Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

8.2. Елементи головної підгрупи І групи¹

Р₂О₅ + 3СаО = Са₃(РО₄)₂

¹ За новою номенклатурою — I групи.

8.2.1. Загальна характеристика

Лужні металічні елементи — це s-елементи, які розміщуються у головній підгрупі І групи періодичної таблиці: Літій (Li), Натрій (Na), Калій (К), Рубідій (Rb), Цезій (Cs) та Францій (Fr).

Загальна електронна формула — ns¹. На зовнішньому енергетичному рівні їхніх атомів розміщується один валентний електрон. Атоми лужних металічних елементів мають низькі потенціали іонізації, які зменшуються по групі зверху донизу. Легко утворюють йон Ме⁺:

Ме⁰ - 1e^- → Ме⁺

У сполуках виявляють валентність І, ступінь окиснення — +1. Лужні метали в реакціях виявляють лише відновні властивості (здатність віддавати електрони із зовнішнього електронного шару). У ряду від Літію до Францію зростає атомний радіус, відповідно зростають металічні та відновні властивості, хімічна активність.

Прості речовини, утворені елементами родини лужних металічних елементів, називають лужними металами. Лужні метали мають сріблясто-білий колір², вони доволі пластичні, м’які, легко ріжуться ножем, мають хорошу електро- і теплопровідність, легкоплавкі. Температури плавлення зменшуються в ряду від Літію до Цезію.

² Натрій на зрізі має сріблясто-бузковий, а цезій — золотистий колір.

Мають велику реакційну здатність, утворюють сполуки з йонним типу зв’язку. Це найактивніші у хімічному відношенні метали. Лужні металічні елементи утворюють основні оксиди складу Ме₂О та основи МеОН. Усі оксиди реагують з водою. Розчинність у воді та сила лугів зростає від Літію до Францію. Через легкість окиснення на повітрі лужні метали зберігають під шаром гасу (або інших інертних речовин, щоб виключити контакт металу з водою та киснем повітря). Солі лужних металічних елементів, потрапляючи в полум’я пальника, можуть змінювати його забарвлення.

8.2.2. Натрій і Калій

Натрій — 11-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +11. Хімічний символ — Na. Природний Натрій складається з одного стабільного ізотопу — ²³Na; відомо також 6 радіоактивних ізотопів. Калій — 19-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +19. Хімічний символ — К. У природі є два стабільні ізотопи — ³⁹К (93,3 %) і ⁴¹К (6,7 %)— і один радіоактивний — ⁴⁰К (0,012 %), який вважають одним з основних джерел геотермальної енергії, що виділяється у надрах Землі. У мінералах, які містять Калій, ⁴⁰К поступово перетворюється на ⁴⁰Аr, що дає змогу вимірювати вік гірських порід (калій-аргоновий метод).

Електронні формули атомів і йонів: ₁₁Na 1s¹2s²2p⁶3s¹ - 1е^- → ₁₁Na⁺ 1s¹2s²2p⁶

₁₉К 1s¹2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ - 1e^- → ₁₉K⁺ 1s¹2s²2p⁶3s²3p⁶

Поширеність Натрію і Калію в природі

Натрій і Калій — доволі поширені в природі елементи (кларки¹ Натрію і Калію у земній корі становлять відповідно 25 і 24 кг/т), але внаслідок високої хімічної активності трапляються лише у вигляді сполук². Входять до складу солей морської води, мінералів та гірських порід.

¹ Кларкове число (або кларк) елемента — число, яке виражає середній склад хімічних елементів у земній корі, гідросфері, космічних тілах тощо стосовно загальної маси системи. Розрізняють масові (виражають у процентах, г/кг, кг/т) та атомні (у процентах від кількості атомів у системі) кларки.

² У верхніх шарах атмосфери (близько 80 км) виявлено шар атомарного Натрію.

Натрій хлорид NaCl — основний компонент (77,8 %) морської солі^3: Світовий океан містить 4 · 10¹⁵ т NaCl. З кожної тонни морської води можна отримати близько 1,3 кг NaCl. Натрій хлорид трапляється у вигляді мінералу галіту (становить 90 % кам’яної солі), який утворює кірки на стінках кратерів вулканів, а також потужні поклади в землі, товщина яких може сягати 100 м. Природними сполуками Натрію є також чилійська селітра NaNO₃, мірабіліт (мінерал глауберової солі Na₂SO₄ · 10Н₂О, один з найлегших природних мінералів, густина — 1,49 г/см³), бура Na₂B₄O₇ · 10Н₂О, польові шпати, нефелін і деякі інші силікати.

³ Морська сіль дещо відрізняється за смаком від кам’яної: гіркуватий присмак їй надають солі Магнію, концентрація яких трохи більша 15 %.

На частку солей Калію (КСl, K₂SO₄) припадає близько 5 % маси морської солі (або 380 мг йонів Калію на літр морської води). Калій міститься у складі декількох сотень мінералів: ортоклазу К₂О · Аl₂О₃ · 6SiO₂ (майже 18% маси земної кори)⁴, сильвіну КСl, сильвініту КСl · NaCl, карналіту КСl · MgCl₂ · 6Н₂О, каїніту КСl · MgSO₄ · 3Н₂О, калійної солі (багатокомпонентного мінералу, який містить усі вказані солі).

⁴ Ортоклаз, адуляр, мікроклін і санидін — речовини одного складу (KAlSi₃O₈), але різної структури, утворюють групу калієвих польових шпатів (КПШ).

Йони К⁺ та Na⁺ входять до складу всіх клітин, беруть участь у багатьох життєво важливих процесах, зокрема підтриманні водного, електролітного, кислотно-лужного балансу.

Фізичні властивості натрію та калію

Натрій і калій легші за воду: густина — 0,97 і 0,856 г/см³ відповідно. Натрій має хорошу електро- і теплопровідність, температура плавлення — 97,86 °С, а кипіння — 883,15 °С, що й визначає (разом з відносною дешевизною отримання) широту його застосування. Відносна молекулярна маса натрію — 23, молярна маса — 23 г/моль. Відносна молекулярна маса калію — 39, молярна маса — 39 г/моль. Електронегативності Натрію і Калію за Полінгом становлять відповідно 0,93 і 0,82. Солі Натрію забарвлюють полум’я газового пальника в жовтий колір, солі Калію — в рожево-фіолетовий. Легко утворюють сплави із ртуттю (амальгами).

Отримання натрію та калію

Натрій і калій одержують електролізом розплавів їхніх солей (хлоридів) та гідроксидів:

Крім того, калій отримують унаслідок взаємодії натрію з калій хлоридом (реакцію проводять у розплаві).

Хімічні властивості натрію та калію

1. Калій і натрій реагують з простими речовинами:

• з киснем повітря за нормальних умов, утворюючи натрій пероксид та калій надпероксид, а тому ці метали зберігають під шаром гасу, оскільки вони на повітрі енергійно реагують з киснем:

2Na + О₂ = Na₂O₂

Також утворюється незначна кількість натрій оксиду:

4Na + О₂ = 2Na₂O

2К + 2О₂ = К₂О₄ або К + О₂ = КО₂

• з воднем, утворюючи гідриди; у гідридах ступінь окиснення Гідрогену становить -1:

2К + Н₂ = 2КН

Гідриди легко розкладаються водою з виділенням водню:

КН + Н₂О = КОН + H₂↑

• з галогенами, у їхній атмосфері (F₂, Сl₂ та випарів Вr₂) самозаймаються, утворюючи галогеніди:

2Na + Сl₂ = 2NaCl (натрій хлорид)

• з іншими неметалами — азотом, фосфором, сіркою — унаслідок нагрівання:

2. Калій і натрій реагують зі складними речовинами:

• з водою за нормальних умов енергійно (з вибухом):

2Na + 2Н₂О = 2NaOH +H₂↑

• з кислотами:

а) з кислотами, що є слабкими окисниками, утворюється сіль та виділяється водень:

2Na + H₂SO₄(розв.) = Na₂SO₄+ H₂↑

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂↑

б) з кислотами-окисниками (з вибухом), однак водень не утворюється:

8Na + 10HNO₃(розв.) = 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3Н₂О

8Na + 10HNO₃(конц.) = 8NaNO₃ + N₂O↑ + 5H₂O

8Na + 5H₂SO₄(конц.) = 4Na₂SO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

• з органічними речовинами:

а) зі спиртами:

2С₂Н₅ОН + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑

б) з фенолом:

2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂↑

в) з галогеноалканами:

2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl

Застосування натрію і калію

Натрій як сильний відновник використовують у хімічній промисловості (відновлення вищих спиртів у виробництві синтетичних мийних засобів) та кольоровій металургії рідкісних металів (цирконію), а як каталізатор — у виробництві синтетичного (бутадієнового) каучуку. Натрій застосовують у машинобудуванні (виробництво підшипників), у виробництві тетраетилсвинцю (антидетонатора пального). Металічний натрій (а також його сплави з калієм, рубідієм, цезієм) використовують як теплоносій в атомних реакторах, клапанах авіаційних двигунів тощо. Його застосовують у виробництві газорозрядних ламп високого й низького тиску, які використовують у промисловості та для освітлення вулиць (жовте світло). Натрій використовують в аналітичній хімії. За його допомогою очищують речовини від слідів води.

Металічний калій, на відміну від натрію, не має суттєвого промислового значення. Його використовують як каталізатор у виробництві деяких видів синтетичного каучуку та в аналітичній хімії.

8.2.3. Оксиди і гідроксиди Натрію та Калію

Оксиди Натрію та Калію — це тверді білі речовини, які виявляють основні властивості. Реагують:

• з водою (утворюються луги):

К₂О + Н₂О = 2КОН

• з кислотами:

К₂О + H₂SO₄ = K₂SO₄ + Н₂О

• з кислотними оксидами:

Na₂O + SO₃ = Na₂SO₄

• з амфотерними оксидами:

• з амфотерними основами:

Для отримання натрій оксиду здійснюють реакції:

Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O

2NaOH + 2Na = 2Na₂O + H₂↑

Гідроксиди Натрію та Калію — це білі, тверді, кристалічні, тугоплавкі, гігроскопічні (на повітрі поглинають вологу) речовини йонної будови. Добре розчиняються у воді. Унаслідок нагрівання не розкладаються. У розчинах та розплавах дисоціюють:

NaOH = Na⁺ + ОН^-

Використовують також інші (тривіальні) назви цих гідроксидів: NaOH — їдкий натр, каустична сода, каустик, а КОН називають їдким калі. Ці луги внаслідок надзвичайної активності руйнують текстиль, папір, органічні речовини, живу тканину. Натрій гідроксид та калій гідроксид — сильні електроліти, змінюють колір індикаторів: лакмусу — з фіолетового на синій, метилоранжу — з оранжевого на жовтий, а фенолфталеїну — на малиновий.

Одержання гідроксидів Натрію та Калію

У лабораторії калій гідроксид та натрій гідроксид одержують унаслідок взаємодії металу чи оксиду відповідного металічного елемента з водою:

2К + 2Н₂О = 2КОН + H₂↑

К₂О + Н₂О = 2КОН

У промисловості їх одержують електролізом водних розчинів хлоридів Калію та Натрію:

2NaCl + 2Н₂О = Н₂↑ + Сl₂↑ + 2NaOH

Хімічні властивості гідроксидів Натрію та Калію

Гідроксиди Натрію та Калію взаємодіють:

• з кислотами та кислотними оксидами (можуть утворюватися кислі та середні солі):

Н₃РО₄ + 2КОН = К₂НРО₄ + Н₂О

Н₃РО₄ + КОН = КН₂РО₄ + Н₂О

СО₂ (надлишок) + КОН = КНСО₃

СО₂ + 2КОН (надлишок) = К₂СО₃ + Н₂О

• з амфотерними оксидами:

2КОН + Аl₂О₃ = 2КАlО₂ + Н₂О (реакція відбувається унаслідок сплавляння)

У розчині утворюються комплексні солі:

2КОН + Аl₂О₃ + 3Н₂О = 2К[Аl(ОН)₄] (калій тетрагідроксоалюмінат)

6КОН (надлишок) + Аl₂О₃ + 3Н₂О = 2К₃[Аl(ОН)₆] (калій гексагідроксоалюмінат)

• з амфотерними гідроксидами:

Zn(OH)₂ + 2КОН = K₂[Zn(OH)₄] (у розчині)

• із солями у водних розчинах:

CuSO₄ + 2NaOH = Сu(ОН)₂↓ + Na₂SO₄

• з галогенами:

Сl₂ + 2КОН = КСl + КСlО + Н₂О (реакція відбувається на холоді)

• із сіркою та силіцієм:

• з металами, оксиди відповідних металічних елементів яких виявляють амфотерні властивості:

2Аl + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Zn + 2NaOH + 2Н₂О = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

• з органічними речовинами:

а) карбоновими кислотами:

б) багатоатомними спиртами та фенолами:

СН₂ОН-СН₂ОН + 2NaOH → CH₂ONa-CH₂ONa + 2Н₂О

С₆Н₅ОН + КОН → С₆Н₅ОК + Н₂О

в) галогеноалканами:

С₂Н₅Сl + КОН_{(водний)} → С₂Н₅ОН + КСl

г) жирами:

Застосування сполук Натрію і Калію

Натрій гідроксид та калій гідроксид використовують у виробництві фарб, целюлози, мила. Натрій гідроксид застосовують для очистки нафтопродуктів (бензину, гасу), для виробництва штучного шовку, в текстильній, хімічній промисловості, для виготовлення товарів побутової хімії. Калій гідроксид використовують у лужних акумуляторах і для висушування газів.

Натрій хлорид (зважаючи на поширення і дешевизну) широко застосовують у хімічній промисловості для виробництва соди, хлору і натрій гідроксиду (електроліз розчину), хлоридної кислоти, натрій сульфату, металічного натрію (електроліз розплаву). Кухонну сіль (містить не менше 97 % NaCl)¹ використовують у харчовій промисловості та кулінарії. У медицині застосовують розчин натрій хлориду з масовою часткою солі 0,9 %. Його називають ізотонічним, оскільки його осмотичний тиск відповідає осмотичному тиску крові людини.

¹ Розрізняють 4 сорти кухонної солі, масова частка натрій хлориду в яких становить: екстра — не менше 99,5 %, вищий — 98,2 %, перший — 97,5 %, другий — 97 %.

Натрій гіпохлорит NaOCl використовують для відбілювання тканин і деревини, дезінфекції, хімічного розчинення санітарно-технічних відкладень, у хімічному виробництві.

Глауберову сіль Na₂SO₄ · 10Н₂О застосовують як проносний засіб.

Натрій амід NaNH₂ використовують для виробництва синтетичного барвника індиго.

Натрій пероксид Na₂O₂ (сильний окисник) застосовують для відбілювання паперу та регенерації повітря на підводних човнах (як і пероксид, так і супероксид калію):

2Na₂O₂ + 2СО₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑

Калій карбонат (поташ) використовують для виготовлення скла, калій нітрат — для виготовлення чорного пороху, калій хлорат і перхлорат — у виробництві сірників, у піротехніці, гальванотехніці.

Калій дихромат (хромпік) К₂Сr₂О₇, а також і натрій дихромат Na₂Cr₂O₇ · 2Н₂О, як сильні окисники застосовують у виготовленні хромової суміші для миття хімічного посуду, дублення шкіри. Також як окисник використовують і калій перманганат КМnО₄ (як антисептик у медицині, для отримання кисню в лабораторії).

8.2.4. Калійні добрива

Ґрунт — це верхній природний шар земної кори, основною характеристикою якого є родючість. Вона визначається багатьма факторами, зокрема вологістю та наявністю біогенних елементів² — Нітрогену (30-50 мг/кг), Фосфору (150-250 мг/кг) і Калію (200-300 мг/кг) (NPK). Якщо ґрунт не містить цих елементів, рослини гинуть. Інтенсивні методи землеробства³ виснажують ґрунт і вимагають постійного внесення добрив, зокрема таких, що містять Калій. Це можуть бути:

1) природні солі: калійна сіль, каїніт КСl · MgSO₄ · 3Н₂О, сильвініт NaCl · КСl, карналіт КСl · MgCl₂ · 6Н₂О — вони крім необхідного рослинам Калію містять хлориди, надлишок сульфатів, а тому сприяють засоленню ґрунтів і виникненню солончаків, що призводить до зменшення їхньої родючості. Крім того, дуже часто стають отруйними підземні води, які часто є єдиним джерелом питної води у сільськогосподарських районах;

2) комплексні і комбіновані добрива: калійна селітра KNO₃, калімагнезія K₂SO₄ · MgSO₄, нітрофоска (К₃РО₄ + KNO₃);

3) деревний та торф’яний попіл (містить поташ К₂СО₃).

² Біогенні елементи — це такі елементи, з яких головним чином побудовані рослинні та тваринні організми: Оксиген, Гідроген, Карбон, Нітроген, Фосфор, Сульфур тощо. Поживні речовини, які містять ці елементи (вуглекислий газ, вода, нітрати й амоній, фосфати й сульфати), відповідно називають біогенами рослин (тваринними біогенами є білки, жири, вуглеводи, вітаміни і деякі мінеральні солі). Інші елементи — Цинк, Манган, Магній, Купрум, Молібден та багато інших — також необхідні для життєдіяльності, але в значно менших кількостях, тому їх називають мікроелементами, а мінеральні добрива, які їх містять, — мікродобривами.

³ Існують інші методи і системи рільництва, які не передбачають внесення у ґрунт мінеральних добрив. В усьому світі спостерігається згубна тенденція до збільшення використання мінеральних добрив (щорічно сотні мільйонів тонн) і зменшення органічних.