розчинів солей.

Застосування натрію і калію

• Рідкий натрій використовують як рідкометалічний теплоносій у першому контурі охолодження ядерних реакторів.

• У металургії натрій застосовують для відновлення деяких тугоплавких металів. Натрієм відновлюють калій гідроксид КОН для добування калію.

• Сплав натрію (12 %), калію (47 %) та цезію (41 %) має рекордно низьку для металів температуру плавлення -78 °С. Через це його використовують як робоче тіло йонних двигунів для космічних кораблів.

• Натрій застосовують для виготовлення газорозрядних ламп. Такі лампи випромінюють яскраво-жовте світло і мають тривалий термін експлуатації.

Оксиди та гідроксиди Натрію і Калію

Оксиди Натрію і Калію — безбарвні йонні сполуки з високими температурами плавлення. Вони дуже активно взаємодіють із водою і навіть поглинають воду з повітря з утворенням лугів:

Na₂O + Н₂О = 2NaOH

К₂О + Н₂О = 2КОН

Гідроксиди Натрію й Калію — безбарвні йонні речовини з високими температурами плавлення, добре розчинні у воді. Вони є сильними основами (лугами), у розчині повністю дисоціюють на йони і виявляють усі загальні властивості основ: взаємодіють з кислотами і кислотними оксидами, розчинними солями, а також з амфотерними оксидами і гідроксидами.

Тверді оксиди й гідроксиди Натрію і Калію, а також розчини гідроксидів Натрію і Калію активно поглинають вуглекислий газ із повітря з утворенням карбонатів. Також вони взаємодіють із силіцій(ІV) оксидом, що наявний у склі, тому зберігати їх необхідно в щільно закоркованих пластикових посудинах.

Добування лужних металів

Лужні метали настільки активні, що добути їх відновленням звичайними відновниками (вуглецем, воднем тощо) неможливо. Лужні метали зазвичай добувають електролізом розплавів їхніх галогенідів, найчастіше — хлоридів. Натрій у промисловості добувають електролізом розплаву натрій хлориду з інертними (графітовими) електродами:

Ключова ідея

Лужні метали — найактивніші серед відомих металів, що суттєво ускладнює роботу (поводження) з ними.

Запитання та завдання

403. Схарактеризуйте фізичні та хімічні властивості натрію і калію.

404. Складіть рівняння реакцій натрій (калій) гідроксиду: а) з кислотами і кислотними оксидами; б) розчинними солями; в) амфотерними оксидами й гідроксидами.

405. Як ви вважаєте, чому зі збільшенням порядкового номера лужних елементів збільшується густина утворених ними простих речовин?

406. Уявіть, що у вас є однакові за формою й розміром шматочки натрію і заліза. Як відрізнити ці метали один від одного за їхніми фізичними властивостями?

407. Складіть рівняння реакцій, що відповідають перетворенням: NaOH → Na₂CO₃ → NaHCO₃ → СО₂ → МgСО₃.