Химия, элементы таблицы Менделеева - (реферат)

Развитие растений стимулируется красным освещением и угнетается синим. Вместе с тем на культуре лука было сделано интересное наблюдение: оказалось, что красное освещение способствует повышению содержания углеводородов, а синее— белков. По химическим свойствам щелочные металлы исключительно реакционноспособны (причем активность их по направлению от лития к цезию обычно возрастает). Во всех своих соединениях они одновалентны. Располагаясь в крайней левой части ряда напряжений, они энергично взаимодействуют с водой по схеме: 2 Э + 2 Н2О = 2 ЭОН + Н2.

При реакции с Li и Na выделение водорода не сопровождается его воспламенением, у К оно уже происходит, а у Rb и Cs взаимодействие протекает во взрывом. В соприкосновении с воздухом свежие разрезы Na и K (в меньшей степени Li) тотчас покрываются рыхлой плёнкой продуктов окисления. Ввиду этого Na и K хранят обычно под керосином. Нагретые на воздухе Na и K легко загораются, а рубидий и цезий самовозгораются уже при обычной температуре. При хранении металлического калия в соприкосновении с воздухом поверхность его постепенно покрывается более или менее толстым слоем пероксида (с промежуточной прослойкой из оксида). Пользование таким окислившимся калием (а также рубидием и цезием) иногда влечёт за собой сильные взрывы, обусловленные возникновением непосредственного контакта между пероксидом и металлом (например, при его разрезании). В случае натрия подобная опасность не грозит, так как при обычных условиях он окисляется только до оксида.

Хранить натрий и калий следует в плотно закрытых сосудах под слоем сухого и нейтрального керосина). Недопустим их контакт с кислотами, водой, хлорированными органическими соединениями (CСl4 и т. п. ) и твердым диоксидом углерода. Нельзя накапливать мелкие обрезки калия, которые окисляются особенно легко (из-за своей относительно большой поверхности). Неиспользованные остатки калия и натрия при малых их количествах уничтожают взаимодействием с избытком спирта, при больших—сжиганием на углях костра. Загоревшиеся в помещении щелочные металлы лучше всего тушить, засыпая сухим порошком кальценированной соды. С рядом металлов (Ag, Au, Cd, Zn, Pb и др. ) натрий сплавляется, тогда как с другими (Al, Fe, Ni, Cr, Mn и др. )сплавов не образует. Все щелочные металлы растворимы в ртути (хуже других— литий), причем с повышением температуры растворимость увеличивается. Натрием широко пользуются при синтезах органических соединений и отчасти для получения некоторых его производных. В ядерной технике он используется как теплоноситель. Создающий яркий жёлтый свет электрический разряд в парах натрия является наиболее экономичным (но неприятным по сообщаемым им окружающим предметам оттенкам) источником искусственного освещения с коэффициентом полезного действия тока до 70 %. Проведены успешные опыты по созданию натриевого электрокабеля (с полиэтиленовой обкладкой) для токов высокого напряжения. В виде амальгамы натрий часто применяется как энергичный восстановитель.

Литий имеет совершенно исключительное значение для термоядерной техники. В резиновой промышленности он используется при выработке искусственного каучука (как катализатор полимеризации), в металлургии—как ценная присадка к некоторым другим металлам и сплавам. Например, присадка лишь сотых долей процента лития сильно повышает твёрдость алюминия и его сплавов, а присадка 0, 4 % лития к свинцу почти в три раза повышает его твёрдость, не ухудшая сопротивления на изгиб. Имеются указания на то, что подобная же присадка цезия сильно улучшает механические свойства магния и предохраняет его от коррозии, однако такое его использование вряд ли вероятно из-за дороговизны металла: на мировом рынке (1960 г. ) и цезий и рубидий расценивались в 7, 5 раза дороже серебра.

Цезий применяется главным образом для изготовления фотоэлементов, а рубидий и его соединения пока почти не используются. Между тем скоро они будут получаться в больших количествах как один из продуктов переработки соликамских карналитов (содержащих 0, 003-0, 012 вес. % RbCl и около 0, 0002 вес. % CsCl). Поэтому важной становится проблема изыскания рациональных путей ассимиляции рубидия.

Пары калия находят интересное использование в установках для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую— магнитогидродинамических генераторах. Принцип их работы основан на том. что в пропускаемом с большой скоростью сквозь интенсивное магнитное поле сильно нагретом потоке частично ионизированного газа (“плазме”) возникает электрический ток. Так как пары калия сравнительно легко ионизируются, введение его соединений (например, K2CO3) в продукты сгорания топлива позволяют существенно повысить электропроводность плазмы при относительно низких температурах (порядка 2500 °С). Первый МГД— генератор мощностью 25 тыс. кВт уже работает в Москве. Другой интересный путь возможного использования относительно легкой ионизируемости атомов щелочных металлов связан с проблемойионного двигателя. Если ионизацией паров (например в электрической дуге) создать плазму , затем электрическим полем разделить ионы Э+и электроны, разогнать их при помощи ускорителей и вновь соединить у выхода из сопла ракеты, то вылетающий поток атомов создаёт реактивную тягу. Последняя очень мала, но может быть использована уже находящейся в космическом пространстве ракетой для постепенного набора скорости или изменения траектории полёта. Подсчёты показывают, что расходующий 500 г цезия в час ионный двигатель способен обеспечить космическому кораблю с массой в 1 тыс. т. ускорение порядка 1 м/с2и конечную скорость до 150 км/с. Источником энергии при этом должна быть атомная электростанция.

Жидкий в обычных условиях сплав (приблизительно 30-80 ат. % К) находит использование при органических синтезах. В лабораторных условиях его обычно готовят путем сдавливания очищенных от оксидных плёнок кусочков калия и натрия в фарфоровой ступке под слоем керосина (операция довольно опасна, так как взаимодействие сопровождается вспышками). В технике этим сплавом (заключённым в систему труб) пользуются иногда для быстрого переноса тепла. Интересно, что образование его сопровождается некоторым сжатием системы, но одновременно с этим ее сжимаемость не уменьшается, а возрастает. Также интересно, что при длительном пропускании сквозь жидкий сплав постоянного тока у анода накапливается не какой-либо один из двух металлов, а тот, которого в сплаве меньше. Вместе с тем результаты структурного исследования этого сплава говорят за наличие тенденции к образованию пар из разных атомов. При наличии следов влаги щелочные металлы воспламеняются в атмосфере хлора. Взаимодействие Cs, Rb и K с жидким бромом сопровождается сильным взрывом, тогда как Na и Li при обычных температурах реагируют только поверхностно. С иодом реакции протекают подобным же образом, но менее энергично. Во всех случаях взаимодействия с галогенами продуктом реакции является соответствующая соль (ЭГ).

Образование сульфида Э2S при растирании щелочного металла с порошком серы сопровождается взрывом. При нагревании в атмосфере водорода литий и его аналоги образуют гидриды ЭH, имеющие характер типичных солей, в которых отрицательным ионом является водород H-. С азотом и углеродом непосредственно соединяется только литий. Образование его нитрида Li3N медленно идет в атмосфере азота уже при обычных температурах. Напротив, карбид лития Li2C2 может быть получен из элементов лишь при нагревании. В соответствии с ходом изменения ионизационных потенциалов щелочных металлов можно было бы ожидать, что в ряду напряжений левее всех будет располагаться Сs, правее—Li. Наблюдаемое на опыте высокое значение нормального потенциала лития обусловлено большой энергией гидратации его положительного иона. Действительно, за счёт гидротации иона Э+ (по схеме: Э+ + aq Ы Э·) имеющее место у электрода равновесие Э Ы Э++ е должно смещаться вправо, и тем больше, чем энергичнее данный ион гидратируется. Этим же обусловлено и выравнивание нормальных потенциалов тяжёлых щелочных металлов.

Щелочные металлы растворимы в жидком аммиаке и некоторых органических аминах. Из раствора лития в жидком аммиаке был выделен нейтральный аммиакат Li(NH3)4, аналогичный подобным же соединениям щелочноземельных металлов, из раствора натрия в пиридине— тёмно-зелёный комплекс Na(C5H5N)2. Интересна растворимость калия (но не натрия) в тетрагидрофуране, диглиме и некоторых других эфирах— образующиеся разбавленные (лишь около 10-4моль/л) голубые растворы в отсутствии воздуха устойчивые. Аналогичный голубой раствор калия может быть при 0 °С получен и в воде (освобожденной от растворенного воздуха), но он неустойчив. Подобные системы, как и в случае жидкого аммиака содержат сольватированные катионы и поляроны. В водном растворе калия таким поляроном является гидратированный электрон — е’. Возникновение его по схеме К+ + aq Ы K• + e’связано с тем, что сумма теплот гидротации К+ (339 кДж/моль) и е’(159 кДж/моль) практически равна сумме теплот атомизации калия (88 кДж/моль) и ионизации его атома (420 кДж/моль). При отсутствии других возможностей (в частности окислителей) гидротированный электрон взаимодействует с водой по схеме е’+ Н2О Ы Н + ОН’(энергия активации 21 кДж/моль), причем К = [H][OH’]/[e’][H2O] = 7·10-7. Кислая Среда смещает равновесие вправо, щелочная — влево. Однако из-за реакции Н + Н = Н2 оно быстро нарушается. Довольно значительные концентрации гидратированных электроном могут быть получены пропусканием атомарного водорода в сильно щелочную среду (рН > 12). Атом водорода диссоциирует при этом по схеме Н + aqЫ H• + e’, т. е. ведёт себя как слабая кислота (К = 2·10-10). Как и всякий полярон е’представляет собой образование, в котором е поляризационно связан с частицами Среды. Предполагается, что электрон находится в тетраэдрическом окружении четырех молекул воды. Заряд его располагается, по-видимому, в области с радиусом 140 пм. Существует также предположение, что сольватируются не единичные электроны, а их пары (с антипараллельными спинами), т. е. раствор содержит ионы типа е2”. Наличие подобных сольватированных аммиаком электронных пар весьма вероятно для самих диамагнитных раствором натрия в жидком NH3.

Гидратированный электрон является чрезвычайно сильным восстановителем. Он способен восстанавливать некоторые ионы (Pb••, Cd••, Ni••, Co••, Cr•••, Zn••), не реагирующие с атомарным водородом и особенно активен по отношению к частицам с непарными электронами (NO и др. ). Его взаимодействие с катионами идет тем быстрее, чем выше их заряды и больше радиусы, а с анионами— чем их заряды ниже. Взаимодействие растворенного в жидком аммиаке щелочного металла с монооксидом углерода сопровождается образованием белых (или имеющих бледные цветные оттенки) солеобразных продуктов состава ЭСО. Строение их отвечает формуле Э2+[OCєCO]2-. Те же продукты могут быть получены прямым взаимодействием щелочных металлов (кроме Li) c монооксидом углерода при температурах ниже 230 °С (тогда как при более высоких температурах образуются соли гексаоксибензола— М6С6О6). Таким образом, рассматриваемые соединения являются в действительности не карбонилами щелочных металлов, а производными оксиацетилена (или гексаоксибензола).

Вещества эти гидроскопичны и пирофорны. Нагревание их в вакууме сопровождается разложением по схеме:

    2 Э2С2О2 = Э2СО3 + Э2О + 3 С.

С водой они взаимодействуют бурно (вплоть до взрыва). При обработке белого Na2C2O2водяным паром он становится красным, затем фиолетово-чёрным, после чего за несколько дней превращается в вязкую красную жидкость. Подобная же обработка черного К2С2О2 ведёт к его покраснению, а затем пожелтению. Первоначально жёлтый раствор К2С2О2в большом количестве воды быстро краснеет. При упаривании он вновь желтеет. Из него были выделены тёмно-жёлтые кристаллы кроконата калия— К2С5О5(кроконовая кислота представляет собой пятичленный цикл из трех групп СО и двух СОН с двойной связью между ними.

Образование взрывчатого К2С2О2может происходить также при прокаливании смеси поташа с углем. Поэтому для получения металлического калия такой метод непригоден.

При действии СО2 на осажденный в вакууме тонкий слой цезия образуется синее вещество состава Cs2CO2. Так как оно гидролизуется по схеме: CsCO2 + H2O = CsOH + HCOOCs,

строение его должно отвечать формуле CsCOOCs (т. е. оно может рассматриваться как продукт замещения на цезий обоих атомов водорода муравьиной кислоты). Нагреванием под вакуумом сопровождается частичным отщеплением цезия с образованием его оксалата:

    2 CsCOOCs = 2 Cs + Cs2C2O4.

Металлический цезий способен присоединять этилен с образованием твердого коричневого продукта С2Н4Cs2. Водой это соединение разлагается на С2Н6и CsOH. В реакцию с бензолом цезий медленно вступает уже при обычных температурах, образуя черный осадок С6Н5Cs (который на воздухе самовоспламеняется). Рубидий реагирует подобным же образом, но лишь при 70 °С. Другие щелочные металлы с бензолом не взаимодействуют.

При сгорании щелочных металлов в избытке кислорода образуются соединения следующего состава и цвета:

    Li2O Na2O2 KO2 RbO2 CsO2
    белый белый жёлтый жёлтый жёлтый

Из всех этих веществ нормальным оксидом является только Li2O, а остальные представляют собой пероксидные соединения. Практическое применение находит главным образом пероксид натрия (Na2O2). Технически ее получают окислением при 350 °С распыленного металлического натрия:

    2 Na + O2 = Na2O2 + 510 кДж.

Образующийся продукт обычно представляет собой порошок или крупинки желтоватого цвета.

    Взаимодействие Na2O2 c водой сопровождается гидролизом:
    Na2O2 + 2 H2O Ы 2 NaOH + H2O2 + 142 кДж.

На выделении Н2О2при этой реакции основано использование пероксида натрия для отбелки различных материалов. Взаимодействие Na2O2 c диоксидом углерода по схеме: 2 Na2O2 + 2 CO2 = 2 Na2CO3 + O2 + 464 кДж

служит основой применения пероксида натрия как источника кислорода в изолирующих противогазах и на подводных лодках. С легко окисляющимися веществами пероксид натрия реагирует настолько энергично, что взрыв может иногда последовать уже при простом соприкосновении.

Чистый Na2O2бесцветен, но поступающий в продажу препарат обычно имеет желтую окраску (из-за примеси около 10 % NaO2).

Термическое разложение пероксида натрия происходит по схеме: 2 Na2O2 = 2 Na2O + O2

начинает становиться заметным уже с 400 °С, а давление кислорода в одну атмосферу достигается при 636 °С. Под его избыточным давлением Na2O2 плавится при 600 °С. При взаимодействии Na2O2 с водой происходит сильное разогревание, обусловленное образованием гидрата Na2O2·8H2O. Известно также кристаллическое соединение состава Na2O2·2H2O2·4H2O, теряющее воду при хранении в эксикаторе над серной кислотой. Аналогичное соединение калия кристаллизуется без воды. Оба вещества могут быть получены путем обработки соответствующих гидроксидов крепким пероксидом водорода при 0 °С.

При осторожной обработке пероксида натрия охлажденным до 0 °С спиртом по реакции:

    Na2O2 + C2H5OH = C2H5ONa + NaOOH

в виде белого порошка осаждается кислая соль пероксида водорода. Вещество это — гидропероксид натрия — отдаёт кислород еще легче, чем Na2O2, а с диоксидом углерода образует NaHCO4. Чистый или содержащий различные добавки (например, хлорной извести с примесью солей никеля или меди) пероксид натрия носит техническое название “оксилит”. Смешанные препараты оксилита особенно удобны для получения кислорода, который выделяется ими под действием воды. Спрессованный в кубики оксилит может быть использован для получения равномерного тока кислорода в обычном аппарате для получения газов.

При сжигании лития в токе кислорода наряду с Li2O образуется также небольшие количества пероксида лития — Li2O2. В индивидуальном состоянии он может быть получен взаимодействием кипящего раствора LiOH (2 г/л) с 30 % раствором Н2О2. Образующийся осадок состава Li2O2·H2O2·3H2O промывают спиртом и затем выдерживают под вакуумом над фосфорным ангидридом (что ведёт к потере и Н2О и Н2О2). Термическое разложение пероксида лития по схеме: 2 Li2O2 = 2 Li2O + O2

    наступает около 300 °С.

Нехарактерные для К, Rb и Cs пероксиды Э2О2могут быть получены в виде белых (или желтоватых) осадков действием точно рассчитанного количества кислорода на растворы соответствующих металлов в жидком аммиаке. Избытком кислорода они легко переводятся в надпероксиды ЭО2 (причем промежуточно образуются смеси Э2О2 и ЭО2 в том числе состава Э2О3). По окислительным свойствам все пероксиды Э2О3 других щелочных металлов похожи на пероксид натрия. Характерные для K, Rb и Cs надпероксиды ЭО2могут быть получены сжиганием металлов на воздухе [их теплоты образования из элементов практически одинаковы: 284 (K, Rb) или 288 (Cs) кДж/моль]. Они представляют собой твёрдые жёлтые вещества, кристаллические решётки которых подобны решётки СаС2.

    Термический распад надпероксидов по схеме:
    ЭО2 ® Э2О3 ® Э2О

начинает становиться заметным около 400 °С (по другим данным, при атмосферном давлении КО2 устойчив до 530 °С). С водой они реагируют по схеме: 2 ЭО2 + 2 Н2О = 2 ЭОН + Н2О2 + О2

(в случае К2О тепловой эффект равен 54 кДж/моль), а со способными окисляться веществами реакции протекают настолько бурно, что могут сопровождаться взрывом. Надпероксид калия (КО2) нередко вводится в состав оксилита. Его взаимодействие с углекислым газом идет в этом случае по суммарному уравнению:

    Na2O2 + 2 KO2 + 2 CO2 = Na2CO3 + K2CO3 + 2 O2 + 420 кДж,

т. е. диоксид углерода заменяется равным объемом кислорода. Нагреванием Na2O2до 400 °С под давлением кислорода в 150 атм может быть получен надпероксид натрия NaO2аналогичный соответствующим производным K, Rb и Cs, но менее устойчивый и характеризующийся решеткой типа пирита с d(OO) = 133 пм. Теплота его образования из элементов равна 259 кДж/моль. Это жёлтый гигроскопичный порошок, быстро разлагающийся во влажном воздухе. При 100 °С надпероксид натрия взаимодействует с монооксидом углерода по уравнению:

    2 NaO2 + CO = Na2CO3 + O2.

Аналогично идет реакция с диоксидом углерода при обычной температуре, но ниже 10 °С образуется надкарбонат:

    2 NaO2 + 2 CO2 = Na2C2O6 + O2 NaO2.

При -80 °С цвет NaO2 меняется на белый, что сопровождается изменением также магнитных свойств. Взаимодействие O3 с суспензией Li2O2 во фреоне-12 при -65 °С было получено жёлтое твёрдое вещество с содержанием до 45 % LiO2. Этот надпероксид способен существовать лишь ниже -35 °С. По строению он подобен надпероксиду натрия. Кроме щелочных металлов надпероксиды известны только для элементов подгруппы кальция. В индивидуальном состоянии они не выделены, но разложением при определенных условиях пероксидных производных типа ЭО2·2Н2О2 были получены смеси состава хЭ(ОН)2·уЭО2·zЭ(O2)2со следующим максимальным содержанием надпероксидов (вес. %): 40 (Ca), 30 (Sr) и 11 (Ba). При хранении вне контакта с воздухом они устойчивы, и с водой бурно взаимодействуют, отщепляя надпероксидный кислород. Из производных комплексных катионов получен устойчивый до 100 °С жёлтый надпероксид тетраметиламмония— [N(CH3)4]O2 (т. пл. 97 °С). Лежащий в основе надпероксидов радикал гидропероксид НО2способен существовать лишь ничтожные доли секунды, после чего распадается по схеме:

    2 НО2 = Н2О2 + О2.

Однако некоторые его характеристики известны: теплота образования из элементов составляет 21 кДж/моль. Энергия связи Н-О2 оценивается в 196, 5 кДж/моль. Сочетание двух таких радикалов могло бы дать надпероксид водорода — Н2О4. Существует предположение, что она частично образуется в результате взаимодействия атомарного водорода с твердым озоном при-196 °С по схеме: 2 Н + 2 О3 = 2 НО2 + О2 = Н2О4 + О2.

Кроме рассматривавшихся выше пероксидных производных для Na, K, Rb и Cs уже давно были известны озониды. Вещества эти образуются в виде оранжево-красной корки на поверхности омываемых током озона твердых гидроксидов. Используя их растворимость в жидком аммиаке (например, до 15 г/100 г NH3 для соли калия), удается выделить озониды ЭО3 в более или менее чистом состоянии. Образование лучше всего изученного озонида калия протекает по суммарной схеме: 4 KOH + 4 O3 = 4 KO3 + O2 + 2 H2O

(причем вода связывается избыточным КОН). Энергия активации этой реакции составляет лишь 12, 5 кДж, а теплота образования КО3 из элементов равна 259 кДж/моль. 2 KO3 + 2 KO2 + O2 + 192 кДж/моль

уже в обычных условиях (быстро и нацело реакция протекает при +60 °С). Водой он мгновенно разлагается по суммарной схеме: 4 KO3 + 2 H2O = 4 KOH + 5 O2

(по-видимому, с промежуточным образованием радикалов ОН). Озонид калия является типичной солью, образованной ионами K+ и O3- [с параметрами d(OO) = 134 пм и РOOO = 100°]. Аналогичные свойства имеют и другие рассматриваемые озониды, причем устойчивость их по ряду Na-K-Rb-Cs возрастает. Так, NaO3 быстро распадается уже при -10 °С, а CsO3 — лишь при 100 °С. Последняя соль была синтезирована взаимодействием CsO2с озонированным кислородом. Для всех озонидов характерно сильное светопоглощение в области 400-500 нм.

Для лития озонид известен лишь в форме красного аммиачного комплекса [Li(NH3)4]O3 разлагающегося при отщеплении NH3. Получен также красный —NH4O3, уже выше -126 °С разлагающийся по уравнению: 4 NH4O3 = 4 H2O + 2 NH4NO3 + O2.

Гораздо устойчивее (до 25 °С) красный озонид тетраметиламмония — [N(CH3)4]O3. Нормальные оксиды щелочных металлов (за исключением Li2O) могут быть получены только косвенным путем. Они представляют собой твёрдые вещества следующих цветов:

    Li2O Na2O K2O Rb2O Cs2O
    белый белый белый жёлтый оранжевый.

Оксид лития гидратируется сравнительно медленно. Напротив, оксиды остальных щелочных металлов реагируют с водой весьма энергично. Взаимодействие протекает по схеме:

    Э2O + H2O = 2 ЭOH
    и сопровождается большим выделением тепла.

Гидроксиды ЭOH щелочных металлов представляют собой бесцветные, очень гигроскопичные вещества, разъедающие большинство соприкасающихся с ними материалов. Отсюда их иногда употребляемое в практике название—едкие щелочи. Все они сравнительно легкоплавки и летучи без разложения (кроме отщепляющей воду LiOH).

В воде гидроксиды щелочных металлов хорошо растворимы (хуже других — LiOH), причем почти нацело диссоциированы на ионы Э• и OH’. Так как эта диссоциация больше, чем у гидроксидов всех других металлов, едкие щелочи являютсясамыми сильными основаниями.

Гидроксид натрия (иначе: едкий натр, каустическая сода) потребляется многими отраслями промышленности. Ее ежегодная мировая выработка исчисляется миллионами тонн, причем бульшая часть добывается электролизом растворов NaCl. Реже пользуются обменным разложением соды с гашеной известью:

    Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3Ї + 2 NaOH
    Реакция эта использовалась еще в древнем Египте.

Из гидроксидов других щелочных металлов значительное практическое применение находит только КОН (“едкое кали”). Вырабатывают его обычно электролизом растворов КCl.

Получаемый сжиганием металла Li2O содержит примесь Li2O2. Чистый оксид лития может быть получен термическим разложением Li2СО3 (при 700 °С в вакууме). Применительно к оксиду натрия наилучшие результаты дает взаимодействие в вакууме NаN3 с NаNО3, протекающее по реакции:

    5 NаN3 + NаNО3 = 8 N2 + 3 Nа2О.

Оксиды К, Rb и Сs рекомендуется получать путем окисления расплавленных металлов недостаточным количеством кислорода с последующей отгонкой избытка металла в вакууме. Теплоты образования оксидов Э2О из элементов равны (кДж/моль): 598 (Li), 414 (Nа), 359 (К), 330 (Rb), 318 (Сs). Производные Li-Rb кристаллизуются по типу СdI2 (рис. Х11-37), а Сs2О — по типу СaF2(рис. Х111-69) с обратным расположением катионов и анионов [d(ОСs) = 286, d(СsСs) = 419 пм]. Оксид лития входит в состав специальных стекол (10-24 % Li2O, 2-13 % ВеО, 70-83 % В2О3), прозрачных для рентгеновских лучей. При нагревании белый К2О желтеет, бледно-желтый Rb2О краснеет, а оранжевый Сs2О становится почти черным. Для точек плавления и кипения оксида лития даются значения 1570 и 2600 °С, однако гораздо раньше начинается его испарение, сопровождавшееся частичной диссоциацией на элементы (степень которой при 1000°С оценивается в 10 %). Молекула Li2О, по-видимому, линейна с d(LiO) = 160 пм. По ряду Li-Сs летучесть оксидов возрастает, Так, при давлении 10-5 мм рт. ст. Li2O до 980 °С испаряется очень незначительно, испарение Nа2О становится заметным около 670, К2О — около 430, а Сs2О — около 350 °С. Приблизительно при тех же температурах начинается дисмутация оксидов Nа, К, Rb, Сs по схеме 2 Э2О = Э2О2 +2 Э. Расчетным путем было показано, что выше 1800 °С натрий с кислородом не взаимодействует. Некоторые свойства гидроксидов щелочных металлов сопоставлены ниже:

    LiOH
    NaOH
    KOH
    RbOH
    CsOH
    Теплота образования из Э2О кДж/моль
    46, 4
    75, 7
    102
    105, 8
    104, 9
    Плотность, г/см3
    1, 4
    2, 1
    2, 1
    3, 2
    3, 7
    Энергия кристаллической решетки,
    кДж/моль
    857
    736
    640
    614
    568
    Т плавления, °С
    473
    321
    405
    382
    346
    Растворимость, моль/л Н2О
    при 15 °С
    5, 1
    15, 9
    19, 2
    17, 9
    25, 8
    при 20 °С
    5, 2
    29, 8
    22, 5
    16, 9
    20, 2
    Теплота растворения, кДж/моль
    21, 3
    43, 0
    55, 2
    61, 9
    71, 1

Расплавленные гидроксиды щелочных металлов имеют в основном ионную структуру. Так как они сильно разъедают стеклянную, фарфоровую и (при доступе воздуха) платиновую посуду, для их плавления пользуются сосудами из серебра, никеля или железа. Содержащая 50 мол. % каждого компонента система NаОН + КОН плавится при 170°С.

Взаимодействие расплавленного гидроксида натрия со способными окисляться металлами идет в основном по схеме (для двухвалентного М)

    2 NаОН + М = MO + Nа2О + Н2

причем практически нерастворимый в расплавленных щелочах водород уходит из сферы реакции. По такому типу реагируют, например, Тl, Та, Сr, Мn. В качестве вторичных реакций иногда могут фигурировать различные другие процессы, например

    Nа2О + MO = Nа2MО2 (у Ве)
    или Nа2О + М = МО + 2 Nа (при избытке M)
    С металлическим натрием расплав NаОН реагирует по схеме:
    2 Nа + NаОН Ы NaH + Na2O

Нагревание гидроксида лития выше точки плавления ведет к термическому разложению по схеме

    2 LiOН = Li2O + Н2О

которое становится заметным примерно важных для техники веществ —едкой щелочи и свободного хлора. В качестве побочного продукта получается также водород.

Важнейшим условием правильной работы электролитической установки является отсутствие взаимодействия между образующимися продуктами (щелочью и хлором), что может быть достигнуто возможно полным исключением перемешивания анодной и катодной жидкостей. При особенно часто применяемом диафрагменном методе (рис. Ч11-4) анодное и катодное пространства отделяются друг от друга диафрагмой из хорошо проницаемого для жидкостей асбестового картона. Анод изготовляется из графита, катод—из железа. В процессе злектролиза раствор щелочного хлорида непрерывно подается в анодное пространство, а из катодного непрерывно вытекает раствор смеси щелочного хлорида и щелочи. При его упаринании хлорид выкристаллизовывается (растворимость NаСl в 50 %-ном растворе NаOH равна лишь 0, 9%). Полученный раствор NаОН выпаривают в железных чанах, после чего сухой остаток переплавляют.

Принципиальная схема установки для электролиза NаСl по ртутному методу показана на рис. Х111-23. В электролизере (А) с гра

фитовым анодом (1) и ртутным катодом (2) натрий выделяется на ртути и образует амальгаму, которая переводится в разлагатель (Б), где разлагается горячей водой. Образующийся раствор NаОН идет на концентриронание, а ртуть перекачивается насосом (8) обратно в электролизер. Получаемая по ртутному методу шелочь отличается большой чистотой.

Ионы щелрчных металлов бесцветны. Почти все соли, образуемые ими с обычными кислотами, хорошо растворимы и противоположность выделяющимся, как правило, без кристаллизационной воды солям К, Rb и Сs для солей лития образование кристаллогидратов весьма характерно. Натрий занимает промежуточное положение. Соли щелочных металлов и слабых кислот вследствие гидролиза показывают в растворе щелочную реакцию. Комплексные соединения с ионом щелочного металла в качестве комплексообразователя малоустойчивы (они известны лишь для Li и Nа). Напротив, весьма многочисленны комплексные производные, у которых ионы щелочного металла располагаются во внешней сфере. Многие из подобных комплексов отличаются большой устойчивостью, которая по ряду Li-Сs обычно возрастает. Из труднорастворимых солей натрия наиболее практически важен гексагидроксоантимонат— Nа[Sb(ОН)6], осаждением которого пользуются в аналитической химии для открытия натрия. У лития, как правило, малорастворимы соли слабых неорганических киcлот и хорошо растворимы—соли сильных. Для калия, рубидия, цезия и франция характерна малая растворимость перхлоратов и хлороплатинатов.

С солями щелочных металлов во многих отношениях сходны соли а м м о н и я. Этот комплексный катион с эффективным радиусом 143 пм по размерам и ряду свойств располагается между К и Rb: многие соли аммония кристаллизуются изоморфно с солями К и Rb, сходны с ними по растворимости и т. д.

Галогениды соли рассматриваемых элементов представляют собой довольно тугоплавкие кристаллические вещества, за исключением LiF (и отчасти NаF), хорошо растворимые в воде. Наибольшее практическое значение из них имеет NаСl. Помимо потребления с пищей (отсюда название—поваренная соль) громадные количества хлористого натрия используются промышленностью. Его ежегодное мировое потребление исчисляется десятками миллионов тонн.

Источниками промышленного получения NаCl служат, с одной стороны, природные залежи каменной соли, с другой—моря и соленые озера (Баскунчак и др. ). Из залежей каменная соль просто выламывается и затем измельчается. Такая соль часто бывает настолько чиста, что не требует дальнейшей очистки. Из морей и соленых озер NаСl добывают упариванием раcсолов под действием солнца или вымораживанием воды. В настоящее время лишь изредка применяется обычный ранее способ выварки соли за счет сжигания топлива. Получаемая из рассолов соль часто бывает загрязнена примесями (главным образом ионов Са2+, Мg2+ и SO42-) и во влажном воздухе отсыревает. Напротив, чистая поваренная соль негигроскопична. Из других галогенидов щелочных металлов громадное значение имеет КСl— основа калийных удобрений.

Большинство галоидных солей шелочных металлов кристаллизуется по типу NаС1. Исключениями являются СьС1, СвВг и Сз1, для которых характерна структура центрированного куба (рис. Х11-12).

Бесцветность и прозрачность кристаллов щелочных галогенидов обусловлены практическим отсутствием их взаимолействия с видимым светом. Как видно из рис. Х111-24, кристалл NaСl имеет участки поглощения лишь в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Уменьшение ионных радиусов благоприятствует повышению прозрачности в ультрафиолетовой, а их увеличение—в инфракрасной области. Поэтому лучше всего пропускает ультрафиолетовые лучи LiF (доl = 108 нм), а инфракрасные — СsI (до l= 54 мк). Так как в отношении прозрачности к тем и лругим лучам щелочные галогениды превосходят остальные обычные материалы (рис. ХII-58 и Х11-59), ими пользуются при конструировании некоторых оптических приборов. Активированные примесью солей таллия кристаллы NаI или СsI дают вспышки видимого света (“сцинтилляции”) под действием радиоактивного излучения, что также находит использование при конструкровании некоторых приборов.

Температуры (° С) и теплоты (кДж/моль) плавления щелочных галидов сопоставлены ниже:

    Li
    Na
    K
    Rb
    Cs
    F
    848
    27, 1
    995
    32, 6
    856
    28, 4
    798
    25, 9
    682
    21, 7
    Cl
    607
    20, 1
    800
    28, 0
    772
    26, 3
    717
    23, 8
    645
    20, 1
    Br
    550
    17, 6
    750
    25, 9
    680
    25, 5
    680
    23, 4
    638
    23, 4
    I
    449
    14, 6
    662
    23, 4
    640
    23, 8
    640
    22, 2
    622
    23, 4

Сплав состава (мол. %) 46, 5 LiF, 11, 5 NаF и 42, 0 КF плавится при 454 °С, т. е. гораздо ниже каждого из фторидов в отдельности. Закристаллизованные в трубке и медленно охлажденные нити СsВr и СsI имеют волокнистую текстуру и обладают высокой пластичностью.

Расплавы щелочных галидов имеют, в основном, ионный характер. Однако рентгеноструктурным исследованием было установлено, что среднее расстояние между катионами и анионами в жидкости несколько меньше (а между ионами одинакового заряда несколько больше), чем в кристалле. Например, для КСl вблизи температуры плавления оно равно 310 пм против 314 пм для кристалла. Так как это среднее расстояние имеет статистическую природу, в жидкости должны существовать и отдельные молекулы КСl (d = 267 пм).

Расплавы галидов Nа и его аналогов хорошо растворяют соответствующие свободные металлы, причем растворимость возрастает по рядам Nа < К < Rb < Сs и F < Сl < Вr < I. Выше определенныс температур (например, 1080°С для NаСI) наблюдается даже полная смешиваемость. Охлаждение расплава NаСl + Nа 700 сопровождается выделением кристаллов поваренной соли, окрашенных в синий цвет (который обусловлен, по-видимому, располагающимися в анионных вакансиях свободными электронами).

Интересны имеющие место в расплавах реакции взаимного вытеснения щелочных металлов, например, по схеме

    КF + Nа Ы NаF + К

Равновесия этих процессов иногда оказываются смещенными в сторону вытеснения менее активным щелочным металлом более активного.

Из сплавов щелочных галидов друг с другом наиболее интересна эвтектическая система LiСl-КСl. Прежде всего ею обычно пользуются при электролитическом получении металлического лития. Затем она может служить средой для криоскопии и изучения некоторых реакций. Например, было показано, что растворенные в ней фторотитанаты Li, Nа и К диссоциированы по схеме М2ТiF6 = 2 М++ 2 F- + ТiF4, а для систем VO43- Ы VО3- + O- и 2 VO3- Ы V2О5 + O2- были найдены приближенные значения констант равновесия (соответственно 2·10-6 и 1·10-4). При сплавлении каких-либо двух щелочных галидов происходит обмен ионами в соответствии со схемой АХ+ ВУЫАУ + ВХ. Направления смешений равновесия в подобных ионных системах без растворителя определяются тем, что энергетически выгоднее образование солевых пар из наименьших ионов, с одной стороны, и из наибольших—с другой. Например, система NаС1+ RbI более устойчива, чем система NаI+ RbCl. По-видимому, подобным же преобладанием взаимодействия одинаковых атомов над взаимодействием разных обусловлена структура металлических эвтектик. При сравнительно низких температурах (вблизи точек плавления) пары щелочных галидов содержат не только простые молекулы ЭГ, но и некоторую долю полимеров (ЭГ)n. Устойчивость последних, в общем, уменьшается с ростом ионных радиусов, т. е. по рядам Li > Nа > К > Rb > Сs и F > Сl > Вr > I. Так, пар фтористого лития содержит приблизительно 49% LiF, 36 % Li2F2, 15% Li3F3(и, возможно, очень иебольшие количества более высоких полимеров), пар хлористого натрия— 4 % NаCl, 25 % Nа2Сl2 и 1 % Nа3Сl3, а пар иодистого цезия — 97 % СsI и 3 % Сs2I2. Структурно были изучены некоторые димеры Li2Г2. По-видимому, они представляют собой плоские ромбы. Для d(LiГ) и РГLiГ даются значения соответственно 223 пм и 108° (Сl), 235 пм и 110° (Вr), 254 пм и 116° (I). Растворимость щелочных галогенидов показана дается в приводимой сводке: Растворимость в воде (моль/л при 18 °С)

    Li
    Na
    K
    Rb
    Cs
    F
    0, 1
    1, 1
    15, 9
    12, 5
    24, 2
    Cl
    18, 6
    5, 8
    4, 5
    7, 2
    10, 9
    Br
    20, 3
    8, 6
    5, 4
    6, 5
    5, 6
    I
    12, 2
    11, 8
    8, 6
    7, 2
    2, 8

Минимум растворимости как будто намечается для солей элементов с близкими значениями атомных весов (NаF-КСl-RbВr-СsI). Однако подобные закономерности имеют случайный характер, так как с изменением температуры относительные растворимости отдельных солей могут меняться местами (например, NаСl и КВr). Для NаF было показано, что растворимость его до 100°С возраcтает, а при дальнейшем повышении температуры последовательпо уменьшается.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30