Алкалните метали
История на откриване
Калий и натрий – най-известни и първооткрити
Алкалните метали са открити и получени в чист вид в началото на 19в., но съединенията им са били известни на човека от най-дълбока древност, например готварската сол. Натриевата и калиевата сода са били известни под името нетер, нитрон, нитрум, които били използвани като миещо средство. Арабите дали името алкали. През 1761г. натриевата основа била наречена алкали минерале, защото се получавала от скали, а калиевата основа - алкали вегетабиле, защото се получавала от пепел от растения. По-късно Клапрот въвел имената натрон и кали. Хъмфри Дейви получил натрий и калий на 19(20) ноември 1807г. в Лондон. Поради активността на двата метала е попречила на по-ранното им откриване. Дейви бил физик и се интересувал от въздействието на електричния ток върху веществата. Първият му успех било разграждането на водата на водород и кислород. Първоначалните опити с калиева и натриева основа били във воден разтвор, но не дали резултат. После опитал с твърди, но влажни основи, а по-късно и със стопени. Дейви използвал "волтовия стълб" - 250 чифта медни и цинкови пластинки, разделени с тъкан, напоена със сярна киселина. Менделеев пише за него: "Парче влажна натриева основа (за да може да притежава галванопроводност) се съединява с анода (меден или въгленов). В натриевата основа се издълбава дупка, в която се изсипва живак, съединен с катода на силен волтов стълб." При пропускане на тока Дейви забелязал, че в живака се разтваря особен метал, по-слабо летлив от живака и способен да разлага водата, при което отново се образувала натриева основа. Отначало получените метали били наречени съответно содиум и поташ, а по-късно Берцелиус дал имената натрий и калий, от където произлизат и знаците им - Na и K.
Литият - откритие в две действия
Първата част от историята на лития е откритието му от шведския химик Арфведсон през 1817г. Литият бил открит в скала от рудника Уто, която съдържала силиций, кислород, алуминий и 4% от друг елемент, който давал силна алкална реакция. По предложение на Берцелиус той бил наречен литий, от гръцката дума литос - камък. Литият е първият алкален метал открит в скали. Химичният знак на лития е Li. Втората част от историята на лития включва анализът на минералът петалит от бразилският учен Да Силва още през 1800г. За получаване на метала в чист вид отново се намесил Дейви, заедно с Бранде през 1818г. Значителни количества литий са получили англичанинът Матисен и германецът Бунзен, поотделно чрез електролиза на стопен литиев хлорид, през 1855г.
Рубидият и цезият - почти близнаци, но с различен цвят на пàрите
През 1846г. при анализа на минерала полуцит немският химик Платнер е намерил, че в него се съдържа неизвестен елемент, при това в значително голямо количество (около 7%). По-късно се установило, че това е цезия. Рубидият и цезият били доказани чрез спектрален анализ. Цезият е получен през 1860г., открит в остатъка от изпарението на минералните води на Шварцвалд. При изследване на спектъра му били открити две сини черти. Те дали името му - caesium - небесносин. През 1861г. от остатъка при изпарението на минерални води бил открит нов елемент с червени спектрални линии - рубидият (rubidius - от латински - тъмночервен). През 1863г. Бунзен получил чист рубидий чрез редукция на кисел рубидиев тартарат. През 1882г. Зетерберг получил цезий чрез електролиза на смес от бариев и цезиев цианид.
Франций - един от най-редките елементи
При създаването на Периодичната система Менделеев оставил празни места за неоткритите елементи. За име на предполагаемият шести алкален елемент той избрал екацезий. Други учени нарекли екацезия дакий, молдавий, алкалиний, виржиний, хелвеций, лентин, русий, англохелвеций. През 1913г. при разпадането на актиний-228 било наблюдавано слабо изльчване на алфа-частици, което трябва да доведе до елемент с пореден номер 87. През 1914г. Майер, Хес и Панет достигнали до аналогично заключение при изследване на разпадането на актиний-227. След Първата Световна Война французойката Маргарит Перей повторила опитите им, но с по-прецизна техника и така доказала, че наистина при разпадането на актиний-227 се получава изотоп на 87 елемент. Този изотоп имал свойствата на алкалните метали, но бил радиоактивен, с период на разпадане - 21.8 минути. Това станало на 9 януари 1939г. Тя нарекла елемента франций, на името на своята родина.
Разпространение на алкалните метали
http://prikachi.com/files/736074U.jpg
По разпространение в земната кора натрият е на шесто място.
За разпространението на франция различните автори дават различни числа - 520g, 0.025g, 500g, 25.4g. В земната кора става едновременно неговото получаване и разпадане. Равновесната концентрация е малка и много трудно може да се определи точно.
Под каква форма можем да намерим алкалните метали на земята?
Литий
Литият е открит в около 150 минерала, като на 30 от тях е главна съставна част. Често се включва в железни и магнезиеви минерали. Спътник е на калия. Рудните находища на лития са често комплексни и в тях се срещат минерали на цезия, берилия, калая, ниобия, волфрама, тантала. Промишлено значение имат:
Сподумен - LiAl[Si2O6]; Някои негови разновидности представляват скъпоценни камъни;
Лепидолит - Li1,5KAl1,5[Si3O10][F ,][OH]; Химичният му състав е променлив; Често ценен пример към него е елементът галий;
Петалит - Li[AlSi3O10] или Li(Na)[AlSi3O10]; Литият е бил открит в този минерал;
Амблигонит - LiAl[PO4](F, OH);
Цинвалдит - KLi(Fe, Mg)Al[Si3AlO10]; Той е междинен член на цял ред алумосиликати. Често съдържа рубидий и цезий.
Понякога литият се среща и в находища с утаечен тип, например в изсъхналото езеро Сирлс в Калифорния. Морската вода също съдържа литий – 7.10-6. Той се среща и в някои минерални води. Находищата на литий са разпространени по цялото земно кълбо.
Натрий
Освен на Земята натрият е открит и в атмосферата на Слънцето и в междузвездното пространство. На Земята, над 70% от солите в морската вода са именно на натрия - това са около 1,5.1016 тона. Освен морската вода промишлено значение имат:
Халит (Каменна сол) - NaCl;
Мирабилит (Глауберова сол) - Na2SO4.10H2O;
Чилска селитра - NaNO3
Криолит - 3NaF.AlF3
Боракс - Na2B4O7.10H2O; други.
Значителни количества натрий се съдържат в силикатите, водораслите, животинските организми. Голяма част от минералите на натрия имат самостоятелно значение или са суровини за получаване на други вещества. От всичките му минерали за получаване на натрия се използва халитът. В атмосферата има миниатюрни кристалчета от NaCl. Натрият е елемент, който може да срещне навсякъде - в земната кора, във водата, в атмосферата, на другите планети, в междузвездното пространство. Залежи на каменна сол има в СССР, САЩ, Австрия, Полша, а у нас - край Провадия. Чилска селитра има в Чили и Перу, Мирабилит - в СССР, САЩ, Сицилия, Испания, Северна Африка и Криолит - в Гренландия и СССР.
Калий
Подобно на натрия количеството на калия в земната кора е значително. Поради тази причина съществуват много минерали, между които:
Силвин - KCl;
Силвинит - KCl.NaCl - подобен на силвина;
Карналит - KCl.MgCl2.6H2O;
Каинит - КCl.MgSO4.3H2O;
Лангбейнит - К2SO4.2MgSO4.
Освен на тези минерали калият е компонент на различни видове слюди и други най-разнообразни силикати (ортоклазът е около 18% от земната кора). Най-голямото находище на калиеви соли в света е близо до Соликамск (СССР). Калият се съдържа в морската вода и в много солени езера и минерални води. Количеството на калия в морската вода е около 50 пъти по-малко от количеството на натрия, защото за разлика от натрия, калия се задържа от почвата и само малки количества от него достигат до Световния океан. Калиевите соли в почвата се получават в резултат на изветрянето на ортоклаза, чийто продукт е и поташът.
K20.Al2O3.6SiO2+H2O+CO2->K2CO3+Al2O3.SiO2+SiO2
ортоклаз каолин пясък
Изчислено е, че на 1000 атома калий, получени при изветрянето на ортоклаза, само 2 достигат морската вода, а останалите остават в почвата.
Рубидий
Рубидият е разсеян елемент. Въпреки сравнително високото си съдържание (по-високо от другите широко използвани елементи като сребро, злато, живак, калай, олово и др.) рубидият не образува собствени минерали. Той може да бъде намерен в много скали - гранит, базалт, сиенит, глинести материали, варовици, каменни въглища, минерални води и живи организми. Често се среща в минералите на лития и калия. Промишлено рубият се получава предимно от лепидолит, полуцит, цинвалдит и др. като от тях се извлича заедно с лития и цезия.
Цезий
Цезият е рядък метал. Той се среща в същите скали, където се среща и рубидият. Някои от минералите, които концентрират цезий, са лепидолит, цинвалдит, а понякога и силвинит и карналит. За разлика от рубидия, цезия образува два минерала:
Авогадрит - (K, Cs) [BF4] - много рядък; и
Полуцит - (Cs, Na) [AlSi2O6]nH2O - има промишлено значение.
Разсеяни елементи са тези, които се срещат предимно като примеси към различни минерали и не образуват самостоятелни находища. Обикновено това са слабо разпространените метали, но рубидият е изключение. Редки елементи са тези, чието съдържание в земната кора е много ниско. Поради това, много често редките елементи са и разсеяни.
Франций
Смешно е да се говори за минерали или находища на франция. Само астатът е по-слабо разпространен от него. Францият се намира само в находищата на урана, при чието разпадане се получава. На 1 атом франций-223 се падат 1,5.1015 атома уран-235, т.е. на 1 грам франций се падат един милиард тона уран.
Как се получават алкалните метали?
Литий
Тъй като съдържанието на минералите на лития в рудите, които се използват за неговото получаване е ниско, се налага предварителното им обогатяване чрез флотация. Литиевите минерали обикновено са силикати, които са неразложими във вода. Следващият етап при получаването на лития е превръщането на силикатите му в разтворими във вода соли. Това се постига чрез обработката им с гореща сярна киселина или със стопен калиев сулфат (или калциев дихлорид). Така литий се извлича под формата на сулфат или хлорид.
2LiAl[SiO3]+H2SO4 --350°C-> Li2SO4+Al2O3.SiO2.H2O
сподумен
2LiAl[SiO3]+CaCl2 --стопилка->2LiCl+Al2O3.SiO2.CaO
Получените соли се пречистват и вече са един от търговските продукти на лития. Те служат и за неговото получаване. То се осъществява чрез електролиза на стопилка от литиев и калиев хлорид при температура - 400-500°C. За катод се използват железни вани, в които протича процесът, а анодите са графитови пръчки потопени в стопилката. Това е методът приложен от Бунзен и Матисен през 1855г. В някои заводи вместо скъпата флотация големи кристали сподумен се отделят ръчно. Съществуват два вида сподумен - α-сподумен при температура 1000-1200°С и β-сподумен при по-висока температура. Обемът на α-сподумен е 24% по-голям от обема на β-сподумена. Поради тази причина при нагряване и охлаждане кристалите се раздробяват.
Натрий - отново електролиза
Първоначално натрия е бил получаван чрез електролиза на натриева основа. По-късно Гей-Люсак и Тенар предложили начин за получаване на натрий чрез взаимодействие на натриева основа с накалено желязо. Известно време нямало интерес към получаването на натрий, защото той нямал практическо приложение. През 1856г. натрият станал необходим за получаване на алумниний и за това бил разработен нов начин за получаване на натрий - чрез взаимодействие на сода (Na2CO3) с въглища в присъствието на варовик. През 1890г. бил предложен усъвършенстван промишлен метод за получаване на натрий чрез електролиза на натриева основа и едва след 34г. американският инженер Даунс използвал широко разпространената готварска сол. Натрия е по-евтин от лития, защото няма нужда от предварителното обогатяване на суровината. Различни трудности, свързани с температурата на топене и кипене, били преодолени чрез добавянето на различни соли - KCl, NaF, CaCl2 към стопилката на NaCl. Така били определени условията, при които процесът протича най-добре. Оптимални електролизьори са тези, при които електричният ток е с големина 25-30 kA, а производството на натрий и хлор е сътветно 400-500kg и 600-700kg на денонощие. В някои по-специални случаи вместо натрий се получава натриева амалгама, която се използва като редуктор при някои органични синтези.
Калий - значителни трудности. Необходима е помощта на натрияМакар, че свойствата на натрия и калия са сходни, начините за тяхното получаване се различават значително. Реакциите, които са в основа на промишленото им производство са:
KOH+Na--стопилка->NaOH+K
KCl+Na--стопилка->NaCl+K
И двата процеса се осъществяват в никелови дестилационни колони, първият - при температура 380 - 440 °С, а вторият - при 760 - 800 °С. За предпочитане е първата реакция, тъй като работата при по-ниска температура е по-лека.
Електролизата на калиеви съединения по принцип е възможна, но поради голямата си активност, калият се окислява от кислорода от въздуха. Това прави процеса неефективен. Голямата активност на калия е причина и за трудното създаване на напълно безопасна апаратура, в която да няма достъп на кислород и влага, тъй като електролизата е съпроводена с отделянето на газове, което прави херметизирането й невъзможно.
Освен натрий, за получаването на калий могат да бъдат използвани и по-евтини елементи (алуминий, силиций и др.). Получаването на калий с помощта на алуминий е сложен процес, за който е необходим и калциев оксид.
2Al+6KCl+4CaO->6K+3CaCl2+CaO.Al2O3
Този метод на практика не се използва, заради малкото количество калий, което се получава.
Рубидий и цезий - още по-големи трудности. Специални условия
Получаването на рубидий и цезий е още по-трудно от получаването на калия. И тук се използва реакция на техните соли с активни метали. При редукцията на рубидиеви соли най-често се изпозва калций. Реакцията протича във вакуум или във водородна среда, като се внимава да няма никакъв кислород. Самата реакция се извършва в желязна ампула, поставена в стъклена апаратура. В същата апаратура се извършва пречистването на метала чрез дестилация. Аналогично и получаването на цезия. Поради голямата им активност металите се пазят в ампули. Необходимата инертна среда за получаването на металите се постига трудно. Големи са и трудностите при получаването на изходните соли, защото рубидият и цезият са разсеяни елементи. Необходимо е концентрирането на тези соли в по-големи количества и отделянето им от другите алкални метали, а също така и един от друг. Методите са сложни и различни при конкретните случаи.
Франций - изключителни трудности. Намесата на "съвременните алхимици"
Принципът за получаване на франциий е значително по-различен от този на другите алкални метали. Причините са няколко: изключително малкото му количество в земната кора; като най-активен метал получаването му ще е още по-трудно и от това на рубидия и цезия; той е радиоактивен. Френският радиохимик Адлов използвал нов начин за получаване на франций - хартиената хроматография. За около 10-15 min се получавало сол на франция, с която можело да се работи 2 часа. По-късно се намесили "съвременните алхимици". Чрез ядрен синтез били създадени методи за получаване на франций чрез облъчване на различни метали (най-вече торий и уран). При облъчване на 1g уран за 15 минути с протони с енергия 660 MeV в синхроциклотрона на Дубна (СССР) се получава 5.10-13g франциий-212. Друг начин е облъчване на олово, талий или злато с йони на неона, бора или въглерода.
http://prikachi.com/files/736092l.jpg
Атоми и прости вещества на алкалните метали
Атомите на алкалните елементи - начело в периодите на периодичната система
Атомите на алкалните елементи се характеризират с две особености - в последния електронен слой имат по един електрон и електронната конфигурация на предпоследния електронен слой е аналогична на тази на благородните газове. За това при образуването на химичните връзки алкалните елементи имат склонност да отдават електрона от последния електронен слой. От тук следва, че повечето им съединения ще са с йонен характер. Съществува и количествена мярка за здравината, с която електронът е свързан с атома - йонизиращата енергия Е. Това е енергията, необходима да се отведе един електрон на безкрайно разстояние от ядрото. Практически това е разстоянието, при което електронът и ядрото не взаимодействат. Често вместо йонизираща енергия се използва йонизационен потенциал I. Формулата е I=E/e , където е е зарядът на електрона.
Йонизиращата енергия намалява от лития към цезия. Нарастването на радиус на алкалните елементи от лития към цезия и увеличаването на броя на електроните между ядрото и най-външният електронен слой определят и посоката, в която се променя йонизационният потенциал. Атомите могат да отдават повече от един електрон, за това има първи, втори, трети и др. йонизиращи потенциали. Конфигурацията на благородните газове е много стабилна. Стойностите на втория йонизационен потенциал на алкалните елементи са по-високи от тези на първия йонизационен потенциал на благородните газове, защото йоните на алкалните елементи притежават и един допълнителен положителен заряд, който увеличава силата на привличане на електроните от ядрото.
http://prikachi.com/files/736099Q.jpg
Изотопи, които съществуват в природата:
6Li и 7Li - стабилни
23Na - стабилен
39K и 41K са стабилни, а 40K - радиоактивен с
T1/2 = 1,32.109
85Rb - стабилен, а 87Rb - радиоактивен с
T1/2 = 5.109
133Cs - стабилен
223Fr е най-разпространеният изотоп на франция. Съществуват още 8. Той няма стабилни изотопи.
Свойства на простите вещества
Алкалните метали имат блясък, със сребристобял цвят са и са много активни. Те веднага се покриват с окисна корица, заради което учените дълго мислели, че цезият е със златист оттенък, а лития - с виолетов. Литият е най-лекия метал. Съприкосновението на по-голямо количество алкален метал води до взрив, който е най-силен при рубидия и цезия. Температурите на топене и кипене на алкалните метали са ниски. Те намаляват от лития към цезия. Алкалните елементи са меки и добре провеждат електричен ток.
http://prikachi.com/files/736102K.jpg
Как могат да се открият алкалните метали?
Оцветяване на пламъците:
Литий - кармино-червено
Натрий - жълто
Калий - виолетово
Рубидий - розово-виолетово
Цезий - синьо-виолетово
Франций - синьо.
През XVIIIв. продавали препарат за подобряване на горенето. Той правел хубави жълти пламъци. След анализ се установило, че това било готварска сол.
Спектралният анализ се основава на излъчване или поглъщане на енергия при преходите на електрон от едно ниво на друго, като при алкалните метали излъчването е във видимия спектър. Емисионна спектроскопия (пламъкова фотометрия) се използва и алкалоземните метали, индия, талия, галия и др., но при нея не може да се определят малки количества вещества. За всеки алкален метал са характерни специфични реакции, с които той се характеризира количествено или качествено. Обикновено това са техни малкоразтворими съединения. Доказване на:
Литий - при взаимодействие по една капка литиев разтвор, уротропин (CH2)6N4 и калиев ферицианид K2Fe(CN)6 се получават дребни жълти кристалчета, видими с лупа.
Натрий - използва се тройна сол (NaMg(VO2)3(CH3COO)9.9H2O), която представлява утайка и може да се филтрува, суши и тегли.
Калий - KClO4 и калиев хексанитрокобалтат KCo(NO2)6
Рубидий - стипцата - RbAl(SO4)2
Цезий - цезиев хексахлорплатинат - Cs2PtCl6
Разтворимостта на солите на алкалните метали пречи на откриването им чрез утайки. Те образуват най - много на брой разтворими съединения, с най-много различни вещества, от всички елементи. Тук често се изпозват органични съединения. Почти винаги, когато искаме да разтворим някакво съединение трябва да го превърнем в алкална сол, ако това е възможно.
Химични свойства и съединения на алкалните елементи
Голям афинитет към водата и кислорода. Работата с тях е много опасна.
Атомите на алкалните метали лесно отдават електрона от последния си слой за това се проявяват като силни редуктори. Тяхната изключителна активност затруднява съхраняването им. Рубидият и цезият се съхраняват само в ампули. Натрият и калият се пазят под петрол, но и тогава повърхността им се покрива с коричка от оксиди, пероксиди, нитриди, хидроксиди. Литият е по-слабоактивен, но е по-лек от петрола и плува в него, за това също се съхранява в ампули.
Алкалните метали се разтварят в амоняк, амини, етери. Тези разтвори са оцветени в синьо и провеждат електричен ток. Използват се при синтеза на някои органични съединения.
Активността на алкалните метали е различна. По принцип активността се увеличава от лития към цезия. Но лития най-добре взаимодейства с азота от всички алкални метали. Рубидият и цезият се възпламеняват на въздуха, а взаимодействието на калия, натрия и особено лития е значително по-спокойно. Различни са и продуктите - при лития това е Li2O. Останалите освен оксиди образуват и пероксиди Na2O2, а нагряването на калия, рубидия и цезия в излишък от кислород води до хипероксиди. Пероксидите и хипероксидите са силни окислители. При взаимодействието им с вода се получават кислород или водороден пероксид и задължително основа.
Me2O + H2O -> 2Me+ + 2OH-
Me2O2 + H2O -> 2Me+ + 2OH- + H2O2
2MeO2 + H2O -> 2Me+ + 2OH- + O2 + H2O2
Съществуват още съединения на алкалните метали и кислорода - MeO3 - озониди. Те са оранжеви или червени, докато останалите кислородни съединения на алкалните метали са от бели до жълти. Всички им кислородни съединения са в твърдо състояние.
Хидроксидите на алкалните метали се образуват при взаимодействието на оксидите с вода. Те са най-силните основи и са едни от най-важните съединения на алкалните елементи. Те са бели, твърди кристални вещества, които се разтварят във вода и алкохол. Алкалните основи могат да се получат от директното взаимодействие на метал с вода. Процесът е много енергичен и често при калия, рубидия и цезия протича със взрив. Високата температура, заради голямото отделено количество топлина от реакцията, води до запалване на водорода.
Сплавите на алкалните елементи
При смесването на няколко метала може да се получи сплав с температура на топене, по-ниска от тази на металите. Температурата на топене на сплав на натрия и калия е -11°C, a на натрия и цезия - -30°C.
Съедниненията на алкалните метали
Na2O2+CO2->Na2CO3+1/2O2
Na2O2+2KO2+2CO2->Na2CO3+K2CO3+2O2
Тези реакции се използват за получаване на кислород.
В промишлеността, алкалните основи се получават чрез електролиза на разтвори на техните хлориди. При катода на електролизьора се отделя водород, а около него се натрупва разтвор на NaOH, смесен с NaCl. Този разтвор се извежда от системата и чрез концентриране се разделят NaCl от NaOH. На анода се отделя хлор, а в анодното пространство постъпва пресен разтвор на NaCl. Между анода и катода са разделени с диафрагма, за да не реагират веществата. Така освен NaOH се получават и водород и хлор. Алкалните основи са едни от малкото вещества, които могата да реагират със стъклото и порцелана. LiOH, NaOH и КОН реагират забележимо само в стопено състояние, а RbOH и CsOH - когато са в разтвор и при обикновена температура.
Едно от най-характерните свойства на алкалните елементи е образуването на хидриди. Най-лесно са образуват LiH, NaH и KH.
Интересно е взаимодействието на литий и азот. Азотът е слабоактивен и реагира със сравнително малко вещества. При стайна температура реакцията между тях е много бавна. При 400°C бързо се образува Li3N.
Алкалните метали реагират бурно с халогенните елементи. Най-интензивно реагират рубидий и цезий с флуор и хлор. Всички тези съединения са йонни.
Като много активни метали, алкалните елементи образуват и сулфиди, карбиди, силициди и т.н.
Като силни редуктори алкалните метали изместват много електроположителни елементи от съединенията им.
Тъй като хидроксидите им са силни основи, алкалните елементи образуват соли на почти всички киселини. Някои от тях са разтворими.
Натриев хлорид
Натриевият хлорид е най-важната суровина, съдържаща натрий. Той е жизнено необходим за живите организми. Получаването му е започнало от древни времена. За народите без солни залежи това било проблем. Търговията със сол била много доходна. Това е стоката, за която е бил въведен първият данък. Имената на много градове са свързани с наличието на солни залежи край тях - Залцбург, Гал, Марсилия, Солтвил, Солотвино, Усоле, Солвичегодск, Соликамск и др. Ако каменната сол е чиста, тя се добива по обикновен рударски начин, а ако е размесена с пръст се изкопават дълбоки дупки в земята, където се намира тя и се пълни с вода. Когато се разтвори достатъчно сол, разтворът се изтегля на повърхността и водата се изпарява в градовни. Те се състоят от пласт храсте, над и под които се намират две корита - горното със солена вода, а в долното се събира падналата вода. На горното корито има много канелки, откъдето капе солената вода върху храстето, като по този начин се постига по-голяма повърхност и въздушното течение изпарява водата. Така разтвора постепенно се сгъстява. Ако е нужно, това се повтаря или се изпарява в железна тава до кристализиране на солта. В топлите страни морската сол се добива като се остави морската вода да се изпарява от действието на слънчевата топлина в широки басейни(солници). Така се получава у нас край Бургас и Анхиало(Поморие). В студените страни морската се оставя да замръзне. Незамръзналата вода, в която се намира солта, се изпарява. Чист натриев хлорид се добива като се прекара хлороводород през наситен разтвор от натриев хлорид. Понеже натриевият хлорид не се разтваря добре в солна киселина, той кристализира в малки кристалчета, които след това се прецеждат, промиват се с наситен разтвор на солна киселина, после с вода и накрая се изсушават. При по-бавното изпарение на водата от соления разтвор, се образуват по-едрозърнеста и чиста сол. Ако тя отново се изпари, ще се получи още по-чиста сол. Натриевият хлорид образува прозрачни, безцветни кристали с кубична форма, с твърдост по Моос 2. Разтворимостта на готварската сол във вода почти не зависи от температурата. При 0°C в 100g вода се разтварят 26,28g, а при 100°C - 28,12g. При калиевата селитра цифрите са съответно 13,27g и 264g. Като на повечето йонни съединения, температурата на топене на готварската сол е висока - 801°C. Чистият натриев хлорид е слабо хигроскопичен, но наличието на примеси може силно да повиши на хигроскопичността му. През 80-те години на XXв. в СССР е използвана 5.106t готварска сол. За един километър от пътя са необходими над 150kg сол. Освен в хранителната промишленост, натриевият хлорид намира приложение и в металургията, селското стопанство, химическата промишленост - производство на киселини, сода, сапун, каучук, стъкло, боя, лекарства и др. Дори и при един от методите за производство на диаманти се използват кристалчета натриев хлорид като леща при фокусиране на инфрачервените лъчи на лазера. Но натриевият хлорид създава и някои проблеми - наличието на големи количества соли в морската вода я прави негодна за пиене и индустриални цели. Готварска сол е намерена по археологически находки от преди 3-4 хиляди години. Първобитните хора открили, че натриевия хлорид може да се използва като консервиращо средство. Най-старите писмени източници описващи добиването на каменна сол, били съчиненията на Херодот (V в. пр.н.е.). Според него тя се добивала в Либийската пустиня, в чийто център се намирал храмът на бог Амон-Ра. Поради това Либия се наричала Амония, а първото име на готварската сол било sal ammoniacum (амониева сол). През XIIIв. това име останало за амониевия хлорид. Плиний Стари е описал получаването на злато от неблагородни метали чрез накаляване със сол и глина. Първото описание на пречистване на натриев хлорид е намерено в трудовете на арабския лекар и алхимик Джабири ибн Хайян, известен като Гебер.
Калиев хлорид
Калиевият хлорид прилича по свойства на натриевия хлорид. Използването му е ограничено, защото находищата му в природата са малко, а промишленото му получаване е скъпо. Използва се там, където не може да бъде заместен с натриев хлорид, като изкуствен тор, в оптични устройства за работа с инфрачервена светлина и др. Разтворимостта му във вода зависи от температурата - 28,1g в 100g вода при 0°C и 56,2g в 100g вода при 100°C. Тази разлика от натриевия хлорид се използва за разделянето им, например в минерала силвинит.
Селитри
Селитри се наричат нитратите на алкалните метали. Натриевият нитрат се нарича още чилска селитра и се използва като азотен тор. До XXв. чилската селитра е била основна суровина за получаване на азотна киселина. Калиевата селитра се използва за направата на барут (68%). По принцип натриевата селитра също може да се използва за направата на барут, но е хигроскопична и барута се навлажнява. Калиевата селитра може да се използва като изкуствен тор заради калия и азота.
http://prikachi.com/files/736105m.jpg
Реакция за получаване на калиев нитрат, записана с алхимични знаци. Tя се чете: Действа се на поташ, получен от растителна пепел, с азотна киселина. Реакцията продължава цяла нощ на водна баня.
http://prikachi.com/files/736111k.jpg
http://prikachi.com/files/736114A.jpg
Методът на алхимиците не бил достатъчно ефективен и затова бил разработен нов - конверсионен метод.
NaNO3+KCl <KNO3> 2MeNO2+O2
Карбонати
Между карбонатите на алкалните метали най-голямо значение има динатриевият карбонат (сода). Съществуват няколко вида сода: кристална - Na2CO3.10H2O, тежка - Na2CO3.H2O, калцинирана Na2CO3, сода за пиене(за хляб) NaHCO3. Известна е и солта тропа - Na2CO3.NaHCO3. Всички тези соди се получават при производството на калцинирана сода. В България през 1860г. са произведени 128 000 тона, а през 1980г. - 1 499 000 тона. През 1980г. са били произведени - 161 000 тона натриева основа, от които 139 - чрез електролиза, а през 1860 - 17100 тона натриева основа, но не чрез електролиза. В древността содата се получавала от морските водорасли, най-вече в Испания. Содата се използва в стъкларството, текстилната промишленост, производството на сапун. Содата била недостатъчна и започнали да използват поташ, вместо сода, който се получавал чрез нагряване на дървесна пепел в железни гърнета, наречени поти. Той също привършил. През 1790г. Николай Льоблан и Бизе открили начин за получаване на сода от каменна сол, наречен сулфатен. Първо се получава динатриев сулфат от натриев хлорид и сярна киселина:
2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl
Отделеният хлороводород се превръща в амониев хлорид като се прекарва през амоняк или се поглъща от вода и се получава солна киселина. Динатриевият сулфат се накалява, при което протичат реакциите:
Na2SO4 + 3C → Na2S + 2CO + CO2
Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS
CaS e неразтворим и содата се извлича от сместа чрез разтварянето й във вода. Калциевият сулфид се използва за получаване на сероводород, сяра или сярна киселина.
Има и втори метод - амонячен на Ернест Солвей. Чрез термична дисоциация варовикът се разлага до негасена вар и въглероден диоксид. Приготвя се разтвор на натриев хлорид, който се насища първо с амоняк, а после и с въглероден диоксид.
NH4OH + CO2 → NH4HCO3
NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl
Oт всички вещества най-слабо разтворима е содата за хляб, която пада като утайка. Следва филтруването и калцинирането й:
2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
Обратното взаимодействие също е възможно. След това реагират негасена вар и вода, за да се получи гасена вар. Тя се прибавя към амониевия хлорид и полученият амоняк се връща в производството.
2NH4Cl + Ca(OH)2 → 2NH3 + 2H2O + CaCl2
Калиевият хидрогенкарбонат е много разтворим във вода и прилагането на този метод при него е невъзможно. Калцинираната сода се използва и за омекотяване на водата. 20% от содата се използва за получаване на сода каустик, 30% - за алуминий, 30% - за стъкло. През 1980г. в България се падали 163.5kg сода на глава от населението. Плиний Стари описал откриването на стъклото от моряци. Те използвали две буци сода за огнище на бряг със ситен, чист пясък. На сутринта открили, че содата е изчезнала, а се е появило ново блестящо вещество - стъклото. Дикалиев карбонат се получава в по-малки количества. Той се съдържа в пепелта на растенията, като в слънчогледа е до 50%. Използва се за получаване на високотопимо стъкло и за течни сапуни. Карбонатите на алкалните метали са бели кристални вещества. Те са соли на слаба киселина – въглеродната, затова имат силноалкална реакция. При хидрогенкарбонатите реакцията е неутрална.
Сулфати
От всички соли на алкалните метали с кислородни киселини сулфатите имат най-малко значение. Динатриевият сулфат е открит и получен от Глаубер през XVIIв. Използването на динатриевия сулфат е аналогично на използването на карбоната – при производството на стъкла, текстил, цветни метали, сапун и др. Служи и като суровина за получаване на други съединения на натрия. Използва се и в медицината като пургативно средство. Приложението на дикалиевия сулфат е по-ограничено. Широко използвани са стипците – соли и на алкалните метали. Това са двойни соли на едновалентен (алкален) и тривалентен метал (желязо, алуминий, хром). Те кристализират с 12 молекули вода. Литият не образува стипца. Почти всички соли, които намират приложение в промишлеността, са натриеви или калиеви. Често солта се ползва не заради алкалният елемент. В повечето случаи натрият и калият обуславят добра разтворимост. Перманганатният йон има антисептично действие и намира приложение и в количествения анализ. И в двата случая той трябва да влезе в състава на разтворимо във вода съединение. Такова е калиевият перманганат. Сулфидните йони намират приложение в получаването на луминофори и на други сулфиди. Те са едни от най-неразтворимите соли. Единствено сулфидите на алкалните метали и амониевият сулфид са разтворими. Най-често сулфидните йони се получават от дикалиев сулфид и динатриев сулфид. Цианидните йони (CN- ) намират широко приложение в галванотехниката за извличане на злато от рудите. И тук най-често се използват калиев и натриев цианид. Те се използват и като отрова. Присъствието им остава незабележимо и нямат миризма, докато циановодородът има миризма на горчиви бадеми.
NaCN+HCl->NaCl+HCN
Други соли с приложения:
Натриев тиосулфат NaS2O3 се използва за фиксаж във фотографията.
Алкалните фосфати - Me3PO4, Me2HPO4 и MeH2HPO4 намират приложение в производството на синтетични миещи средства, омекотяване на водата и др.
Солта KD2PO4 (D е изотопът на водорода, наречен деутерий) намира приложение в лазерната техника.
Водно (разтворимо) стъкло Me2O(SiO2)m, където Ме е калий или натрий, а m е броят на молекулите силициев диоксид.
Сходни ли са свойствата на алкалните метали
По отношение на общите закономерности – да, но има и различия. Причината за тези различия е в електронният строеж на атомите. При лития предпоследният електронен слой е само от два електрона, максималният брой. Атомният радиус на лития е най-малък, което води до най-голяма стойност на отношението заряд/радиус на неговите йони. Това се изразява във вида на химичните връзки, в които участва лития – ковалентни. Такива са връзките в неразтворимите соли – литиев флуорид, дилитиев карбонат, трилитиев фосфат и др. По тези свойства литият притежава най-висока енергия на хидратация (енергията, която се отделя при взаимодействието на литиев йон с молекула вода) от алкалните метали. Поради тази причина солите на лития със симетрични йони (сулфати, перхлорати) са по-разтворими във вода, отколкото съответните соли на натрия и калия. Литиевият хлорид се разтваря в органични разтворители – амилов алкохол, пиридин, ацетон и др. Най-близки са свойствата на калия, рубидия и цезия. Свойствата на лития се различават много от техните, а натрият е с междинно положение.
Aлкалните метали и електричният ток
Електричният ток е бил използван при откриването и получаването на първите количества литий, натрий и калий. Основният метод за получаване на литий и натрий е електролиза, а редукторите, с чиято помощ се получават калий, рубидий и цезий също са получени чрез електролиза. По този начин се получават и алкалните основи. Алкалните метали не само консумират електрическа енергия, но и я създават. При потапяне на метал в разтвор на негова сол възниква потенциална разлика, наречена електроден потенциал. Стойността на този потенциал зависи от вида метал, концентрацията на йоните, температурата и други. Стойността на потенциала при концентрация на йоните 1mol/l и температура 25°C се нарича нормален (стандартен) електроден потенциал. Двойките метал-метален йон, а също така и всяка двойка редуцирана-окислена форма могар да се подредят по стойностите на свойте нормални електродни потенциали. Тези стойности показват кой елемент ще може да измести или да бъде изместен от друг елемент. При конструирането на сплавите на галваничните елементи по стойностите на електродвижещата сила.
http://prikachi.com/files/736117a.jpg
Процесът на превръщане на метала в метален йон протича през няколко етапа, които зависят от конкретния случай. Първо се откъсва от решетката на метала метален атом, който след това се йонизира и накрая полученият йон взаимодейства с вода, хидратира се. Всички тези процеси са съпроводени с енергетични промени, които обуславят и стойността на потенциала. Когато става дума за молекула, енергията на хидратация е нула. Поради тази причина стойността на потенциала в стопилка или по-скоро разликата в потенциалите се определя преди всичко от стойностите на йонизационните енергии. В разтвор значително влияние оказва енергията на хидратация.
http://prikachi.com/files/736118N.jpg
http://prikachi.com/files/736119b.jpg
Литиевите батерий не променят капацитета и електродвижещата си сила до изтощаване на батерията и не зависят от температурата. В литиевите акумулатори, при над 100 цикъла на зареждане и изпразване специфичната им енергия остава между 100 и 200 ватчаса на килограм. В киселинните (оловните) и алкалните (никел-кадмиеви) акумулатори специфичната енергия е била само около 20 ватчаса на килограм. Създадени са системи натрий-сяра, представляващи галванични елементи с електродвижеща сила около 2 волта и специфична енергия 200 ватчаса на килограм. Те работят при температура 300 - 400°C.
Алкалните основи, преди всичко калиевата, намират приложение като електролити при всички видове алкални акумулатори и елементи. Към тях често се прибавя и литиевата основа за подобряване на работата им в батерии за микрокалкулаторите, електронни часовници, детски играчки и други. При тях електролитът е калиевата основа, а анодът и катодът – съответно Zn и HgO, Zn и AgO, Zn и O2 от въздуха и други.
Използване на алкалните метали и техните съединения
Литият не може да се използва за създаване на леки сплави, защото е много активен. Прибавен в малки количества към алуминиеви сплави, литият подобрява техните свойства.
Склерон: 12% цинк, 2% мед, 1% манган, 0.5% силиций, 0.1% литий, 84,4% алуминий.
Аерон: 4% мед, 0,1% литий и 95,5% алуминий.
Литият присъсва и в сплави на мангана, оловото, магнезия, среброто и други като им придава пластичност и здравина. Той проявява най-голяма склонност да образува органични съединения. Съединенията му се използват за получаване на рентгенови лъчи. Литият намира приложение и в ядрената енергетика. Той се използва като топлопреносител в реакторите. Приложението му е ограничено, защото е по-скъп от алкалните метали. Един от изотопите на лития е единственият източник за получаване на тритий:
http://prikachi.com/files/736122t.jpg
Този изотоп се използва и за получаване на деутериев хидрид, който е основа на водородната бомба. Има и безнеутронни реакции:
http://prikachi.com/files/736124t.jpg
Това е най-безопасното и лесно получаване на ядрена енергия
http://prikachi.com/files/736128X.jpg
Този амид намира приложение в органичния синтез например за получаване на изкусвено индиго и витамин А. Сплавта на натрия и оловото се използва за получаване на тетраетил олово. През XXв. то се използвало за повишаване на октановото число на бензина. При работата на двигателите с вътрешно горене оловото се изхвърля в атмосферата. Затова използването на тетраетилоловото бързо намаляло. Натрият се употребява и като катализатор например при получаването на бутадиенов каучук. Натриевите пари са били използвани при създаването на първата изкуствена комета. Това е станало на 3 април 1959г. от съветска ракета. Тази изкуствена комета се е виждала с просто око и е била на разстояние 113 000 километра. Парите на натрия намират приложение и в луминесцентното осветление. Калият, рубидият и цезият също имат приложения. Едно от най-важното приложение на рубидия и цезия е употребата им в йонните двигатели. Първоначално те са били използвани при корекция на орбитите на изкуствените спътници. Калият, както и натрия, намира приложение като катализатор при производството на някои видове каучук. Калий се използва и като редуктор при получаване на някои метали – титан, уран, торий, хром, цирконий и други. Главното приложение на рубидия и цезия се основава на лесното отделяне на електрони. Използват се във фотоелементи, електроннооптически преобразуватели, телевизионни електроннолъчеви тръби, токоизправители, термистори, пиезоелементи и други. В голяма част от тези прибори се използват съединенията им. Цезият се използва и в атомните часовници. При тях се използва излъчването на атомите. Точността на цезиевите часовници е ±1.10-11 секунди на месец. През 80-те години на ХХв. С помощта на специално конструирана апаратура цезиеви атоми били облъчвани с мощен лазер. Електроните се възбудили, в резултат на което атомът изведнъж напълнял няколко десетки хиляди пъти и за миг (опитът продължил за десета част от секундата) станал голям колкото една батерия.
Биологично значение на алкалните елементи
За растенията най-голямо значение от алкалните елементи най-голямо значение има калия. Той се намира в клетъчния сок. Той помага за образуването на въглеводороди и азотната обмяна. След фосфора и азота калия е най-нужен за тях. Торове: калиев хлорид, дикалиев сулфат, нитрофоска, калиева селитра и други. Хлорът и натрият в големи количества са вредни за растенията. За животните по-необходим е натрият. Тревопасните срещат трудности при намирането му, за разлика от месоядните. В клетките на животните се съдържа повече калий. Дневна доза натрий – 10-25g под формата на натриев хлорид, а калий – 1,5-2g. Излишъкът от сол води до високо кръвно налягане и нарушаване на дейността на важните органи. Литият има малко значение. Някои от неговите соли се използват при лечение на камъни в бъбреците и психични заболявания. В големи количества, литият е токсичен. Съединенията на рубидия и цезия нямат голямо значение. Между елементите, изграждащи живите организми има радиоактивни, затова всички същества са радиоактивни.