Для щелочных металлов характерно. Какими свойствами обладают щелочные элементы

Щелочные металлы — общее название элементов 1-й группы периодической системы химических элементов. Ее состав: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr), и гипотетический элемент — унуненний (Uue). Наименование группы произошло от названия растворимых гидроксидов натрия и калия, обладающих реакцией и вкусом щелочи. Рассмотрим общие черты строения атомов элементов, свойства, получение и применение простых веществ.

Устаревшая и новая нумерация группы

По устаревшей системе нумерации щелочные металлы, занимающие крайний слева вертикальный столбец таблицы Менделеева, относятся к I-А группе. В 1989 году в качестве основного Международный химический союз (IUPAC) предложил иной вариант (длиннопериодный). Щелочные металлы в соответствии с новой классификацией и сплошной нумерацией относятся к 1-й группе. Открывает эту совокупность представитель 2-го периода — литий, завершает ее радиоактивный элемент 7-го периода — франций. У всех металлов 1-й группы во внешней оболочке атомов содержится один s-электрон, который они легко отдают (восстанавливаются).

Строение атомов щелочных металлов

Для элементов 1-й группы характерно наличие второго энергетического уровня, повторяющего строение предшествующего инертного газа. У лития на предпоследнем слое — 2, у остальных — по 8 электронов. В химических реакциях атомы легко отдают внешний s-электрон, приобретая энергетически выгодную конфигурацию благородного газа. Элементы 1-й группы обладают малыми величинами энергии ионизации и электроотрицательности (ЭО). Они легко образуют однозарядные положительные ионы. При переходе от лития к францию возрастает количество протонов и электронов, радиус атома. Рубидий, цезий и франций легче отдают внешний электрон, чем предшествующие им в группе элементы. Следовательно, в группе сверху вниз увеличивается восстановительная способность.

Легкая окисляемость щелочных металлов приводит к тому, что элементы 1-й группы существуют в природе в виде соединений своих однозарядных катионов. Содержание в земной коре натрия — 2,0%, калия — 1,1%. Другие элементы в ней находятся в малых количествах, например, запасы франция — 340 г. Хлорид натрия растворен в морской воде, рапе соленых озер и лиманов, образует залежи каменной или поваренной соли. Вместе с галитом встречаются сильвинит NaCl . KCl и сильвин KCl. Полевой шпат образован алюмосиликатом калия K 2 . В воде ряда озер растворен карбонат натрия, а запасы сульфата элемента сосредоточены в акватории Каспийского моря (Кара-Богаз-Гол). Встречаются залежи нитрата натрия в Чили (чилийская селитра). Существует ограниченное число природных соединений лития. В качестве примесей к соединениям элементов 1-й группы встречаются рубидий и цезий, а франций находят в составе урановых руд.

Последовательность открытия щелочных металлов

Британский химик и физик Г. Дэви в 1807 году провел электролиз расплавов щелочей, впервые получив натрий и калий в свободном виде. В 1817 году шведский ученый Иоганн Арфведсон открыл элемент литий в минералах, а в 1825-м Г. Дэви выделил чистый металл. Рубидий был впервые обнаружен в 1861 году Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Немецкие исследователи анализировали состав алюмосиликатов и получили в спектре красную линию, соответствующую новому элементу. В 1939 году сотрудница Парижского института радиоактивности Маргарита Пере установила существование изотопа франция. Она же дала название элементу в честь своей родины. Унуненний (эка-франций) — предварительное название нового вида атомов с порядковым номером 119. Временно используется химический символ Uue. Исследователи с 1985 года предпринимают попытки синтеза нового элемента, который станет первым в 8-м периоде, седьмым в 1-й группе.

Физические свойства щелочных металлов

Почти все щелочные металлы обладают серебристо-белым цветом и металлическим блеском на свежем срезе (цезий имеет золотисто-желтую окраску). На воздухе блеск тускнеет, появляется серая пленка, на литии — зеленовато-черная. Этот металл обладает наибольшей твердостью среди соседей по группе, но уступает тальку — самому мягкому минералу, открывающему шкалу Мооса. Натрий и калий легко сгибаются, их можно разрезать. Рубидий, цезий и франций в чистом виде представляют тестообразную массу. Плавление щелочных металлов происходит при относительно низкой температуре. Для лития она достигает 180,54 °С. Натрий плавится при температуре 97,86 °С, калий — при 63,51 °С, рубидий — при 39,32 °С, цезий — при 28,44 °С. Плотность щелочных металлов меньше, чем родственных им веществ. Литий плавает в керосине, поднимается на поверхность воды, калий и натрий также всплывают в нем.

Кристаллическое состояние

Кристаллизация щелочных металлов происходит в кубической сингонии (объемно-центрированной). Атомы в ее составе обладают зоной проводимости, на свободные уровни которой могут переходить электроны. Именно эти активные частицы осуществляет особую химическую связь — металлическую. Общность строения энергетических уровней и природа кристаллических решеток объясняют сходство элементов 1-й группы. При переходе от лития к цезию возрастают массы атомов элементов, что приводит к закономерному увеличению плотности, а также к изменению других свойств.

Химические свойства щелочных металлов

Единственный внешний электрон в атомах щелочных металлов слабо притягивается к ядру, поэтому им свойственна низкая энергия ионизации, отрицательное или близкое к нулю сродство к электрону. Элементы 1-й группы, обладая восстановительной активностью, практически не способны окислять. В группе сверху вниз возрастает активность в химических реакциях:

Получение и применение щелочных металлов

Металлы, относящиеся к 1-й группе, в промышленности получают электролизом расплавов их галогенидов и других природных соединений. При разложении под действием электрического тока положительные ионы на катоде присоединяют электроны и восстанавливаются до свободного металла. На противоположном электроде происходит окисление аниона.

При электролизе расплавов гидроксидов на аноде окисляются частицы OH - , выделяется кислород и получается вода. Еще один метод заключается в термическом восстановлении щелочных металлов из расплавов их солей кальцием. Простые вещества и соединения элементов 1-й группы имеют практическое значение. Литий служит сырьем в атомной энергетике, используется в ракетной технике. В металлургии применяется для удаления остатков водорода, азота, кислорода, серы. Гидроксидом дополняют электролит в щелочных аккумуляторах.

Натрий необходим для атомной энергетики, металлургии, органического синтеза. Цезий и рубидий используются при изготовлении фотоэлементов. Широкое применение находят гидроксиды и соли, особенно хлориды, нитраты, сульфаты, карбонаты щелочных металлов. Катионы обладают биологической активностью, особенно важны для организма человека ионы натрия и калия.

Щелочные металлы – s-элементы. На внешнем электронном слое каждый из них имеет один электрон (ns1). Радиусы атомов сверху вниз в подгруппе увеличиваются, энергия ионизации уменьшается, восстановительная активность, как и способность отдавать валентные электроны с внешнего слоя, увеличивается.

Рассматриваемые металлы очень активны, поэтому в свободном состоянии они в природе не встречаются. Их можно обнаружить в виде соединений, в составе минералов (поваренной соли NaCl, сильвинита NaCl∙KCl, глауберовой соли NaSO4∙10H2O и других) или в виде ионов в морской воде.

Физические свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы при обычных условиях представляют собой серебристо-белые кристаллические вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью. Они имеют объемно-центрированную кубическую упаковку (ОЦКУ). Плотности, температуры кипения и плавления у металлов I группы относительно низкие. Сверху вниз в подгруппе плотности увеличиваются, а температуры плавления уменьшаются.

Получение щелочных металлов

Щелочные металлы получают обычно электролизом расплавленных солей (чаще хлоридов) или щелочей. При электролизе расплава NaCl, к примеру, на катоде выделяется чистый натрий, а на аноде – газообразный хлор: 2NaCl(расплав)=2Na+Cl2.

Химические свойства щелочных металлов

По химическим свойствам литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций – это наиболее активные металлы и одни из самых сильных восстановителей. В реакциях они легко отдают электроны с внешнего слоя, превращаясь в положительно заряженные ионы. В образуемых щелочными металлами соединениях преобладает ионная связь.

При взаимодействии щелочных металлов с кислородом в качестве основного продукта образуются пероксиды, и в качестве побочного – оксиды:

4Na+O2=2Na2O (оксид натрия).

С галогенами они дают галогениды, с серой – сульфиды, с водородом – гидриды:

2Na+Cl2=2NaCl (хлорид натрия),

2Na+S=Na2S (сульфид натрия),

2Na+H2=2NaH (гидрид натрия).

Гидрид натрия – неустойчивое соединение. Он разлагается водой, давая щелочь и свободный водород:

NaH+H2O=NaOH+H2.

Свободный водород образуются также при взаимодействии с водой самих щелочных металлов:

2Na+2H2O=2NaOH+H2.

Эти металлы также взаимодействуют с разбавленными кислотами, вытесняя из них водород:

2Na+2HCl=2NaCl+H2.

С органическими галогенидами щелочные металлы взаимодействуют по реакции Вюрца.

Специальная (коррекционная)

общеобразовательная школа – интернат для незрячих

и слабовидящих детей г. Перми

Реферат выполнили

ученики 10 класса

Пономарев Олег,

Коршунов Артем

Руководитель:

Л.Ю. Захарова ,

учитель химии

г. Пермь

Введение

Общая характеристика элементов I А-группы

4 – 10

1.1. История открытия и распространение в природе щелочных металлов

4 – 5

5 - 6

6 – 8

8 – 9

9 – 10

Биологическая роль элементов I А-группы. Их применение в медицине

11 – 17

Пути поступления щелочных металлов в организм человека

18 – 21

Практическая работа

22 – 23

Выводы

24 – 25

Используемая литература

Введение

Давно настало время, когда каждый должен задуматься сам над своим здоровьем и не только над своим. Знания, получаемые в школе, например, по химии, мы не очень часто используем в повседневной жизни. Тем не менее, именно этот предмет может стать источником знаний о нашем здоровье. Благодаря химии мы узнаем, каким образом вещества нашей планеты влияют на процессы жизнедеятельности организма, да и в целом на саму жизнь человека, что полезно нам и в каких количествах и, наконец, что вредно и до какой степени.

Организм человека – это сложная химическая система, которая не может функционировать самостоятельно, без связи с окружающей средой. Доказано, что в живом организме присутствуют почти все химические элементы: одни – являются макроэлементами, а содержание других ничтожно, это – микроэлементы. Пути поступления элементов в организм различны, разнообразно и влияние их на организм, но каждый выполняет свою биологическую роль.

В рамках одной работы невозможно изучить значение каждого элемента. Мы выбрали самую первую группу химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

Цель данного исследования – изучить биологическую роль щелочных металлов для человеческого организма.

В этой связи мы решили выяснить следующие вопросы для каждого металла IА группы:

общая характеристика и особенности строения атомов каждого элемента, а также свойства образуемых ими веществ;

нахождение элемента в организме;

потребности организма в нем;

влияние избытка и недостатка элемента на здоровье человека;

природные источники;

способы обнаружения элемента.

1. Общая характеристика элементов I А-группы

Период

Группа

В I А-группу входят s -элементы - щелочные металлы, исключительно важные для нормальной жизни животных и людей. Наибольшее значение для организмов имеют макроэлементы натрий и калий.

3 Li

11 Na

19 K

37 Rb

55 Cs

87 Fr

1.1. История открытия и распространение в природе

щелочных металлов

Название «щелочные металлы» связано с тем, что гидроксиды двух главных представителей этой группы – натрия и калия – издавна были известны под названием щелочей. Из этих щелочей, подвергая их в расплавленном состоянии электролизу, Г.Дэви в 1807г. впервые получил свободные калий и натрий. Й.Берцелиус предложил назвать элемент №11 натрием (от арабского натрун – сода), а элемент №19 по предложению Гильберта получил название калий (от арабского алкали – щелочь).

Остальные металлы выделены учеными из соединений позже. Литий был открыт шведским химиком И.Арфведсоном в 1817г., и по предложению Й.Берцелиуса назван литием (о греческого литос – камень), т.к. в отличие от калия, который до тех пор находили только в золе растений, он был обнаружен в камне.

Рубидий выделили в 1861г., цезий – в 1860г. Франций получен искусственно в 1939г. французской исследовательницей М.Пере при распаде актиния, является радиоактивным элементом.

Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений. Некоторые их природные соединения, в частности соли натрия и калия, довольно широко распространены, они содержатся во многих минералах, растениях, природных водах.

Натрий и калий принадлежат к распространенным элементам: содержание каждого из них в земной коре равно приблизительно 2% по массе. Оба металла входят в состав различных минералов и норных пород силикатного типа.

Хлорид натрия NaCl содержится в морской воде, а также образует мощные отложения каменной соли во многих местах земного шара. В верхних слоях этих отложений иногда содержатся довольно значительные количества калия, преимущественно в виде хлорида KCl или двойных солей с натрием и магнием KCl ∙MgCl 2 . Однако большие скопления солей калия, имеющие промышленное значение, встречаются редко. Наиболее важными из них являются соликамские месторождения (сильвинит) в России, страссфуртские – в Германии и эльзаские – во Франции.

Залежи натриевой селитры NaNO 3 находятся в Чили. В воде многих озер содержится сода Na 2 CO 3 . Наконец, огромные количества сульфата натрия Na 2 SO 4 находятся в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря, где эта соль в зимние месяцы толстым слоем осаждается на дне.

Значительно меньше, чем натрий и калий, распространены литий, рубидий и цезий. Чаще других встречается литий, но содержащие его минералы редко образуют большие скопления. Рубидий и цезий содержатся в небольших количествах в некоторых литиевых минералах.

Франций в природе встречается в ничтожных количествах (на всем земном шаре его едва ли найдется 500г), получается искусственно.

1.2. Строение и свойства атомов щелочных металлов

Электронная формула валентной оболочки атомов щелочных металлов ns 1 , т.е. атомы этих элементов имеют по одному валентному электрону на s -подуровне внешнего энергетического уровня. Соответственно, устойчивая степень окисления щелочных металлов равна +1.

Все элементы IA -группы очень сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только валентной электронной оболочки, но и предвнешней (за исключением лития).

С ростом радиуса атома в группе Li – Na – K – Rb – Cs – Fr ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, в этом ряду энергия ионизации атомов щелочных металлов уменьшается.

Имея на валентных оболочках один электрон, расположенный на большом расстоянии от ядра, атомы щелочных металлов легко отдают электрон. Это обусловливает низкую энергию ионизации. В результате ионизации образуются катионы Э + , имеющие устойчивую электронную конфигурацию атомов благородных газов.

В таблице представлены некоторые свойства атомов щелочных металлов.

Характеристика

3 Li

11 Na

1 9 K

37 Rb

55 Cs

87 Fr

Валентные электроны

2s 1

3s 1

4s 1

5s 1

6s 1

7s 1

Молярная масса, г/моль

23,0

39,1

85,5

132,9

Металлический радиус атома, пм

Кристаллический радиус атома, пм

Энергия ионизации,

кДж/моль

Щелочные металлы – наиболее типичные представители металлов: металлические свойства выражены у них особенно ярко.

1.3. Щелочные металлы – простые вещества

Серебристо-белые мягкие вещества (режутся ножом), с характерным блеском на свежесрезанной поверхности. На воздухе блестящая поверхность металла сейчас же тускнеет вследствие окисления.

Все они легкие и легкоплавкие, причем, как правило, плотность их возрастает от Li к Cs , а температура плавления, наоборот, уменьшается.

Характеристика

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Плотность, г/см 3

0,53

0,97

0,86

1,53

Твердость (алмаз = 10)

Электропроводность (Hg = 1)

11,2

13,6

Температура плавления, C

Температура кипения, C

1350

Стандартный электродный потенциал, В

3,05

2,71

2,92

2,93

2,92

Координационное число

4, 6

4, 6

6, 8

Все щелочные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Это характеризует их как очень сильные восстановители. Лишь литий несколько уступает многим металлам по химической активности.

Несмотря на общность свойств, натрий и в особенности литий отличаются от других щелочных металлов. Последнее, прежде всего, обусловлено существенным различием радиусов их атомов и строения электронных оболочек.

Щелочные металлы относятся к числу наиболее активных в химическом отношении элементов. Химическая активность щелочных металлов закономерно увеличивается с ростом радиуса атомов.

Li Na K Rb Cs Fr

Увеличивается химическая активность,

Увеличивается радиус атома

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами.

При взаимодействии с кислородом литий образует оксид Li 2 O , а остальные щелочные металлы - пероксиды Na 2 O 2 и надпероксиды KO 2 , RbO 2 , CsO 2 . Например:

4Li (т) + O 2 (г) = 2Li 2 О(т)

2Na (т) + O 2 (г) = Na 2 O 2 (т)

K (т) + O 2 (г) = KO 2 (т)

Активно взаимодействуют щелочные металлы с галогенами , образуя галогениды ЭГ; с серой - с образованием сульфидов Э 2 S . Непосредственно с азотом щелочные металлы, за исключением лития, не реагируют.

2Э(т) + Cl 2 (г) = 2ЭCl (т)

2Э(т) + S (т) = Э 2 S (т)

Все щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водой , образуя гидроксиды ЭОН – щелочи и восстанавливая воду до водорода:

2Э (т) + 2Н 2 О(ж) = 2ЭОН(р) + Н 2 (г)

Интенсивность взаимодействия с водой значительно увеличивается в ряду Li - Cs .

Восстановительная способность щелочных металлов настолько велика, что они могут даже восстанавливать атомы водорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы Н - . Так, при нагревании щелочных металлов в струе водорода получаются их гидриды, например:

2Э(т) + Н 2 (г) = 2ЭН

1.4. Применение щелочных металлов

Щелочные металлы и их соединения широко используются в технике.

Литий применяется в ядерной энергетике. В частности изотоп 6 Li служит промышленным источником для производства трития, а изотоп 7 Li используется как теплоноситель в урановых реакторах. Благодаря способности лития легко соединяться с водородом, азотом, кислородом, серой, он применяется в металлургии для удаления следов этих элементов из металлов и сплавов.

Используется литий и его соединения и в качестве топлива для ракет. Смазки, содержащие соединения лития, сохраняют свои свойства в широком интервале температур. Применяется литий в керамической, стекольной и других отраслях химической промышленности. Вообще, по значимости в современной технике этот металл является одним из важнейших редких элементов.

Цезий и рубидий применяются для изготовления фотоэлементов. В этих приборах, преобразующих лучистую энергию в энергию электрического тока и основанных на явлении фотоэффекта, используется способность атомов цезия и рубидия отщеплять валентные электроны при действии на металл лучистой энергии.

Важнейшие области применения натрия – это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза.

В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяется в качестве жидкометаллических теплоносителей. Сплав натрия с калием, содержащий 77,2% калия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплопередачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов.

В металлургии натрийтермическим методом получают ряд тугоплавких металлов. Кроме того, натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы.

В промышленности органического синтеза натрий используется при получении многих веществ. Он служит также катализатором при получении некоторых органических полимеров.

Калий принадлежит к числу элементов, необходимых в значительном количестве для питания растений. Хотя в почве находится довольно много солей калия, но и уносится его с некоторыми культурными растениями также очень много. Особенно много калия уносит лен, конопля и табак. Для пополнения убыли калия из почвы, необходимо вносить в почву калийные удобрения.

1.5. Соединения щелочных металлов

Оксиды Э 2 О – твердые вещества. Имеют ярко выраженные основные свойства: взаимодействуют с водой, кислотами и кислотными оксидами. например:

Э 2 О(т) + Н 2 О(ж) = 2ЭОН (р)

Пероксиды и надпероксиды Э 2 О 2 и ЭО 2 щелочных металлов - сильные окислители. Натрий пероксид и калий надпероксид применяют в замкнутых объектах (подводных лодках, космических кораблях) для поглощения углекислого газа и регенерации кислорода:

2Na 2 O 2 (т) + 2CO 2 (г) = 2Na 2 CO 3 (т) + O 2 (г)

4KO 2 (т) + 2СO 2 (г) = 2K 2 CO 3 (т) + 3O 2 (г)

Пероксид натрия применяется также для отбеливания тканей, шерсти, шелка и т.п.

Щелочи – твердые, белые, очень гигроскопичные кристаллические вещества, относительно легкоплавки и хорошо растворимы в воде (за исключением LiOH ). Твердые щелочи и их концентрированные растворы разъедающие действуют на ткани, бумагу и живые ткани вследствие обезвоживания и щелочного гидролиза белков. Поэтому работа с ними требует защитных мер предосторожности. Ввиду сильного разъедающего действия, эти щелочи называют едкими (NaOH – едкий натр, каустик, КОН – едкое кали).

Щелочи хорошо растворяются в воде с выделением большого количества теплоты, проявляют ярко выраженные свойства сильных растворимых оснований: взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, солями, амфотерными оксидами и гидроксидами.

Едкий натр применяется в больших количествах для очистки нефтепродуктов. в бумажной и текстильной промышленности, для производства мыла и волокон.

Едкое кали дороже и применяется реже. Основная область его применения – производство жидкого мыла.

Соли щелочных металлов – твердые кристаллические вещества ионного строения. Наиболее важные из них – карбонаты, сульфаты, хлориды.

Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (за исключением солей лития: Li 2 CO 3 , LiF , Li 3 РО 4).

С многоосновными кислотами щелочные металлы образуют как средние (Э 2 SO 4 , Э 3 РО 4 , Э 2 СО 3 , Э 2 SO 3 и др.), так и кислые (ЭНSO 4 , ЭН 2 РО 4 , Э 2 НРО 4 , ЭНСО 3 и т.д.) соли.

Na 2 CO 3 - карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na 2 CO 3 ∙10H 2 CO 3 , известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

В быту более известна кислая соль – гидрокарбонат натрия NaHCO 3 , она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

К 2 СО 3 – карбонат калия, техническое название – поташ, используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.

Na 2 SO 4 ∙10Н 2 О – кристаллогидрат сульфата натрия, техническое название глауберова соль, применяется для производства соды и стекла, а также в качестве слабительного средства.

NaCl – хлорид натрия, или поваренная соль, является важнейшим сырьем в химической промышленности, широко применяется в быту.

2. Биологическая роль s -элементов IA -группы. Их применение в медицине

Химический элемент, Э

10 -4 %

0,08%

0,23%

10 -5 %

10 -4 %

Щелочные металлы в виде различных соединений входят в состав тканей человека и животных.

Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ. Литий, рубидий и цезий так же постоянно содержатся в организме, однако физиологическая и биохимическая роль их мало выяснена. Их можно отнести к примесным микроэлементам.

В организме человеке щелочные металлы находятся в виде катиона Э + .

Сходство электронного строения ионов щелочных металлов, а, следовательно, и физико-химических свойств соединений определяет и близость их действия на биологические процессы. Различия в электронной структуре обусловливают их разную биологическую роль. На этой основе можно прогнозировать поведение щелочных металлов в живых организмах.

Так, натрий и литий накапливаются во внеклеточной жидкости, а калий, рубидий и цезий - во внутриклеточной. Литий и натрий особенно близки по биологическому действию. Например, они очень похожи по ферментоактивирующим свойствам.

Близость свойств натрия и лития обусловливает их взаимозамещаемость в организме. В связи с этим при избыточном введении ионов натрия или лития в организм они способны эквивалентно замещать друг друга. На этом основано введение хлорида натрия при отравление солями лития. В соответствии с принципом Ле Шателье равновесие между ионами натрия и лития в организме сдвигается в направлении выведения ионов Li + , что приводит к снижению его концентрации и достижению лечебного эффекта.

Рубидий и цезий близки по физико-химическим свойствам к иону калия, поэтому в живых организмах они ведут себя сходным образом. В изученных системах калий, рубидий и цезий являются синергистами, а с литием - антагонистами. На сходстве рубидия и калия основано введение в организм солей калия при отравлении солями рубидия.

Натрий и калий, как правило, являются антагонистами, но в ряде случаев близость многих физико-химических свойств обусловливает их взаимозамещение в живых организмах. Так, например, при увеличении количества натрия в организме усиливается выведение калия почками, т. е. наступает гипокалиемия.

Литий. Содержание лития в организме человека около 70 мг (10 ммоль). Литий является одним из ценнейших микроэлементов, или, как о нем еще говорят, мини-металлов. Когда-то литием лечили подагру и экзему. А в 1971г. в журнале «Медицинские новости» появилось интересное сообщение: в тех местностях, где в питьевой воде содержится большое количество лития, люди добрее и спокойнее, среди них меньше грубиянов и скандалистов, значительно меньше психических заболеваний. Были выявлены психотропные свойства этого металла. Литий начали применять при депрессии, ипохондрии, при агрессивности и даже наркомании.

Однако литий может быть как «добрым», так и «злым». Бывали случаи, когда при инъекционном лечении литием, проходило мощное нарушение обмена веществ, и серьезные последствия этого неизбежны.

Соединения лития у высших животных концентрируются в печени, почках, селезенке, легких, крови, молоке. Максимальное количество лития найдено в мышцах человека. Биологическая роль лития как микроэлемента пока до конца не выяснена.

Доказано, что на уровне клеточных мембран ионы лития конкурируют с ионами натрия при проникновении в клетки. Очевидно, замещение ионов натрия в клетках ионами лития связано с большей ковалентностью соединений лития, вследствие чего они лучше растворяются в фосфолипидах.

Установлено, что некоторые соединения лития оказывают положительное влияние на больных маниакальной депрессией. Всасываясь из желудочно-кишечного тракта, ионы лития накапливаются в крови. Когда концентрация ионов лития достигает 0,6 ммоль/л и выше, происходит снижение эмоциональной напряженности и ослабление маниакального возбуждения. Вместе с тем содержание ионов лития в плазме крови нужно строго контролировать. В тех случаях, когда концентрация ионов лития превышает 1,6 ммоль/л, возможны отрицательные явления.

Сейчас известно, что кроме психотропного действия, литий обладает свойствами предупреждать склероз, болезни сердца, в какой-то степени диабет и гипертонию. Он «помогает» магнию в его антисклеротической защите.

В конце 1977г. были опубликованы результаты исследований, проведенных в краковской гематологической клинике. Исследования были посвящены вопросам влияния лития на кроветворную систему. Оказалось, что этот микроэлемент активизирует действие еще не погибших клеток костного мозга. Сделанное открытие может сыграть важную роль в борьбе с раком крови. Исследования еще продолжаются. Хочется верить, что их результаты принесут людям неоценимую помощь.

Натрий. Содержание натрия в организме человека массой 70кг составляет около 60г (2610 ммоль). Из этого количества 44% натрия находится во внеклеточной жидкости и 9%- во внутриклеточной.

Остальное количество натрия находится в костной ткани, являющейся местом депонирования иона Na + в организме. Около 40% натрия, содержащегося в костной ткани, участвует в обменных процессах и благодаря этому, скелет является либо донором, либо акцептором ионов натрия, что способствует поддержанию постоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости.

Натрий является основным внеклеточным ионом. В организме человека находится натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида NaCl, фосфата Na 3 PO 4 и гидрокарбоната NaHCO 3 .

Натрий распределен по всему организму: в сыворотке крови, спинномозговой жидкости, глазной жидкости, пищеварительных соках, желчи, почках, коже, костной ткани, легких, мозге.

Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвует в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости, обеспечивает кислотно-щелочное равновесие организма. ионы натрия участвуют в регуляции ионного обмена и влияют на работу ферментов. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ион натрия участвует в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток.

При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц. Хлорид натрия NaCl служит основным источником соляной кислоты для желудочного сока.

В организм человека натрий поступает в основном в виде поваренной соли NaCl. Истинная ежедневная потребность организма в натрии составляет 1г, хотя среднее потребление этого элемента достигает 4 - 7г.

Непрерывное избыточное потребление NaCI способствуют появлению гипертонии. В организме здорового человека поддерживается равновесие между количеству потребляемого и выделяемого натрия. Около 90% потребляемого натрия выводится с мочой, а остальные - с потом и калом.

Итак, подведем итог: ионы натрия играют важную роль:

в обеспечение осмотического гомеостаза

в обеспечение кислотно-основного равновесия организма

в регулировании водного обмена

в работе ферментов

в передаче нервных импульсов

в работе мышечных клеток

Изотонический раствор NaCI (0,9%) для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикациях, а также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, а также для растворения различных лекарственных препаратов.

Гипертонические растворы NaCI (3-5-10%) применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. Применение таких компрессов способствует по законом осмоса отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное дейстие). 2-5%-ный раствор NaCI назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNO 3 , который при этом превращается в малорастворимый и нетоксичный хлорид серебра:

Ag + + CI - = AgCI (т)

Сода питьевая (натрий гидрокарбонат, сода двууглекислая) NaHCO 3 используется при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью - ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NaHCO 3 с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углекислый газ, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NaHCO 3 (p) + RCOOH (p) → RCOONa(p) + H 2 O(ж) + CO 2 (г)

Используют NaHCO 3 и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме NaHCO 3 протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NaHCO 3 (р) + HCl (р) = NaCl (р) + H 2 O (ж) + CO 2 (г)

Следует иметь в виду, что применение питьевой соды должно быть осторожным, т.к. может вызвать ряд побочных эффектов.

Растворы питьевой соды применяют в виде полосканий, промываний при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Действие NaHCO 3 в качестве антисептического средства основано на том, что в результате гидролиза водный раствор соды проявляет слабощелочные свойства:

NaHCO 3 + H 2 O ↔ NaOH + H 2 CO 3

При воздействии щелочей на микробные клетки происходит осаждение клеточных белков и вследствие этого гибель микроорганизмов.

Глауберова соль (сульфат натрия) Na 2 SO 4 ∙10H 2 O применяют в качестве слабительного средства. Эта соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника в течение длительного времени. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются, и каловые массы быстрее выводятся.

Бура (тетраборат натрия) Na 2 B 4 O 7 ∙10H 2 O применяют наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. антисептическое действие буры аналогично действию питьевой соды и связано с щелочной реакцией среды водного раствора этой соли, а также с образованием борной кислоты:

Na 2 B 4 O 7 + 7H 2 O ↔ 4H 3 BO 3 + 2NaOH

Гидроксид натрия в виде 10%-ного раствора NaOH входит в состав силамина, применяемого в ортопедической практике для отливки огнеупорных моделей при изготовлении цельнолитых протезов из кобальтохромового сплава.

Радиоактивны изотоп 24 Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, кроме того, он используется для лечения некоторых форм лейкемии.

Калий. C одержание калия в организме человека массой 70кг составляет примерно 160г (4090 ммоль). Калий является основным внутриклеточным катионом, составляя 2/3 от общего количества активных клеточных катионов. В большинстве случаев калий является антагонистом натрия.

Из общего количества калия, содержащегося в организме, 98% находится внутри клеток и лишь около 2% - во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму. Его топография: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д.

Ионы калия К + играют важную роль в физиологических процессах:

сокращение мышц

в нормальном функционировании сердца

участвует в передаче нервных импульсов

в обменных реакциях

активизирует работу ряда ферментов, находящихся внутри клетки

регулирует кислотно-щелочное равновесие

Обладает защитными свойствами против нежелательного действия избытка натрия и нормализует давление крови. В организме людей, употребляющих в пищу много богатых калием овощей, – вегетарианцев – количество калия и натрия находятся в равновесии. Эти люди чаще всего имеют более низкие показатели кровяного давления, нежели их сограждане, увлекающиеся мясом.

Оказывает противосклеротическое действие

Калий обладает способностью усиливать образование мочи

Взрослый человек обычно потребляет с пищей 2 – 3 г калия в сутки. Концентрация ионов калия во внеклеточной жидкости, включая плазму, составляет в норме 3,5 – 5,5 ммоль/л, а концентрация внутриклеточноко калия – 115 – 125 ммоль/л.

Рубидий и цезий. По содержанию в организме человека рубидий и цезий относятся к микроэлементам. Они постоянно содержатся в организме, но биологическая роль их еще не выяснена.

Рубидий и цезий найдены во всех исследованных органах млекопитающих и человека. Поступая в организм с пищей, они быстро всасываются из желудочно-кишечного тракта в кровь. Средний уровень рубидия в крови составляет 2,3-2,7 мг/л, причем его концентрация в эритроцитах почти в три раза выше, чем в плазме. Рубидий и цезий весьма равномерно распределяется в органах и тканях, причем, рубидий, в основном, накапливается в мышцах, а цезий поступает в кишечник и вновь реабсорбируется в нисходящих его отделах.

Известна роль рубидия и цезия в некоторых физиологических процессах. В настоящее время установлено стимулирующее влияние этих элементов на функции кровообращения и эффективность применения их солей при гипотониях различного происхождения. В лаборатории И.П.Павлова С.С.Боткиным было установлено, что хлориды цезия и рубидия вызывают повышение артериального давления на длительное время и, что это действие связано, главным образом, с усилением сердечно-сосудистой деятельности и сужением периферических сосудов.

Являясь полным аналогом калия, рубидий также накапливается во внутриклеточной жидкости и может в различных процессах замещать эквивалентное количество калия. Синергизм (хим.) – одновременное комбинированное воздействие двух (или более) факторов, характеризующихся тем, что такое совместное действие значительно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента. Синергист калия – рубидий активирует многие те же самые ферменты, что и калий.

Радиоактивные изотопы 137 Cs и 87 Rb используют в радиотерапии злокачественных опухолей, а также при изучении метаболизма калия. Благодаря быстрому распаду их можно даже вводить в организм, не опасаясь длительного вредного воздействия.

Франций. Это радиоактивный химический элемент, полученный искусственным путем. Имеются данные, что франций способен избирательно накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития. Эти наблюдения могут оказаться полезными при диагностике онкологических заболеваний.

Таким образом, из элементов IA -группы физиологически активны Li , Rb , Cs , а Na и K – жизненно необходимы. Близость физико-химических свойств Li и Na , обусловленная сходством электронного строения их атомов, проявляется и в биологическом действии катионов (накопление во внеклеточной жидкости, взаимозамещаемость). Аналогичный характер биологического действия катионов элементов больших периодов – K + , Rb + , Cs + (накопление во внутриклеточной жидкости, взаимозамещаемость) также обусловлена сходством их электронного строения и физико-химических свойств. На этом основано применение препаратов натрия и калия при отравлении солями лития и рубидия.

3. Пути поступления щелочных металлов

в организм человека

Пути поступления химических элементов в организм человека разнообразны, они представлены на схеме:

человек

В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор.

В таблице приведены данные о содержании элементов I А группы – щелочных металлов – в земной коре, морской воде, растительных, животных организмах и в организме человека (массовая доля в %).

Из таблицы видно, что чем больше распространенность элемента в земной коре, тем больше его и в организме человека.

Li

Na

K

Rb

Cs

Земная кора

6,5∙10 -3

0,03

точных данных

нет

Почва

3∙10 -3

0,63

1,36

5∙10 -3

Морская вода

1,5∙10 -5

1,06

0,038

2∙10 -5

Растения

1∙10 -5

0,02

5∙10 -4

Животные

10 -4

0,27

10 -5

Человек

10 -4

0,08

0,23

10 -5

10 -4

Наиболее необходимые для организма человека щелочные металлы – это натрий и калий. В организм человека почти все элементы, в основном, поступают с пищей.

Источники лития.

Литий содержится в некоторых минеральных водах, а также в морской и каменной соли. Содержится он и в растениях, но концентрация его, как и любых микроэлементов, зависит не только от вида и части растения, но и от времени года и даже суток, от условий сбора и погоды, а также от местности, где растет это растение.

В нашей стране литий исследовали сотрудники Института геохимии имени акад. В. И. Вернадского в Москве. Было установлено, что наземные части растений богаче литием, чем корни. Больше всего лития в растениях семейства розовых, гвоздичных, пасленовых, к которым относятся помидоры и картофель. Хотя в рамках одного семейства разница в его содержании может быть огромной - в несколько десятков раз. Зависит это от географического положения и содержания лития в почве.

Источники натрия.

Натрий присутствует в различных пищевых добавках в виде глутамата натрия (ароматизатора), сахарина натрия (подсластитель), нитрата натрия (консервант), аскорбат натрия (антиоксидант) и бикарбоната натрия (пищевая сода) а так же в некоторых лекарственных средствах (антациды). Однако большинство натрия в рационе содержится в соли.
Уровень NaCl относительно мал во всех пищевых продуктах, которые не подвергались специальной обработке. Тем не менее, соль применяется как консервант и ароматизатор в течение нескольких столетий. Она так же используется как крaситель, наполнитель и с целью контроля над процессом брожения (например при выпечке хлеба). По этой причине она добавляется в такие пищевые продукты как ветчина, сосиски, бекон и другие мясные продукты, копченую рыбу и мясо, консервированные овощи, большинство сортов масла, маргарин, cыр, несладкие пищевые продукты, закуски и в хлебные злаки, которые мы едим на завтрак.

Рекомендованная норма натрия составляет 1,5 грамма в день. Избыток соли в рационе ассоциирован с повышением вероятности возникновения рака желудка и вреден для почек, особенно в том случае, если в них есть какие либо нарушения мочевыделительной системы. Избыток соли - один из ведущих факторов образа жизни, который приводит к гипертонии. В том случае, если гипертония протекает малосимптомно, она повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний и инсульта. Современные рекомендации по профилактике гипертонии показали, что наиболее эффективная диета для профилактики и лечения повышенного кровяного давления должна содержать минимум натрия и жиров и включать большие количества нежирных молочных продуктов (источник кальция), фрукты и овощи (источник калия). Таким образом, важно изменить диету в целом, а не сосредотачиваться на каком либо её компоненте. К другим важным позитивным факторам относится физическая активность, нормальный вес тела.
Люди, страдающие от заболеваний почек, и очень маленькие дети не могут переносить потребление больших количеств натрия, потому что их почки не справляются с его выведением. По этой причине не стоит присаливать пищу детям младшего возраста.

По закону на этикетках пищевых продуктов должно указываться содержание натрия, но некоторые производители пренебрегают этим правилом и указывают количество соли.

Помним: «Поваренная соль может насолить нашему здоровью !»

Источники калия.

Лучший источник калия – растительная пища. Это – арбузы, дыни, апельсины, мандарины, бананы, сухофрукты (инжир, абрикосы, шиповник). Богаты калием ягоды – брусника, земляника, черная и красная смородина. Много калия и в овощах (особенно в картофеле), бобовых, изделиях из муки грубого помола, рисе.

Реакция организма на недостаток калия.

При недостатке калия в организме наблюдаются мышечная слабость, вялость кишечника, нарушения сердечной деятельности.

«Еще не встала – уже устала» - так образно и доступно характеризют дефицит калия в организме доктора. Пониженное содержание калия в организме обычно приводит к астении (психическому и физическому истощению, быстрой утомляемости), нарушению функции почек и истощению функции коры надпочечников. Существует риск нарушения обменных процессов и проводимости в миокарде.

Дефицит калия снижает работоспособность, замедляет заживления ран, ведёт к нарушению нервно-мышечной проводимости. Отмечается сухость кожных покровов, тусклость и слабость волос (это является предметом серьёзных переживаний особенно для женщин и девушек).

Может наступить внезапная смерть при увеличении нагрузок. Наблюдается плохая передача нервных импульсов. Снижают усвоение калия мочегонные средства (диуретики). При приготовлении пищи необходимо обращать внимание на то, что соединения калия водорастворимы. Это обстоятельство обязывает мыть продукты, его содержащие, до их измельчения и готовить их в небольшом количестве воды.

Кстати, народная медицина считает, что страстное желание употреблять алкоголь связано с недостатком калия в организме.

При калиевом истощении применяют калия хлорид KCl 4 - 5 раз в день по 1г.

Реакция организма на избыток калия.

При избытке калия в организме угнетены основные функции сердца: уменьшение возбудимости сердечной мышцы, урежение ритма сердечных сокращений, ухудшение проводимости, ослабление силы сокращений сердца. В больших концентрациях ионы калия вызывают остановку сердца в диастоле (фаза сокращения желудочков сердца). Токсическая доза калия составляет 6 г. Летальная доза – 14 г. Соли калия могут быть токсичны для организма за счет аниона, связанного с ионом калия, это, например, KCN (цианид калия).

Чтобы регулировать содержание этих биогенных элементов, можно учитывать данные, представленные в следующей таблице.

4. Практическая часть

Опыт 1. Окрашивание пламени соединениями.

Один из способов качественного обнаружения соединений щелочных металлов основан на их способности окрашивать пламя горелки.

В пробирки нужно налить растворы солей щелочных металлов. Железную проволоку промыть в соляной кислоте, а затем прокалить в пламени горелки.

Затем необходимо смочить проволоку раствором исследуемой соли и внести ее в пламя.

Соли, содержащие катионы лития, а также сам литий окрашивают пламя в красный цвет, катионы натрия и металл натрий – в желтый , катионы калия и металл калий окрашивают пламя в фиолетовый цвет. Для лучшего наблюдения можно рассматривать цвет через синее стекло.

Таким образом были обнаружены ионы Li + , Na + и К + в растворах солей LiCl , NaCl , Na 2 CO 3 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , KCl , KNO 3 , K 2 CO 3 .

Опыт 2. Взаимодействие щелочных металлов с водой.

В стакан с водой внести тщательно очищенный от оксидной пленки кусочек металла. После растворения металла исследовали среду раствора с помощью фенолфталеина.

Такой опыт проведи с кусочками лития, натрия и калия. Наиболее активно шла реакция с калием, она сопровождалась горением калия, наблюдались фиолетовые искры, выделение газа. Натрий реагировал с водой, выделяя желтые искры, а реакция лития была наиболее спокойна.

Образовавшиеся растворы с фенолфталеином окрасились в малиновый цвет, что указало на присутствие в растворе щелочи.

2Li +2H 2 O = 2LiOH + H 2

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2

Опыт 3. Гидролиз солей натрия и калия.

Характер среды растворов солей исследуется с помощью кислотно-основных индикаторов.

Универсальные индикаторные бумажки, опущенные в растворы солей щелочных металлов, образованных слабыми кислотами Na 2 CO 3 и К 2 СО 3 , окрасились в синий цвет, что говорит о щелочной реакции растворов. в растворах произошел гидролиз – взаимодействии солей с молекулами воды:

Na 2 CO 3 ↔ 2Na + + CO 3 2-

CO 3 2- + H 2 O ↔ HCO 3 - + OH -

Na 2 CO 3 + H 2 O ↔ NaHCO 3 + NaOH

Растворы солей сильных кислот NaNO 3 , KNO 3 , NaCl , KCl , LiCl показали нейтральную среду (цвет индикаторной бумажки не изменился), значит гидролиза этих солей не происходит

Выводы

Почему так важно знать содержание в организме химических элементов?

Химические элементы не синтезируются, в отличие от многих органических веществ, в организме, а поступают извне с пищей, воздухом, через кожу и слизистые. Поэтому определение химических элементов позволяет узнать о том:

насколько Ваш организм соответствует идеалу (кстати, около 20% людей не имеют никаких отклонений и, таким образом, живут в гармонии с природой);

правильно ли Вы питаетесь, обеспечивает ли Ваш рацион необходимый набор питательных веществ;

наносят ли вред организму вредные привычки;

насколько безопасна среда, в которой Вы живете; пища, которую Вы употребляете; Ваше рабочее место;

хорошо ли функционируют Ваш желудок, кишечник, печень, почки, кожа, регулируя процессы всасывания и выведения питательных веществ;

нет ли у Вас хронических заболеваний или предрасположенности к ним;

правильно ли Вы лечитесь.

Какие заболевания наиболее тесно связаны с дисбалансом элементов?

В первую очередь, это:

снижение иммунитета;

болезни кожи, волос, ногтей;

сколиоз, остеопороз, остеохондроз;

гипертония;

аллергозы, в том числе бронхиальная астма;

диабет, ожирение;

заболевания сердечно-сосудистой системы;

болезни крови (анемия);

дисбактериоз кишечника, хронические гастриты, колиты;

бесплодие, снижение потенции у мужчин;

нарушение роста и развития у детей.

Многолетний опыт работы врачей показывает, что более 80% населения имеют более или менее выраженный дисбаланс микроэлементов. Поэтому, если у Вас имеются какие-нибудь , вам стоит обратить на это внимание!

Многие учёные считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию.

Мы выяснили биологическую роль лишь одной группы химических элементов. Щелочные металлы – чрезвычайно важны для здоровья человека, как и большинство других. Очень важно для состояния здоровья человека соблюдение оптимальной концентрации каждого элемента: вреден как недостаток элемента, так и его избыток.

Стабильность химического состава организма является одним из важнейших и обязательных условий его нормального функционирования .

Существует ошибочное, хотя и широко распространенное, мнение о возможности коррекции дисбаланса элементного состава организма человека путем обогащения рациона питания теми или иными продуктами, содержащими необходимые минеральные элементы. Однако следует принимать во внимание то, что присутствие в пищевых продуктах и воде необходимых макро-и микроэлементов (что особенно очевидно для жителей сельских территорий) зависит в значительной степени от так называемого "локального биогеохимического круговорота" элементов, который определяет содержание макро- и микроэлементов в пищевых растениях и животных.

Дефицит или избыток тех или иных элементов в организме человека, как правило, является следствием дефицита или избытка этих элементов, проходящих по пищевой цепи: от почвы - к растениям и животным - к человеку. При развивающемся дефиците любого элемента недостаточно пищевой коррекции, даже если для этой цели используются продукты из других регионов, почвы которых обогащены необходимым микроэлементом.

Только индивидуальный подбор специальных минеральных и других препаратов, направленных на нормализацию микроэлементного баланса организма, окажет реальную и эффективную помощь при развившемся патологическом состоянии.

В заключении приведем заповеди народной и научной медицины, которые надо знать всем:

Все связано со всем.

Все должно куда-то деваться.

Природа знает лучше.

Ничто не дается даром.

Используемая литература

1. Габриелян О.С. Химия, 9 класс, Учебник для ОУ заведений. - М. «Дрофа», 2001

2. Глинка Н.Л. Общая химия, Учебное пособие для вузов. – Л. «Химия», 1983

3. Общая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для мед. спец. вызов. Ю.А.Ершов и др. – М. «Высшая школа», 1993

4. Сычев А.П., Фадеев Г.Н. Химия металлов. Учебное пособие. – М. «Просвещение», 1984

5. MHTML. Doc ument. интегрированный урок «Щелочные металлы». Фестиваль «Открытый урок», 2003

6.

7.

Это элементы I группы периодической системы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr); очень мягкие, пластичные, легкоплавкие и легкие, как правило, серебристо-белого цвета; химически очень активны; бурно реагируют с водой, образуя щёлочи (откуда название).

Все щелочные металлы чрезвычайно активны, во всех химических реакциях проявляют восстановительные свойства, отдают свой единственный валентный электрон, превращаясь в положительно заряженный катион, проявляют единственную степень окисления +1.

Восстановительная способность увеличивается в ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.

Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.

Практически все соли растворимы в воде.

Низкие температуры плавления,

Малые значения плотностей,

Мягкие, режутся ножом

Вследствие своей активности щелочные металлы хранят под слоем керосина, чтобы преградить доступ воздуха и влаги. Литий очень легкий и в керосине всплывает на поверхность, поэтому его хранят под слоем вазелином.

Химические свойства щелочных металлов

1. Щелочные металлы активно взаимодействуют с водой:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ­

2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2 ­

2. Реакция щелочных металлов с кислородом:

4Li + O 2 → 2Li 2 O (оксид лития)

2Na + O 2 → Na 2 O 2 (пероксид натрия)

K + O 2 → KO 2 (надпероксид калия)

На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.).

3. В реакциях щелочных металлов с другими неметаллами образуются бинарные соединения:

2Li + Cl 2 → 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na 2 S (сульфиды)

2Na + H 2 → 2NaH (гидриды)

6Li + N 2 → 2Li 3 N (нитриды)

2Li + 2C → Li 2 C 2 (карбиды)

4. Реакция щелочных металлов с кислотами

(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой):

2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2 ­

5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком

(образуется амид натрия):

2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2

6. Взаимодействие щелочных металлов со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ONa + H 2 ;

2K + 2C 6 H 5 OH = 2C 6 H 5 OK + H 2 ;

7. Качественная реакция на катионы щелочных металлов — окрашивание пламени в следующие цвета:

Li + – карминово-красный

Na + – желтый

K + , Rb + и Cs + – фиолетовый

Получение щелочных металлов

Металлические литий, натрий и калий получают электролизом расплава солей (хлоридов), а рубидий и цезий – восстановлением в вакууме при нагревании их хлоридов кальцием: 2CsCl+Ca=2Cs+CaCl 2
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:

2NaCl+CaC 2 =2Na+CaCl 2 +2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl 2 +Ca 2 SiO 4 .

Активные щелочные металлы выделяются в вакуум-термических процессах благодаря своей высокой летучести (их пары удаляются из зоны реакции).

Особенности химических свойств s-элементов I группы и их физиологическое действие

Электронная конфигурация атома лития 1s 2 2s 1 . У него самый большой во 2-м периоде атомный радиус, что облегчает отрыв валентного электрона и возникновение иона Li + со стабильной конфигурацией инертного газа (гелия). Следовательно, его соединения образуются с передачей электрона от лития к другому атому и возникновением ионной связи с небольшой долей ковалентности. Литий ‑ типичный металлический элемент. В виде вещества это щелочной металл. От других членов I группы он отличается малыми размерами и наименьшей, по сравнению с ними, активностью. В этом отношении он напоминает расположенный по диагонали от Li элемент II группы ‑ магний. В растворах ион Li + сильно сольватирован; его окружают несколько десятков молекул воды. Литий по величине энергии сольватации - присоединения молекул растворителя, стоит ближе к протону, чем к катионам щелочных металлов.

Малый размер иона Li + , высокий заряд ядра и всего два электрона создают условия для возникновения вокруг этой частицы довольно значительного поля положительного заряда, поэтому в растворах к нему притягивается значительное число молекул полярных растворителей и его координационное число велико, металл способен образовывать значительное число литийорганических соединений.

Натрием начинается 3-й период, поэтому у него на внешнем уровне всего 1е — , занимающий 3s-орбиталь. Радиус атома Na - наибольший в 3-м периоде. Эти две особенности определяют характер элемента. Его электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Единственная степень окисления натрия +1. Электроотрицательность его очень мала, поэтому в соединениях натрий присутствует только в виде положительно заряженного иона и придает химической связи ионный характер. По размеру ион Na + значительно больше, чем Li + , и сольватация его не так велика. Однако в растворе в свободном виде он не существует.

Физиологическое значение ионов К + и Na + связано с их различной адсорбируемостью на поверхности компонентов, входящих в состав земной коры. Соединения натрия лишь незначительно подвержены адсорбции, в то время как соединения калия прочно удерживаются глиной и другими веществами. Мембраны клеток, являясь поверхностью раздела клетка ‑ среда, проницаемы для ионов К + , вследствие чего внутриклеточная концентрация К + значительно выше, чем ионов Na + . В то же время в плазме крови концентрация Na + превышает содержание в ней калия. С этим обстоятельством связывают возникновение мембранного потенциала клеток. Ионы К + и Na + ‑ одни из основных компонентов жидкой фазы организма. Их соотношение с ионами Са 2+ строго определенно, а его нарушение приводит к патологии. Введение ионов Na+ в организм не оказывает заметного вредного влияния. Повышение же содержания ионов К + вредно, но в обычных условиях рост его концентрации никогда не достигает опасных величин. Влияние ионов Rb + , Cs + , Li + еще недостаточно изучено.

Из различных поражений, связанных с применением соединений щелочных металлов, чаще всего встречаются ожоги растворами гидроксидов. Действие щелочей связано с растворением в них белков кожи и образованием щелочных альбуминатов. Щелочь вновь выделяется в результате их гидролиза и действует на более глубокие слои организма, вызывая появление язв. Ногти под влиянием щелочей становятся тусклыми и ломкими. Поражение глаз, даже очень разбавленными растворами щелочей, сопровождается не только поверхностными разрушениями, но нарушениями более глубоких участков глаза (радужной оболочки) и приводит к слепоте. При гидролизе амидов щелочных металлов одновременно образуется щелочь и аммиак, вызывающие трахеобронхит фибринозного типа и воспаление легких.

Калий был получен Г. Дэви практически одновременно с натрием в 1807 г. при электролизе влажного гидроксида калия. От названия этого соединения ‑ «едкое кали» и получил свое наименование элемент. Свойства калия заметно отличаются от свойств натрия, что обусловлено различием величин радиусов их атомов и ионов. В соединениях калия связь более ионная, а в виде иона К + он обладает меньшим поляризующим действием, чем натрий, из-за больших размеров. Природная смесь состоит из трех изотопов 39 К, 40 К, 41 К. Один из них 40 К ‑ радиоактивен и определенная доля радиоактивности минералов и почвы связана с присутствием этого изотопа. Его период полураспада велик ‑ 1,32 млрд. лет. Определить присутствие калия в образце довольно легко: пары металла и его соединения окрашивают пламя в фиолетово-красный цвет. Спектр элемента довольно прост и доказывает наличие 1е — на 4s-орбитали. Изучение его послужило одним из оснований для нахождения общих закономерностей в строении спектров.

В 1861 г. при исследовании соли минеральных источников спектральным анализом Роберт Бунзен обнаружил новый элемент. Его наличие доказывалось темно-красными линиями в спектре, которых не давали другие элементы. По цвету этих линий элемент и был назван рубидием (rubidus-темно-красный). В 1863 г. Р. Бунзен получил этот металл и в чистом виде восстановлением тартрата рубидия (виннокислой соли) сажей. Особенностью элемента является легкая возбудимость его атомов. Электронная эмиссия у него появляется под действием красных лучей видимого спектра. Это связано с небольшой разницей в энергиях атомных 4d и 5s-орбиталей. Из всех щелочных элементов, имеющих стабильные изотопы, рубидию (как и цезию) принадлежит один из самых больших атомных радиусов и маленький потенциал ионизации. Такие параметры определяют характер элемента: высокую электроположительность, чрезвычайную химическую активность, низкую температуру плавления (39 0 C) и малую устойчивость к внешним воздействиям.

Открытие цезия, как и рубидия, связано со спектральным анализом. В 1860 г. Р.Бунзен обнаружил две яркие голубые линии в спектре, не принадлежащие ни одному известному к тому времени элементу. Отсюда произошло и название «цезиус» (caesius), что значит небесно-голубой. Это последний элемент подгруппы щелочных металлов, который ещё встречается в измеримых количествах. Наибольший атомный радиус и наименьшие первые потенциалы ионизации определяют характер и поведение этого элемента. Он обладает ярко выраженной электроположительностью и ярко выраженными металлическими качествами. Стремление отдать внешний 6s-электрон приводит к тому, что все его реакции протекают исключительно бурно. Небольшая разница в энергиях атомных 5d- и 6s-орбиталей обусловливает легкую возбудимость атомов. Электронная эмиссия у цезия наблюдается под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловых). Указанная особенность структуры атома определяет хорошую электрическую проводимость тока. Все это делает цезий незаменимым в электронных приборах. В последнее время все больше внимания уделяется цезиевой плазме как топливу будущего и в связи с решением проблемы термоядерного синтеза.

На воздухе литий активно реагирует не только с кислородом, но и с азотом и покрывается пленкой, состоящей из Li 3 N (до 75%) и Li 2 O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na 2 O 2) и надпероксиды (K 2 O 4 или KO 2).

Перечисленные вещества реагируют с водой:

Li 3 N + 3 H 2 O = 3 LiOH + NH 3 ;

Na 2 O 2 + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2 O 2 ;

K 2 O 4 + 2 H 2 O = 2 KOH + H 2 O 2 + O 2 .

Для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях, в изолирующих противогазах и дыхательных аппаратах боевых пловцов (подводных диверсантов) использовалась смесь «оксон»:

Na 2 O 2 +CO 2 =Na 2 CO 3 +0,5O 2 ;

K 2 O 4 + CO 2 = K 2 CO 3 + 1,5 O 2 .

В настоящее время это стандартная начинка регенерирующих патронов изолирующих противогазов для пожарных.
Щелочные металлы реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды:

Гидрид лития используется как сильный восстановитель.

Гидроксиды щелочных металлов разъедают стеклянную и фарфоровую посуду, их нельзя нагревать и в кварцевой посуде:

SiO 2 +2NaOH=Na 2 SiO 3 +H 2 O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 1300 0 С). Некоторые соединения натрия называют содами :

а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na 2 CO 3 ;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na 2 CO 3 . 10H 2 O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO 3 ;
г) гидроксид натрия NaOH называют каустической содой или каустиком.

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ПОДГРУППА IА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ЛИТИЙ, НАТРИЙ, КАЛИЙ, РУБИДИЙ, ЦЕЗИЙ, ФРАНЦИЙ
Электронное строение щелочных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного электрона, относительно слабо связанного с ядром. С каждого щелочного металла начинается новый период в периодической таблице. Щелочной металл способен отдавать свой внешний электрон легче, чем любой другой элемент этого периода. Разрез щелочного металла в инертной среде имеет яркий серебристый блеск. Щелочные металлы отличаются невысокой плотностью, хорошей электропроводностью и плавятся при сравнительно низких температурах (табл. 2).
Благодаря высокой активности щелочные металлы в чистом виде не существуют, а встречаются в природе только в виде соединений (исключая франций), например с кислородом (глины и силикаты) или с галогенами (хлорид натрия). Хлориды являются сырьем для получения щелочных металлов в свободном состоянии. Морская вода содержит ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ3% NaCl и следовые количества других солей. Очевидно, что озера и внутренние моря, а также подземные отложения солей и рассолы содержат галогениды щелочных металлов в больших концентрациях, чем морская вода. Например, содержание солей в водах Большого Соленого озера (шт. Юта, США) составляет 13,827,7%, а в Мертвом море (Израиль) до 31% в зависимости от площади зеркала воды, изменяющейся от времени года. Можно полагать, что незначительное содержание KCl в морской воде по сравнению с NaCl объясняется усвоением иона K+ морскими растениями.
В свободном виде щелочные металлы получают электролизом расплавов таких солей, как NaCl, CaCl2, CaF2 или гидроксидов (NaOH), так как нет более активного металла, способного вытеснить щелочной металл из галогенида. При электролизе галогенидов необходимо изолировать выделяющийся на катоде металл, так как одновременно на аноде выделяется газообразный галоген, активно реагирующий с выделяющимся металлом.
См. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО
Поскольку у щелочных металлов на внешнем слое всего один электрон, каждый из них является наиболее активным в своем периоде, так, Li самый активный металл в первом периоде из восьми элементов, Na соответственно во втором, а K самый активный металл третьего периода, содержащего 18 элементов (первый переходный период). В подгруппе щелочных металлов (IA) способность отдавать электрон возрастает сверху вниз.
Химические свойства. Все щелочные металлы активно реагируют с кислородом, образуя оксиды или пероксиды, отличаясь в этом друг от друга: Li превращается в Li2O, а другие щелочные металлы в смесь M2O2 и MO2, причем Rb и Cs при этом возгораются. Все щелочные металлы образуют с водородом солеподобные термически стабильные при высоких температурах гидриды состава M+H, являющиеся активными восстановителями; гидриды разлагаются водой с образованием щелочей и водорода и выделением теплоты, вызывающей воспламенение газа, причем скорость этой реакции у лития выше, чем у Na и K.
См. также ВОДОРОД ; КИСЛОРОД .
В жидком аммиаке щелочные металлы растворяются, образуя голубые растворы, и (в отличие от реакции с водой) могут быть выделены снова при испарении аммиака или добавлении соответствующей соли (например, NaCl из его аммиачного раствора). При реакции с газообразным аммиаком реакция протекает подобно реакции с водой:

Амиды щелочных металлов проявляют основные свойства подобно гидроксидам. Большинство соединений щелочных металлов, кроме некоторых соединений лития, хорошо растворимы в воде. По атомным размерам и зарядовой плотности литий близок к магнию, поэтому свойства соединений этих элементов похожи. По растворимости и термической устойчивости карбонат лития подобен карбонатам магния и бериллия элементов подгруппы IIA; эти карбонаты разлагаются при относительно невысоких температурах вследствие более прочной связи МО. Соли лития лучше растворимы в органических растворителях (спиртах, эфирах, нефтяных растворителях), чем соли других щелочных металлов. Литий (как и магний) непосредственно реагирует с азотом, образуя Li3N (магний образует Mg3N2), тогда как натрий и другие щелочные металлы могут образовывать нитриды только в жестких условиях. Металлы подгруппы IA реагируют с углеродом, но наиболее легко протекает взаимодействие с литием (очевидно, благодаря его малому радиусу) и наименее легко с цезием. И наоборот, активные щелочные металлы непосредственно реагируют с СО, образуя карбонилы (например, K(CO)x), а менее активные Li и Na только в определенных условиях.
Применение. Щелочные металлы применяются как в промышленности, так и в химических лабораториях, например для синтезов. Литий используется для получения твердых легких сплавов, отличающихся, однако, хрупкостью. Большие количества натрия расходуются для получения сплава Na4Pb, из которого получают тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4 антидетонатор бензинового топлива. Литий, натрий и кальций используются как компоненты мягких подшипниковых сплавов. Единственный и поэтому подвижный электрон на внешнем слое делает щелочные металлы прекрасными проводниками тепла и электричества. Сплавы калия и натрия, сохраняющие жидкое состояние в широком интервале температур, применяют как теплообменную жидкость в некоторых типах ядерных реакторов и благодаря высоким температурам в ядерном реакторе используются для производства пара. Металлический натрий в виде подводящих электрических шин используется в электрохимической технологии для передачи токов большой мощности. Гидрид лития LiH является удобным источником водорода, выделяющегося в результате реакции гидрида с водой. Литийалюминийгидрид LiAlH4 и гидрид лития используются в качестве восстановителей в органическом и неорганическом синтезе. Благодаря малому ионному радиусу и соответственно высокой зарядовой плотности литий активен в реакциях с водой, поэтому соединения лития сильно гигроскопичны, и хлорид лития LiCl используется для осушки воздуха при эксплуатации приборов. Гидроксиды щелочных металлов сильные основания, хорошо растворимые в воде; они применяются для создания щелочной среды. Гидроксид натрия как наиболее дешевая щелочь находит широкое применение (только в США ее расходуется в год более 2,26 млн. т).
Литий. Самый легкий металл, имеет два стабильных изотопа с атомной массой 6 и 7; более распространен тяжелый изотоп, его содержание составляет 92,6% от всех атомов лития. Литий был открыт А.Арфведсоном в 1817 и выделен Р.Бунзеном и А.Матисеном в 1855. Он используется в производстве термоядерного оружия (водородная бомба), для увеличения твердости сплавов и в фармацевтике. Соли лития применяют для увеличения твердости и химической стойкости стекла, в технологии щелочных аккумуляторных батарей, для связывания кислорода при сварке.
Натрий. Известен с древности, выделил его Х.Дэви в 1807. Это мягкий металл, широко применяются такие его соединения, как щелочь (гидроксид натрия NaOH), пищевая сода (бикарбонат натрия NaHCO3) и кальцинированная сода (карбонат натрия Na2CO3). Находит применение и металл в виде паров в неярких газоразрядных лампах уличного освещения.
Калий. Известен с древности, выделил его также Х.Дэви в 1807. Соли калия хорошо известны: калиевая селитра (нитрат калия KNO3), поташ (карбонат калия K2CO3), едкое кали (гидроксид калия KOH) и др. Металлический калий также находит различное применение в технологии теплообменных сплавов.
Рубидий был открыт методом спектроскопии Р.Бунзеном в 1861; содержит 27,85% радиоактивного рубидия Rb-87. Рубидий, как и другие металлы подгруппы IA, химически высокоактивен и должен храниться под слоем нефти или керосина во избежание окисления кислородом воздуха. Рубидий находит разнообразное применение, в том числе в технологии фотоэлементов, радиовакуумных приборов и в фармацевтике.
Цезий. Соединения цезия широко распространены в природе, обычно в малых количествах совместно с соединениями других щелочных металлов. Минерал поллуцит силикат содержит 34% оксида цезия Cs2O. Элемент был открыт Р.Бунзеном методом спектроскопии в 1860. Основным применением цезия является производство фотоэлементов и электронных ламп, один из радиоактивных изотопов цезия Cs-137 применяется в лучевой терапии и научных исследованиях.
Франций. Последний член семейства щелочных металлов франций настолько радиоактивен, что его нет в земной коре в более чем следовых количествах. Сведения о франции и его соединениях основаны на исследовании ничтожного его количества, искусственно полученного (на высокоэнергетическом ускорителе) при a-распаде актиния-227. Наиболее долгоживущий изотоп 22387Fr распадается за 21 мин на 22388Ra и b-частицы. Согласно приблизительной оценке, металлический радиус франция составляет 2,7 . Франций обладает большинством свойств, характерных для других щелочных металлов, и отличается высокой электронодонорной активностью. Он образует растворимые соли и гидроксид. Во всех соединениях франций проявляет степень окисления I.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .