Прямо сейчас вокруг вас повсюду щелочные металлы. Натрий содержится в поваренной соли, литий - в батарее телефона, а калий - в бананах. Щелочные металлы состоят из шести различных элементов, содержащихся в первом столбце периодической таблицы . Эти:
- литий (Li),
- натрий (Na),
- калий (К),
- рубидий (Rb),
- цезий (Cs)
- франций (фр.)
Они являются частью S-блока элементов периодической таблицы , которые, наряду с водородом, гелием, кальцием и другими, имеют внешний электрон на S-орбитали. Щелочные металлы - это мягкие металлы, которые обладают высокой реакционной способностью с водой и кислородом. Они такие мягкие, что их можно разрезать пластиковым ножом. Они также имеют серебристый блеск и являются отличными проводниками тепла и света.
Щелочные металлы называются так, потому что, реагируя с водой, они создают сильно щелочные вещества. Щелочность относится к pH вещества или способности нейтрализовать кислоту. Сильнощелочные вещества могут образовывать сильные основания, способные нейтрализовать кислоты и поддерживать стабильный уровень pH.
У каждого элемента есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и щелочные металлы не исключение. Ядра атомов окружают электроны - частицы с отрицательным зарядом. Эти электроны существуют в энергетических оболочках вокруг ядер атомов, каждый из которых может содержать различное количество электронов. Первая оболочка может содержать до двух электронов, второй до восьми, третьих, 18 и четвертого, 32. Именно эти оболочки электронов и , как щелочные металлы структурированы , которые делают их настолько реактивными.
Естественно, что все атомы хотят иметь полностью полную внешнюю оболочку из электронов. Однако все элементы в этом первом столбце периодической таблицы имеют по одному электрону на внешней оболочке. Эта самая внешняя оболочка также называется валентной оболочкой, а находящиеся в ней электроны называются валентными электронами.
Наличие только одного электрона во внешней оболочке позволяет атомам щелочных металлов легко достигать точек стабильности - им просто нужно потерять один электрон! Эта готовность и легкость потери электрона для достижения состояния равновесия известна как высокая реактивность. Фактически, реакционная способность в химии определяется количеством электронов во внешней оболочке. Благородные газы (такие элементы, как неон и гелий) очень инертны, потому что их внешние электронные оболочки заполнены.
«Поскольку щелочные металлы имеют только один валентный электрон, они обычно достигают этого состояния, отдавая этот электрон. В этом процессе щелочной металл окисляется, и все, что отнимает электрон у щелочного металла, восстанавливается. щелочные металлы любят отказываться от своего единственного валентного электрона », - говорит доктор Чип Натаро , профессор химии в колледже Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания. "Поскольку электроны имеют заряд -1, потеря электрона приводит к тому, что атом имеет заряд +1. Когда это происходит, атом называют ионом, а поскольку он будет иметь положительный заряд, его называют катионом. . Итак, все щелочные металлы любят образовывать катионы с зарядом +1 ».
Поскольку щелочные металлы обладают такой реакционной способностью, они обычно встречаются в природе вместе с другими металлами.
Если элемент очень реактивный, его сложнее найти естественным путем.
«Все эти элементы были впервые обнаружены в соединениях, [и] некоторые открытия трудно приписать из-за обилия и использования соединений», - говорит Натаро. «По мере того, как вы спускаетесь по таблице Менделеева, щелочные металлы становятся более склонными терять свой валентный электрон» и, таким образом, «количество элемента, обнаруженного в природе, также уменьшается, что приводит к более поздним датам открытия».
Когда были обнаружены щелочные металлы?
Литий был впервые обнаружен в 1817 году, когда шведский химик Йохан Август Арфведсон занимался анализом минеральной руды. Цезий и рубидий были открыты в 1860 и 1861 годах, соответственно, немецкими химиками Робертом Бунзеном (назвавшим горелку Бунзена своим именем) и Густавом Кирхгофом (разработавшим законы Кирхгофа для электрического тока). Франций, наиболее реактивный из известных нам в настоящее время щелочных металлов, был открыт в 1939 году французским ученым Маргерит Перей в Институте Кюри в Париже.
Натрий и калий, два очень распространенных щелочных металла, имеют неизвестные даты открытия, они использовались так долго. Но они не были выделены в чистом виде до 1807 года (известным химиком Хамфри Дэви). Рубидий не выделяли до 1928 года, также Бунзеном и Кирхгофом.
Одна из наиболее распространенных черт щелочных металлов - их реакционная способность к воде и воздуху . Эти элементы будут танцевать, шипя из-за образования газообразного водорода, и часто взрываются. Они становятся более реактивными, чем дальше вы идете по таблице Менделеева, при этом цезий и франций настолько реактивны, что могут загореться, просто оказавшись на воздухе. Элементы также увеличиваются в атомном радиусе, уменьшаются электроотрицательность и уменьшаются точки плавления и кипения по мере того, как вы перемещаетесь по таблице Менделеева.
Вы можете задаться вопросом, как в природе были обнаружены щелочные металлы, если они так бурно реагируют на воздух и воду. Оказывается, большинство щелочных металлов встречаются в природе в виде ионов из-за их сильного желания вступить в реакцию и потерять один валентный электрон. В ионной форме металлы гораздо менее химически активны.
Щелочные металлы в повседневной жизни
Щелочные металлы обладают интересной химической двойственностью, потому что они очень распространены в повседневной жизни, но также очень редко встречаются в необработанных элементарных формах.
Например, натрий не встречается в природе и должен быть получен из соединений. Натрий и калий являются важными элементами повседневной жизни, при этом натрий помогает регулировать кровяное давление и перемещать электролиты по клеткам. Натрий также соединяется с другими соединениями, чтобы получить поваренную соль и пищевую соду. Калий помогает регулировать кровяное давление и уровень глюкозы, он содержится в удобрениях. Литий, как упоминалось ранее, используется в производстве батарей, а также является лекарством, стабилизирующим настроение.
Более химически активные элементы, цезий, рубидий и франций, имеют меньшее естественное применение. Цезий используется в атомных часах , сверлении и создании оптического стекла среди других узкоспециализированных приложений. Рубидий используется в медицинской визуализации и электронных лампах. Франций, который встречается очень редко, не имеет большого коммерческого применения, но используется в исследованиях и для диагностики некоторых форм рака.
Наконец, все щелочные металлы также являются невероятно полезными учебными пособиями в области химии. Учителя любят демонстрировать принцип реакционной способности, бросая щелочной металл в воду только для того, чтобы класс с трепетом наблюдал, как он изрыгает огонь и взрывается.
Теперь это радиоактивно!
Франций - это самый редкий из щелочных металлов и второй по редкости элемент в земной коре (по оценкам, в земной коре содержится всего 340-550 граммов или около 1 фунта). Он также очень радиоактивен и имеет максимальный срок службы всего 22 минуты. Франций никогда не бросали в воду, потому что он такой редкий и такой дорогой, но ученые ожидают, что он будет иметь самую высокую реакцию среди всех щелочных металлов.
