18.3. Щелочные металлы и их соединения

Элементы первой группы — литий, натрий, калий, рубидий и цезий — мягкие серебристо-белые металлы, отличающиеся высокой химической активностью. Эти металлы — прекрасные проводники электричества. Некоторые их физические свойства приведены в табл. 18.1. Данные таблицы показывают легкоплавкость перечисленных металлов: четыре металла из пяти плавятся ниже температуры кипения воды. Литий, натрий и калий легче воды. Пары щелочных металлов состоят преимущественно из одноатомных молекул; двухатомные молекулы присутствуют в парах лишь в незначительной концентрации; два атома в таких молекулах, например Li₂, соединены ковалентной связью.

Таблица 18.1. Некоторые свойства щелочных металлов

^а Для координационного числа 12.

^б Для катиона с единичным зарядом (например, для Na⁺), имеющего координационное число 6, как в кристалле хлорида натрия.

^в Энергия связи M₂ (г.) в кДж·моль⁻¹.

Щелочные металлы получают электролизом расплавленных гидроокисей или хлоридов (гл. 11). Ввиду высокой активности этих металлов их следует держать в атмосфере инертного газа или под слоем минерального масла. Щелочные металлы находят широкое применение в лабораториях в качестве химических реактивов; их применяют и в промышленности (особенно натрий) при производстве различных органических веществ, красителей, а также тетраэтилсвинца (составной части «этилированного бензина»). Натрий применяют при производстве вакуумных натриевых ламп; благодаря высокой теплопроводности его используют в охладительной системе авиамоторов (при помощи натрия отводится тепло от поршневых головок). Сплав натрия с калием применяют в качестве теплоносителя в атомных реакторах. Цезий находит применение в электронных лампах для повышения эмиссии электронов с катода.

Соединения натрия легко можно идентифицировать по желтому окрашиванию пламени. Литий окрашивает пламя в карминовый цвет, калий, рубидий и цезий — в фиолетовый. Все эти элементы можно идентифицировать и в присутствии натрия, если применить синий светофильтр из кобальтового стекла.

В природе литий встречается в виде минералов сподумена LiAlSi₂O₆, амблигонита LiAlPO₄F и лепидолита K₂Li₃Al₅Si₆O₂₀F₄. Хлорид лития LiCl получают сплавлением минерала, содержащего литий, с хлоридом бария BaCl₂ и последующим выщелачиванием расплава водой. Хлорид лития используют для получения других соединений лития.

Соединения лития находят применение в производстве стекла и глазурей для покрытия фарфоровых изделий.

Важнейшим соединением натрия является хлорид натрия (поваренная соль) NaCl. Эта соль кристаллизуется в виде бесцветных кубических кристаллов с температурой плавления 801 °C и обладает характерным соленым вкусом. В морской воде содержание хлорида натрия достигает 3%; эта соль встречается в виде залежей твердой каменной соли и концентрированных рассолов, выкачиваемых из скважин. Ежегодно из указанных источников вырабатывают миллионы тонн хлорида натрия, который применяют главным образом при производстве других соединений натрия и хлора, а также при производстве металлического натрия и газообразного хлора. Плазма крови и другие биологические жидкости живых организмов содержат около 0,9 г хлорида натрия в 100 мл.

Гидроокись натрия (едкий натр, или каустическая сода) NaOH представляет собой белое гигроскопичное (притягивающее воду) кристаллическое вещество, легко растворимое в воде. Растворы гидроокиси натрия напоминают мыльные растворы, но они сильно разъедают кожу (именно поэтому слово «едкий» вошло в ее название). Гидроокись натрия получают одним из двух методов: электролизом раствора хлорида натрия или действием гидроокиси кальция Ca(OH)₂ на карбонат натрия

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + 2NaOH

Карбонат кальция, будучи нерастворимым, выпадает при этой реакции в осадок, а гидроокись натрия остается в растворе. Гидроокись натрия находит широкое применение в лабораториях и служит очень важным реагентом в химической промышленности. Это соединение используют в мыловаренной и нефтеперерабатывающей промышленности, при производстве бумаги, тканей, искусственного шелка, целлюлозной пленки и многих других продуктов.

Хлорид калия KCl образует бесцветные кубические кристаллы, напоминающие кристаллы хлорида натрия. Известны очень мощные залежи хлорида калия вместе с другими солями: Стасфуртское месторождение (ГДР), месторождение близ Карловых Вар (ЧССР), в штате Нью-Мексико (США). Кроме того, хлорид калия добывают в США из воды Сирлского озера (Калифорния).

Гидроокись калия KOH — сильнощелочной реагент, обладающий свойствами, аналогичными свойствам гидроокиси натрия. Из солей калия, по свойствам напоминающим соответствующие соли натрия и имеющим важное значение, следует назвать сульфат калия K₂SO₄, карбонат калия K₂CO₃ и бикарбонат калия KHCO₃.

Кислый тартрат калия (винный камень) KHC₄H₄O₆ содержится в виноградном соке; кристаллы этого вещества иногда образуются в виноградном желе. Это соединение находит применение при производстве пекарского порошка.

Основное же применение соединения калия находят при производстве удобрений. Жидкости растений содержат большие количества ионов калия, извлекаемых из почвы, и поэтому для правильного развития растений необходимо, чтобы почва содержала соли калия. Удобрения, в состав которых входит сульфат калия или некоторые другие соли калия, следует применять на почвах, в которых недостает этого элемента.

Соединения рубидия и цезия очень похожи на соответствующие соединения калия. Они не находят сколько-нибудь важного промышленного применения.