Распространенность металлов s-блока в природе и их применение

Элементы-металлы 5-блока в 3-м и 4-м периодах — натрий, калий, магний и кальций — широко распространены в природе. Кальций по содержанию в земной коре занимает пятое место (после кислорода, кремния, алюминия и железа).

Калий и натрий встречаются в виде растворимых в воде солей: галит NaCl, сильвин КС1, сильвинит NaCl • КС1, мирабилит Na₂S0₄? 10Н₂О и др. Они входят также в состав разнообразных силикатов. Эти минералы нерастворимы в воде, но ионы щелочных металлов постепенно освобождаются из них по мере разрушения минералов под действием воды, перепадов температуры и других внешних факторов. Потребность в соединениях натрия очень велика. Одного только хлорида натрия добывается до 200 млн т в год. Он используется как пищевое вещество и идет также на производство хлора, щелочи, соды и других солей натрия. Металлического натрия производится свыше 200 тыс. т. Производство солей калия также очень велико — более 50 млн т. Большая часть добываемых солей калия идет на производство удобрений. Металлический калий производится в количестве 200 т/год.

Остальные щелочные металлы считаются редкими элементами. Литий образует несколько минералов: сподумен LiAlSi₂0₆, лепидолит KLiAl (F, OH)₂Si₄O₁₀ и некоторые другие. Значительное количество лития используется в атомной технике. Например, в ядерных реакторах из легкого изотопа лития при бомбардировке нейтронами получают тритий:

В этой ядерной реакции ядро атома металла превращается в два ядра атомов газов.

Рубидий не образует своих минералов и встречается только как спутник калия. Это объясняется большим сходством атомов калия и рубидия по значениям атомных радиусов. В природе отношение средней распространенности калия к распространенности рубидия составляет -230. Соотношение тех же величин для организма человека — около 200. Различие в этих числах невелико. Можно сделать вывод, что в организме человека рубидий является примесным элементом. Рубидий находит применение в электронной и космической технике в ограниченном количестве. Производство его соединений в пересчете на металл — около 1 т в год.

Цезий встречается в виде минерала поллуцита (Cs, Na)₄Al₄Si₉0₂₆-Н₂0. Примесь цезия есть также в некоторых минералах лития. Цезий находит важное применение в электронной технике. Благодаря низкой энергии ионизации (см. табл. 26.1) цезий оказывается особенно пригодным в качестве материала катода в фотоэлементах. Схема фотоэлемента показана на рис. 26.1. Цезием покрыта внутренняя поверхность вакуумного стеклянного прибора. Под действием световых лучей электроны вылетают с поверхности цезия и летят к аноду. Таким образом, световой сигнал преобразуется в электрический ток. На свойствах атома цезия давать особый энергетический переход с длиной волны 3,26 см основано действие необычайно точных цезиевых часов. Мировое производство соединений цезия в пересчете на металл составляет около 20 т в год.

Рис. 26.1. Схема фотоэлемента.

Из элементов группы ПА широко распространены в природе магний и кальций (см. табл. 25.2). Распространенность стронция и бария в 100 раз меньше, чем кальция. Магний находится в природе в морской воде (MgCl₂) и в многочисленных минералах. В твердом виде известен растворимый минерал карналлит MgCl₂ • КС1 • 6Н₂0. К минералам магния относится хорошо известный очень мягкий тальк Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂. Кальций образует мощные пласты разновидностей карбоната кальция: известняк, мел, мрамор, кальцит. Важное практическое значение имеют также флюорит CaF₂ и доломит СаС0₃ — MgC0₃.

Магний в возрастающем количестве применяется в легких сплавах (плотность ~1,8 г/см³). Его производство приближается к 0,5 млн т в год. Он приобретает почти такое же значение, как алюминий. Наиболее часто применяются сплавы, содержащие кроме магния алюминий, цинк и цирконий. Из этих сплавов изготавливают детали самолетов, электродвигателей, корпуса оптических приборов и др.

Кальций тоже в значительном количестве применяется в виде металла (2000 т/год), но главное его применение — в строительной индустрии. Производство оксида кальция составляет более 100 млн т в год.

Стронций встречается в природе в виде минералов целестина SrS0₄ и стронцианита SrC0₃, а барий, главным образом в виде барита BaS0₄. Стронций применяется как добавка в металлургических процессах, но главная область его применения — изготовление оптического стекла. Производство соединений стронция в пересчете на металл — около 150 тыс. т в год.

Наиболее практически важным соединением бария является барит, получаемый непосредственно из минерала. Барит называют тяжелым шпатом из-за его большой плотности, равной 4,5 г/см³. Добыча барита составляет значительную массу — более 7 млн т в год. В виде белого порошка он применяется как наполнитель в производстве резины, бумаги, линолеума, в больших количествах — как утяжелитель буровых растворов. Барит, будучи соединением тяжелого металла, сильно поглощает рентгеновские лучи и радиоактивные излучения. Его добавляют в специальный бетон для защиты от излучений. На этом же свойстве основано применение осажденного из раствора сульфата бария для рентгеноскопии желудочнокишечного тракта.

Общим химическим свойством всех элементов — металлов 5-блока является легкость потери электронов с внешней оболочки и образование устойчивых ионов с электронной структурой благородных газов. Атомы щелочных металлов отдают по одному внешнему электрону, образуя ионы Ме⁺. Из табл. 26.1 следует, что энергия ионизации при потере атомом первого электрона в несколько раз ниже, чем при потере следующего электрона. В химических процессах потеря второго электрона из-за этого оказывается невозможной, и щелочные металлы имеют единственную положительную степень окисления +1. У металлов группы ПА различие в энергиях ионизации для первого и второго электронов невелико (см. табл. 26.2), но наблюдается большой скачок значений I при потере третьего электрона. Поэтому все металлы этой группы в устойчивых соединениях имеют единственную положительную степень окисления +2.

В обеих группах энергии ионизации уменьшаются при переходе сверху вниз. Этим обусловлено увеличение в том же направлении химической активности металлов.

Химические связи металлов 5-блока носят преобладающий ионный характер. Ионы Ме⁺ и Ме²⁺ находятся в оксидах, гидроксидах и очень многочисленных солях. При наличии необходимых условий эти ионы участвуют в обменных реакциях. Окислительно-восстановительные реакции в растворах для этих ионов совершенно исключены. Ионы 5-элементов металлов почти не образуют комплексов с обычными монодентатными лигандами. Они только играют роль ионов внешней сферы. Таким образом, на долю всех этих ионов в растворах остаются только реакции образования осадков. Здесь следует провести резкую границу между ионами с зарядами +1 и +2. Однозарядные ионы щелочных металлов образуют очень мало нерастворимых в воде соединений. Для двухзарядных ионов, напротив, характерно образование нерастворимых солей с большинством мпогозарядных анионов.