Современная наука и техника многим обязана металлам, которые обеспечивают не только электропроводность и магнитные свойства, но и используются в роли катализаторов, восстановителей и прочих-прочих сферах. И особенно большой интерес вызывает группа так называемых щелочных металлов.
В обзоре будут рассмотрены основные свойства щелочных металлов.
Интересно, что щелочные металлы не встречаются в природе в чистом виде. Они всегда представлены соединениями, что обусловлено их крайней чувствительностью не только к воздуху и влаге, но и свету.
Щелочные металлы – элементы периодической системы Менделеева из группы IA. Отличительной особенностью металлов данной группы является наличие всего 1-го единственного электрона в энергетической оболочке. При этом электрон удален на достаточно большое расстояние от ядра.
Простое атомарное устройство делает щелочные металлы необычайно активными химически и физически. Активность возрастает по мере увеличения плотности, от лития к цезию и францию.
Название «щелочные» образовано от славянского слова «выщелачивать», что означает «растворять». То есть металлы щелочной группы растворяются в воде, образуя щелочной раствор.
К группе щелочных металлов относятся следующие элементы:
- Литий (Li)
- Натрий (Na)
- Калий (K)
- Рубидий (Rb)
- Цезий (Cs)
- Франций (Fr)
Наиболее яркими щелочными металлическими свойствами обладает франций, но этот металл является радиоактивным, что сильно ограничивает сферу его применения. По большей части он не имеет практического использования.
Среди металлов щелочной группы есть как редкоземельные элементы (цезий, франций), так и среднедоступные (литий и рубидий), а также доступные компоненты (натрий и калий).
Теперь подробнее о применении щелочных металлов.
Литий
За литием закрепилась слава самого легкого металла. Литий весит в 5 раз меньше алюминия! Из-за низкой плотности литий не тонет ни в воде, ни даже керосине.
В природе литий встречается в качестве соединений, которые входят в состав либо каменной породы, либо соляных растворов озер и морей.
Литий был открыт в качестве элемента периодической системы Менделеева в 1817 году. Изначально следы лития обнаружены в минералах петилат, сподумен и лепидолит. Из помола каменной породы был выделен щелочной раствор «литион», что в переводе с греческого означает «каменный».
Металлический литий был синтезирован позже, в 1818 году.
Литий – мягкий металл серебристо-белого цвета. Данный элемент отличается нехарактерно высокой для других щелочных металлов температурой плавления, 180 С.
Литий является наиболее стойким и стабильным из щелочных металлов. Данное вещество допускает непродолжительное хранение в условиях влажного воздуха. Для длительного же хранения и транспортировки используется жидкая среда на основе минерального масла.
Что еще нужно знать о применении с свойствах щелочного металла в виде лития.
Применение лития
Область использования лития неимоверно обширна и разнообразна. Литий необходим для производства:
- Аккумуляторов
- Полупроводников
- Стекла и керамики
- Смазочных материалов
- и пр.
Литий является незаменимым материалом для металлургии. При помощи этого компонента производится раскисление и дегазация расплавов черных и цветных металлов.
Без лития не может обойтись и ядерная энергетика. Этот щелочной металл, в связке с натрием и цезием, применяется в роли теплоносителя.
Львиная доля лития, около 40% общемирового производства, уходит на нужды создания аккумуляторных батарей. Этот щелочной металл является идеальным материалом для создания анодов и электролита в химических источниках тока.
Нобелевская премия в области химии за 2019 год присвоена разработчикам литий-ионной батареи, Джону Гуденафу, Стэнли Уиттингему и Акире Йошино.
Из лития производят успокаивающие медицинские препараты. Данный щелочной металл все чаще и чаще используется при создании летательных аппаратов, как облегчающая добавка к основным конструкционным материалам.
Натрий
Второе место в группе щелочных металлов отведено натрию. Данный металл имеет более низкую температуру плавления, чем у лития, 98 С. Металлический натрий представлен веществом серебристого цвета, которое легко режется ножом.
Натрий менее стабилен, чем литий. На воздухе натрий сразу же превращается в оксид натрия. По этой причине натрий хранится в герметичной таре, наполненной керосином или минеральным маслом.
В природе натрий встречается в виде солей и минералов. Простая поваренная соль является ничем иным, как соединение натрия и хлора (NaCl). По отдельности данные компоненты являются вредными для человеческого организма, но их соединение образует незаменимое вещество, каменную (пищевую) соль.
Натрий впервые выделен в отдельный химический элемент в 1807 году. Название образовано от арабского слова «натрон», которое означает «сода».
Данный щелочной металл входит в десятку самых распространенных веществ в земной коре. Натрий является одной из основных примесей морской воды.
Теперь следует поговорить про сферы применения щелочного металла в виде натрия.
Применение натрия
Самым известным и распространенным натриевым соединением является поваренная соль, которая применяется в роли пищевой добавки и консерванта. Натрий составляет основу твердого мыла.
Соединения натрия широко используются не только в кулинарии и мыловарении. Данный элемент находит применение в:
- Металлургии
- Двигателестроении
- Ядерной энергетике
- Медицине
- и пр.
Натрий используется для азотирования металлов и нитроцементации стали. Его применяют и для выщелачивания золота из горных пород.
Металлический натрий активно применяется в двигателестроении, при создании теплообменной рубашки для клапанного узла.
В связке с калием и цезием натрий используется в роли теплоносителя для установок ядерной энергетики.
Натрий находит применение и в медицина. На основе данного щелочного металла производят седативные и противосудорожные препараты.
Что можно сказать про свойства щелочного металла на основе калия.
Калий
Для калия характерна более высокая активность, чем у лития и натрия. При этом температура плавления калия снижена до 64 С. Калий, как и его соединения, не хранят на воздухе, так как данный щелочной металл склонен к самовоспламенению.
Как и натрий с литием, калий представлен металлом серебристого цвета. Это достаточно мягкий компонент, который легко режется ножом.
Наряду с натрием калий входит в состав наиболее распространенных в природе веществ. В чистом виде калий не встречается в естественной среде. Калий входит в состав слюды и полевого шпата. Повышенной концентрацией калия обладает поташ, полученный из древесной золы.
Калий выделен в отдельный элемент периодической системы Менделеева параллельно с натрием. Калий получил свое название от арабского слова «аль-кали», которое означает «щелоч».
Применение калия
Если из натрия производят твердое мыло, то калий лежит в основе жидкого мыльного средства. На соли калия хромпике основан техпроцесс выделки кожи, из которой в прошлом изготавливали обувь.
Калий является базовым компонентом для производства широчайшего спектра сельскохозяйственных удобрений: селитра, поташ, сульфат калия, хлорид калия и многие другие.
Перманганат калия с давних времен используется в роли сильнейшего антисептика.
В медицине активно используются средства на основе бромида калия, который проявляет успокаивающее действие на нервную систему.
Рубидий
Рубидий демонстрирует крайне высокую активность, что обусловлено легким отделением электронной оболочки, состоящей всего из 1-го валентного электрона. Попадая на воздух рубидий легко воспламеняется. По этой причине рубидий хранят в герметичном сосуде с вакуумом, инертным газом или дегидрированным маслом.
Первые сведения о рубидии получены в 1861 году, когда была освоена технология спектрального анализа. При горении рубидия появляется насыщенное красное пламя, как у рубина, что и отразилось в названии.
Самостоятельно рубидий не встречается в природе. Этот щелочной металл сопутствует залежам литийсодержащих минералов. Рубидий производят из побочных продуктов переработки лепидолита, богатого литием.
Применение рубидия
Рубидий нашел применение в наукоемком производстве. Этот щелочной металл ярко демонстрирует свойства фотоэлектричества. Под действием света рубидий превращается в источник электроэнергии. Где еще применяется щелочной металл.
Рубидий является незаменимым катализатором при производстве многих органических соединений: метанол, высшие спирты, синтетический каучук, искусственная нефть и пр.
На основе соединений рубидия изготавливаются болеутоляющие и успокаивающие медицинские препараты.
Рубидий нашел применение в роли теплоносителя в установках для термоядерного синтеза.
Цезий
Открытие цезия в 1860 году сопутствовало становлению и развитию важнейшей для науки отрасли, называемую спектральным анализом.
Цезий является легкоплавким металлом, 29 С. По температуре плавления цезий уступает лишь ртути.
Наибольшую известность имеет радиоактивный изотоп цезий-137, который является производной ядерной энергетики. Чернобыльская катастрофа стала ярким примером радиоактивного загрязнения биосферы данным элементом.
Свойства щелочного металла в виде цезия очень разнообразны и многогранны.
Применение цезия
Цезий принадлежит к числу теплоэмиссионных металлов. Данный элемент способен вырабатывать электричество под действием нагрева. Этот эффект лежит в основе магнитогидродинамических генераторов (МГД).
Без катализаторов на основе цезия не может обойтись синтез многих органических и неорганических соединений, которые используются химической промышленностью, фармацевтикой и многими другими отраслями.
