IA группа элементов Менделеева

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН Ташкентский Архитектурно-Строительный Институт Факультет Инженерно-Строительной Инфраструктуры Практическая работа по предмету Химии на тему: «IA группа элементов Менделеева

Выполнил: Студент гр. Ким Лев Принял: Преподаватель Ахмедов Р.Т.

Ташкент 2011 г.

Водород. Получение

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н₂O = CO₂^ + 4Н₂ ?165 кДж Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1. Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O > H₂^ + 2NaOH + Cl₂

2. Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000 °C:

H2O + C? H2 + CO

3. Из природного газа.

Конверсия с водяным паром:

CH₄ + H₂O? CO + 3H₂ (1000 °C)

Каталитическое окисление кислородом:

2CH₄ + O₂? 2CO + 4H₂

4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:

Zn + 2HCl > ZnCl₂ + H₂^

2. Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O > Ca (OH)₂ + H₂^

3. Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O > NaOH + H₂^

4. Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O > 2Na[Al (OH)₄] + 3H₂^

Zn + 2KOH + 2H₂O > K₂[Zn (OH)₄] + H₂^

5. С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O+ + 2e? > H₂^ + 2H₂O

Физические свойства

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н₂. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,8 987 г/л (н.у.), температура кипения ?252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9?106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от ?252,76 до ?259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при ?253 °C 0,0708 г/см?) и текучая (вязкость при ?253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура ?240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н₂, 0,21% орто-Н₂.

Твердый водород, температура плавления ?259,2 °C, плотность 0,0807 г/см? (при ?262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде ортои параводорода. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. ?259,10 °C, т. кип. ?252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. ?259,32 °C, т. кип. ?252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂.

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂ = 2Н? 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F₂ + H₂ = 2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

О₂ + 2Н₂ = 2Н₂О Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂O

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N₂ + 3H₂ > 2NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ > 2HF

реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl₂ + H₂ > 2HCl

реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ > CH₄

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2Na + H₂ > 2NaH

Ca + H₂ > CaH₂

Mg + H₂ > MgH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O > Ca (OH)₂ + 2H₂^

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов) Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ > Cu + H₂O

Fe2O₃ + 3H₂ > 2Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ > W + 3H₂O

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс Пищевая промышленность При производстве маргарина из жидких растительных масел.

Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс «Прочие»). Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности Российской Федерации в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции. источник не указан 283 дня]

Авиационная промышленность Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Литий. Получение

В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO₃ (щелочной способ), или обрабатывают K₂SO₄ (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li₂CO₃, который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси).

2LiCl = 2Li + Cl₂

В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.

Физические свойства

Литий — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объёмноцентрированную решётку (координационное число 8), которая при холодной обработке переходит в кубическую плотноупакованную решётку, где каждый атом, имеющий двойную кубооктаэдрическую координацию, окружён 12 другими. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см?, почти в два раза меньше плотности воды).

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380 °C и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие пары щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Химические свойства

Литий является щелочным металлом, однако относительно устойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует. По этой причине литий является единственным щелочным металлом, который не хранится в керосине (к тому же плотность лития столь мала, что он будет в нём плавать) и может непродолжительное время храниться на воздухе.

Во влажном воздухе медленно реагирует с азотом, находящимся в воздухе, превращаясь в нитрид Li₃N, гидроксид LiOH и карбонат Li₂CO₃. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li₂O. Есть интересная особенность, что в интервале температур от 100 °C до 300 °C литий покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, это является качественным признаком для определения лития. Температура возгорания находится около 300 °C. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя LiOH и H₂. Реагирует также с этиловым спиртом (с образованием алкоголята), с водородом (при 500—700 °C) с образованием гидрида лития, с аммиаком и с галогенами (с иодом — только при нагревании). При 130 °C реагирует с серой с образованием сульфида. В вакууме при температуре выше 200 °C реагирует с углеродом (образуется ацетиленид). При 600—700 °C литий реагирует с кремнием с образованием силицида. Химически растворим в жидком аммиаке (?40 °C), образуется синий раствор.

Литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках. Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Применение

Термоэлектрические материалы Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).

Химические источники тока Из лития изготовляют аноды химических источников тока (аккумуляторов, например литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).

Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.

Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидроксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21% (за счёт образования никелатов лития).

Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий-бета-глинозёмом).

Лазерные материалы Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80%) лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.

Окислители Перхлорат лития используют в качестве окислителя.

Дефектоскопия Сульфат лития используют в дефектоскопии.

Пиротехника Нитрат лития используют в пиротехнике.

Сплавы Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием, скандием, медью, кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.

Электроника Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO3 и танталат лития LiTaO3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.

Металлургия В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.

Металлургия алюминия Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия, и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (расход карбоната лития 2,5−3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).

Легирование алюминия Введение лития в систему легирования позволяет получить новые сплавы алюминия с высокой удельной прочностью.

Добавка лития снижает плотность сплава и повышает модуль упругости. При содержании лития до 1,8% сплав имеет низкое сопротивление коррозии под напряжением, а при 1,9% сплав не склонен к коррозионному растрескиванию. Увеличение содержания лития до 2,3% способствует возрастанию вероятности образования рыхлот и трещин. Механические свойства при этом изменяются: пределы прочности и текучести возрастают, а пластические свойства снижаются.

Наиболее известны системы легирования Al-Mg-Li (пример — сплав 1420, применяемый для изготовления конструкций летательных аппаратов) и Al-Cu-Li (пример — сплав 1460, применяемый для изготовления емкостей для сжиженных газов).

Ядерная энергетика Изотопы 6Li и 7Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний.

Сушка газов Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.

Медицина Соли лития обладают нормотимическими и другими лечебными свойствами. Поэтому они находят применение в медицине.

Смазочные материалы Стеарат лития («литиевое мыло») используется в качестве высокотемпературной смазки. См.: литол.

Регенерация кислорода в автономных аппаратах Гидроксид лития LiOH, пероксид Li2O2 и супероксид LiO2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последние два соединения реагируют с выделением кислорода (например, 4LiO2 + 2CO2 > 2Li2CO3 + 3O2), благодаря чему они используются в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.

Силикатная промышленность Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.

Прочие области применения Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление косметики).

Натрий. Получение

Первым способом получения натрия стала реакция восстановления карбоната натрия углем при нагревании тесной смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C:

Затем появился другой способ получения натрия — электролиз расплава едкого натра или хлорида натрия. В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия.

Натрий также можно получить циркониетермическим методом, а также термическим разложением азида натрия.

Физические свойства

Качественное определение натрия с помощью пламени — ярко-жёлтый цвет эмиссионного спектра «D-линии натрия», дублет 588,9950 и 589,5924 нм. Натрий — серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96 842 г/см? (при 19,7 °C), температура плавления 97,86 °C, температура кипения 883,15 °C.

Под давлением становится прозрачным и красным, как рубин.

Химические свойства

Щелочной металл, на воздухе легко окисляется. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина.

При горении на воздухе или в кислороде образуется пероксид натрия:

С водой натрий реагирует очень бурно, реакция идёт с выделением водорода, который может самовоспламениться или взорваться, куски металла всплывают на поверхность и могут расплавиться:

Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействуют со многими неметаллами (за исключением азота, иода, углерода, благородных газов):

Натрий более активный чем литий. С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность нитриду лития):

С разбавленными кислотами взаимодействует как обычный металл:

С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления:

Растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор:

С газообразным аммиаком взаимодействует при нагревании С ртутью образует амальгаму натрия, которая используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла. Сплавляется с калием давая жидкий сплав.

Алкилгалогениды с избытком металла могут давать натрийорганические соединения — высокоактивные соединения, которые обычно самовоспламеняются на воздухе и взрываются с водой.

Применение

Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12%, калий 47%, цезий 41% имеет рекордно низкую температуру плавления ?78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12−24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна) Хлорид натрия (поваренная соль) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство.

Азид натрия (NaN₃) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца.

Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение).

Хлорат натрия (NaClO₃) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.

Калий. Получение

Калий, как и другие щелочные металлы, получают электролизом расплавленных хлоридов или щелочей. Так как хлориды имеют более высокую температуру плавления (600—650 °C), то чаще проводят электролиз расплавленных щелочей с добавкой к ним соды или поташа (до 12%). При электролизе расплавленных хлоридов на катоде выделяется расплавленный калий, а на аноде — хлор:

K+ + e? > K

2Cl?? 2e? > Cl₂

При электролизе щелочей на катоде также выделяется расплавленный калий, а на аноде — кислород:

4OH?? 4e? > 2H₂O + O₂

Вода из расплава быстро испаряется. Чтобы калий не взаимодействовал с хлором или кислородом, катод изготовляют из меди и над ним помещают медный цилиндр. Образовавшийся калий в расплавленном виде собирается в цилиндре. Анод изготовляют также в виде цилиндра из никеля (при электролизе щелочей) либо из графита (при электролизе хлоридов).

Физические свойства

Калий — серебристое вещество с характерным блеском на свежеобразованной поверхности. Очень лёгок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы. Будучи внесённым в пламя горелки калий окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет.

Химические свойства

Элементарный калий, как и другие щелочные металлы, проявляет типичные металлические свойства и очень химически активен, является сильным восстановителем. На воздухе свежий срез быстро тускнеет из-за образования плёнок соединений (оксиды и карбонат). При длительном контакте с атмосферой способен полностью разрушиться. С водой реагирует со взрывом. Хранить его необходимо под слоем бензина, керосина или силикона, дабы исключить контакт воздуха и воды с его поверхностью. С Na, Tl, Sn, Pb, Bi калий образует интерметаллиды.

Взаимодействие с простыми веществами Калий при комнатной температуре реагирует с кислородом воздуха, галогенами; практически не реагирует с азотом (в отличие от лития и натрия). При умеренном нагревании реагирует с водородом с образованием гидрида (200—350 °C):

с халькогенами (100—200 °C, E = S, Se, Te):

При сгорании калия на воздухе образуется надпероксид калия KO2 (с примесью K2O2):

В реакции с фосфором в инертной атмосфере образуется фосфид зелёного цвета (200 °C):

Взаимодействие со сложными веществами Калий при комнатной температуре активно реагирует с водой, кислотами, растворяется в жидком аммиаке (?50 °C) с образованием тёмно-синего раствора.

Калий глубоко восстанавливает разбавленные серную и азотную кислоты:

При сплавлении металлического калия со щелочами он восстанавливает водород гидроксогруппы:

При умеренном нагревании реагирует с газообразным аммиаком с образованием амида (65—105 °C):

Металлический калий реагирует со спиртами с образованием алкоголятов:

Алкоголяты щелочных металлов (в данном случае, этаноат калия) являются очень сильными основаниями и широко используются в органическом синтезе.

Соединения с кислородом При взаимодействии калия с кислородом воздуха образуется не оксид, а пероксид и супероксид:

Оксид калия может быть получен при нагревании металла до температуры не выше 180 °C в среде, содержащей очень мало кислорода, или при нагревании смеси супероксида калия с металлическим калием:

Оксиды калия обладают ярко выраженными основными свойствами, бурно реагируют с водой, кислотами и кислотными оксидами. Практического значения они не имеют. Пероксиды представляют собой желтовато-белые порошки, которые, хорошо растворяясь в воде, образуют щёлочи и пероксид водорода:

Свойство обменивать углекислый газ на кислород используется в изолирующих противогазах и на подводных лодках. В качестве поглотителя используют эквимолярную смесь супероксида калия и пероксида натрия. Если смесь не эквимолярна, то в случае избытка пероксида натрия поглотится больше газа, чем выделится (при поглощении двух объёмов CO₂ выделяется один объём O₂), и давление в замкнутом пространстве упадёт, а в случае избытка супероксида калия (при поглощении двух объёмов CO₂ выделяется три объёма O₂) выделяется больше газа, чем поглотится, и давление повысится.

В случае эквимолярной смеси (Na2O2:K2O4 = 1:1) объёмы поглощаемого и выделяемого газов будут равны (при поглощении четырёх объёмов CO2 выделяется четыре объёма O2).

Пероксиды являются сильными окислителями, поэтому их применяют для отбеливания тканей в текстильной промышленности. Получают пероксиды прокаливанием металлов на воздухе, освобождённом от углекислого газа. Также известен озонид калия KO3, оранжево-красного цвета. Получить его можно взаимодействием гидроксида калия с озоном при температуре не выше 20 °C:

Озонид калия является очень сильным окислителем, например, окисляет элементарную серу до сульфата и дисульфата уже при 50 °C:

Гидроксид Гидроксид калия (или едкое кали) представляет собой твёрдые белые непрозрачные, очень гигроскопичные кристаллы, плавящиеся при температуре 360 °C. Гидроксид калия относится к щелочам. Он хорошо растворяется в воде с выделением большого количества тепла. Растворимость едкого кали при 20 °C в 100 г воды составляет 112 г.

Применение

Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например, в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. Сплав состава: натрий 12%, калий 47%, цезий 41% — обладает рекордно низкой температурой плавления ?78 °C.

Соединения калия — важнейший биогенный элемент и потому применяются в качестве удобрений.

Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они часто более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока.

Рубидий. Получение

Большую часть добываемого рубидия получают как побочный продукт при производстве лития из лепидолита. После выделения лития в виде карбоната или гидроксида рубидий осаждают из маточных растворов в виде смеси алюморубидиевых, алюмокалиевых и алюмоцезиевых квасцов RbAl (SO4)2· 12H2O, KAl (SO4)2· 12H2O, CsAl (SO4)2· 12H2O. Смесь разделяют многократной перекристаллизацией.

Рубидий также выделяют и из отработанного электролита, получающегося при получении магния из карналлита. Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках ферроцианидов железа или никеля. Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs3[Sb2Cl9]. Можно извлекать рубидий и из технологических растворов, образующихся при получении глинозёма из нефелина.

Для извлечения рубидия используют методы экстракции и ионообменной хроматографии. Соединения рубидия высокой чистоты получают с использованием полигалогенидов.

Значительную часть производимого рубидия выделяют в ходе получения лития, поэтому появление большого интереса к литию для использования его в термоядерных процессах в 1950;х привело к увеличению добычи лития, а, следовательно, и рубидия. Именно поэтому соединения рубидия стали более доступными.

Физические свойства

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы, имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 МН/м? (0,02 кгс/мм?). Кристаллическая решётка Рубидия кубическая объёмно-центрированная, а=5,71 A (при комнатной температуре). Атомный радиус 2,48 A, радиус иона Rb+ 1,49 A. Плотность 1,525 г/см? (0 °C), tпл 38,9 °C, tкип 703 °C. Удельная теплоемкость 335,2 Дж/(кг· К) [0,08 кал/(г· °С)], термический коэффициент линейного расширения 9,0?10?5 град?1 (0−38 °C), модуль упругости 2,4 ГН/м? (240 кгс/мм?), удельное объёмное электрическое сопротивление 11,29?10?6 ом· см (20 °C); рубидий парамагнитен.

Химические свойства

Щелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимые (хлораты и перхлораты малорастворимы).

Соединения рубидия Гидроксид рубидия RbOH — весьма агрессивное вещество к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный RbOH разрушает большинство металлов (даже золото и платину).

Применение

Хотя в ряде областей применения рубидий уступает цезию, этот редкий щелочной металл играет важную роль в современных технологиях. Можно отметить следующие основные области применения рубидия: катализ, электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина.

Рубидий используется не только в чистом виде, но и в виде ряда сплавов и химических соединений. Рубидий имеет хорошую сырьевую базу, более благоприятную, чем для цезия. Область применения рубидия в связи с ростом его доступности расширяется.

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием — это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов (в этой связи рубидий и цезий в последние годы приобрели важное значение, и чрезвычайная дороговизна металлов уходит на второй план по отношению к возможностям резко увеличить КПД турбоагрегатов, а значит и снизить расходы топлива и загрязнение окружающей среды). Применяемые наиболее широко в качестве теплоносителей системы на основе рубидия — это тройные сплавы: натрий-калий-рубидий, и натрий-рубидий-цезий.

В катализе рубидий используется как в органическом, так и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия используется в основном для переработки нефти на ряд важных продуктов. Ацетат рубидия, например, используется для синтеза метанола и целого ряда высших спиртов из водяного газа, что актуально в связи с подземной газификацией угля и в производстве искусственного жидкого топлива для автомобилей и реактивного топлива. Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия, и в связи с этим он способен в этом случае составить конкуренцию цезию как материал для фотопреобразователей. В составе специальных смазочных композиций (сплавов), рубидий применяется как высокоэффективная смазка в вакууме (ракетная и космическая техника).

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных химических источников тока, а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита. В гидридных топливных элементах находит применение металлический рубидий.

Хлорид рубидия в сплаве с хлоридом меди находит применение для измерения высоких температур (до 400 °C).

Пары рубидия используются как рабочее тело в лазерах, в частности, в рубидиевых атомных часах.

Хлорид рубидия применяется в топливных элементах в качестве электролита, то же можно сказать и о гидроксиде рубидия, который очень эффективен как электролит в топливных элементах, использующих прямое окисление угля.

Цезий. Получение

Основными цезиевыми минералами являются поллуцит и очень редкий авогадрит (K, Cs)[BF4]. Кроме того, в виде примесей цезий входит в ряд алюмосиликатов: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит, берилл, циннвальдит, лейцит, карналлит. В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит.

При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита. Это делается хлоридным или сульфатным вскрытием. Первое включает обработку исходного минерала подогретой соляной кислотой, добавление хлорида сурьмы SbCl3 для осаждения соединения Cs3[Sb2Cl9] и промывку горячей водой или раствором аммиака с образованием хлорида цезия CsCl. При втором — минерал обрабатывается подогретой серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl (SO4)2 · 12H2O.

В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита не велась, хотя в Вороньей тундре под Мурманском ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала. К тому времени, когда российская промышленность смогла встать на ноги, выяснилось, что лицензию на разработку этого месторождения купила Канадская компания. В настоящее время переработка и извлечение солей цезия из поллуцита ведется в Новосибирске на ЗАО «Завод редких металлов».

Существует несколько лабораторных методов получения цезия[5]. Он может быть получен:

нагревом в вакууме смеси хромата или дихромата цезия с цирконием;

разложением азида цезия в вакууме;

нагревом смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция.

Все методы являются трудоёмкими. Второй позволяет получить высокочистый металл, однако является взрывоопасным и требует на реализацию несколько суток.

Физические свойства

Цезий — мягкий металл, из-за низкой температуры плавления (Tпл=28,6 °C) при комнатной температуре находится в полужидком состоянии. Металлический цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета, по внешнему виду похожее на золото, но светлее. Расплав представляет подвижную жидкость, при этом его цвет становится более серебристым. Жидкий цезий хорошо отражает свет. Пары цезия окрашены в зеленовато-синий цвет.

Кристаллизуется цезий в объёмно-центрированную кубическую решётку (тип б-железа), пространственная группа I m3m, a = 0,6141 нм, Z = 2. При высоком давлении может переходить в другие полиморфные модификации[10]. Цезий — парамагнетик.

Цезий растворяется в жидком аммиаке (тёмно-синие растворы) и расплавленном CsOH.

Химические свойства

Цезий является наиболее химически активным металлом (так как активность щелочных металлов растёт с порядковым номером, то франций, вероятно, ещё более активен, но в макроскопических количествах не получен, так как все его изотопы имеют малый период полураспада). Является сильнейшим восстановителем. На воздухе цезий мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO2. При ограниченном доступе кислорода окисляется до оксида Cs2O.

Взаимодействие с водой происходит со взрывом, продуктом взаимодействия являются гидроксид CsOH и водород H2. Цезий вступает в реакцию со льдом (даже при ?120 °C), простыми спиртами, галогеноорганическими соединениями, галогенидами тяжёлых металлов, кислотами, сухим льдом (взаимодействие протекает с сильным взрывом). Реагирует с бензолом. Активность цезия обусловлена не только высоким отрицательным электрохимическим потенциалом, но и невысокой температурой плавления и кипения (быстро развивается очень большая контактная поверхность, что увеличивает скорость реакции). Многие образуемые цезием соли — нитраты, хлориды, бромиды, фториды, йодиды, хроматы, манганаты, азиды, цианиды, карбонаты и т. д. — чрезвычайно легко растворимы в воде и ряде органических растворителей, наименее растворимы перхлораты (что важно для технологии получения и очистки цезия). Несмотря на то, что цезий является весьма активным металлом, он, в отличие от лития, не вступает в реакцию с азотом при обычных условиях и, в отличие от бария, кальция, магния и ряда других металлов, не способен образовать с азотом соединений даже при сильнейшем нагревании.

Гидроксид цезия — сильнейшее основание с высочайшей электропроводностью в водном растворе; так, например, при работе с ним необходимо учитывать, что концентрированный раствор CsOH разрушает стекло даже при обычной температуре, а расплав разрушает железо, кобальт, никель, а также платину, корунд и диоксид циркония, и даже постепенно разрушает серебро и золото (в присутствии кислорода — очень быстро). Единственным устойчивым в расплаве гидроксида цезия металлом является родий и его некоторые сплавы.

электролиз водород литий химический

Применение

Цезий нашёл применение только в начале XX века, когда были обнаружены его минералы и разработана технология получения в чистом виде. В настоящее время цезий и его соединения используются в электронике, радио-, электро-, рентгенотехнике, химической промышленности, оптике, медицине, ядерной энергетике. В основном применяется стабильный природный цезий-133, и ограниченно — его радиоактивный изотоп цезий-137, выделяемый из суммы осколков деления урана, плутония, тория в реакторах атомных электростанций.

Фотоэлементы, фотоумножители Благодаря крайне низкой работе выхода электрона, цезий используется при производстве высокочувствительных и малоинерционных фотоэлектрических приборов — фотоэлементов, фотоумножителей. В фотоэлементах цезий обычно применяется в виде сплавов с сурьмой, кальцием, барием, алюминием, или серебром, которые вводятся для повышения эффективности устройства, а также для экономии чрезвычайно дорогого цезия. Такие фотоэлементы способны работать в широком диапазоне длин волн: от дальней инфракрасной, до коротковолновой ультрафиолетовой области электромагнитного излучения, что делает цезиевые фотоэлементы эффективнее рубидиевых.

Счётчики заряженных частиц Йодид цезия в виде монокристаллов является чрезвычайно важным и чувствительным материалом в области регистрации излучений (для этого он активируется таллием). Детекторы частиц на его основе применяются в атомной технике, геологии, медицине, космических исследованиях. Так, например, измерения элементного состава поверхности Марса выполнялись с помощью гамма спектрометра на основе CsI (Tl), установленного на космическом орбитальном аппарате «Марс-5».

Оптика Йодид и бромид цезия применяются в качестве оптических материалов в специальной оптике — инфракрасные приборы, очки и бинокли ночного видения, прицелы, обнаружение техники и живой силы противника (в том числе из космоса).

Источники света В электротехнике цезий применяется в изготовлении светящихся трубок, в виде соединений с цирконием или оловом (метацирконаты и ортостаннаты цезия). Наряду с другими металлами цезий используется для наполнения осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.

Катализаторы Цезий нашёл большое применение в производственной химии в качестве катализатора (органический и неорганический синтез). Каталитическая активность цезия используется в процессах получения аммиака, серной кислоты, бутилового спирта, в реакциях дегидрогенизации и при получении муравьиной кислоты. Особенно эффективным является применения цезия как промотора при каталитическом получении аммиака, синтезе бутадиена, и имеет очень большое экономическое значение так как резко увеличивает эффективность синтеза. Очень большое значение приобрел рутений-цезий-углеродный катализатор. В целом применение цезия в катализе имеет не только большую сферу его потребления, но и большие перспективы дальнейшего развития. В ряде катализаторов оказалось чрезвычайно эффективным применение цезия совместно с рубидием (оба металла значительно увеличивают каталитическую активность друг друга). Цезий промотирует действие серебряного катализатора, и повышает его селективность при эпоксидировании этилена.

Химические источники тока На основе цезия создан и применяется высокоэффективный твёрдый электролит для топливных элементов (в том числе автомобильных), и аккумуляторов чрезвычайно высокой энергоёмкости — цезий-бета-глинозём (алюминат цезия).

Изотопы Радиоактивный нуклид цезий-137 претерпевает бета-распад (период полураспада 30,17 лет, продукты распада барий-137 и барий-137m) используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике и при стерилизации пищевых продуктов (консервы, туши птиц и животных, мяса), а также для стерилизации медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида цезия (плотность 3,9 г/см?, энерговыделение около 1,27 Вт/см?). Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ в непрозрачных бункерах.

Единственный стабильный нуклид цезий-133 используется в атомных часах. Медицина На основе соединений цезия созданы эффективные лекарственные препараты для лечения язвенных заболеваний, дифтерии, шоков, шизофрении.

Применение цезия в энергетике и космосе Значительной сферой применения металлического цезия являются новейшие и стремительно развивающиеся работы и производство энергетических агрегатов. Цезиевая плазма является важнейшей и неотъемлемой компонентой МГД-генераторов с повышенным КПД до 65—70%. Ионизированые пары цезия являются лучшим рабочим телом для ионных двигателей в космосе.

Сплав цезия с барием является лучшим[источник не указан 944 дня] из известных материалов для выпрямления сверхмощных потоков электроэнергии (превосходя в этом отношении ртутные и полупроводниковые вентили) и в будущем займёт важнейшее положение в большой энергетике и космических электроракетных установках. Одним из его отличительных особенностей является возможность выпрямления и коммутирования чудовищных мощностей в импульсном режиме. Ввиду того, что цезий имеет большую теплоёмкость, теплопроводность и ряд собственных сплавов с очень низкой температурой плавления (цезий 94,5% и натрий 5,5%) ?30 °C, то используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах и высокотемпературных турбоэнергетических установках, а сплав состава натрий 12%, калий 47%, цезий 41% обладает рекордно низкой температурой плавления ?78 °C среди сплавов.

В течение последних 25 лет цезий исследуется в мире как Материя Ридберга (конденсат возбуждённых состояний цезия КВС), по предварительным оценкам, сделанным экспериментально в Швеции и России, КВС цезия при температуре менее 700 K имеет весьма высокую электропроводность и работу выхода менее 1эВ и вплоть до 0,2 эВ, что позволяет применить металлический цезий для производства высокоэффективных источников тока, электростанций, утилизации тепла (например тепла продуктов сгорания автомобилей). Конденсат возбуждённых состояний цезия образуется при прокачке его паров сквозь перфорированный (губчатый) материал коллектора, имеющий на своей поверхности тончайший слой углерода или окислов (например, карбид гафния, ниобия или тантала). Для исследования КВС цезия применяется растровое лазерное сканирование, оптическая спектроскопия и съёмка видеокамерой, и уже в ходе первых исследований были обнаружены аномальные явления, проявившие себя в образовании кластеров капельной плазменной фракции, окрашенной в зеленые тона, и резком уменьшении работы выхода коллектора.

Металлургия Металлический цезий на заре поисков его ассимиляции в промышленности обнаружил свойство резко повышать жаропрочность магния и алюминия, так например добавка 0,3—0,4% цезия к магнию в 3 раза повышает его прочность на разрыв и резко улучшает его коррозионную стойкость, но ввиду весьма высокой цены, и наличия других более дешёвых металлов для легирования он не применяется для этой цели.

Высокотемпературная сверхпроводимость Недавно найдено, что продукты внедрения цезия в графит (фуллериды) обладают свойством высокотемпературной сверхпроводимости и интенсивно изучаются.

Производство лазеров В последние годы цезий так же весьма интенсивно изучается как рабочее тело и излучательная среда для создания лазеров имеющих рекордные значения пиковых мощностей как в непрерывном так и в импульсном режиме работы, и в значительной степени этот интерес и огромные капиталовложения направлены на разработку лазеров для вооружения и в области получения термоядерной энергии, но… в равной степени интересу и капиталовложениям противопоставлена закрытость и минимум информации для печати (обусловленных некоторой соревновательностью развитых в технологическом отношении стран, заинтересованных в этом направлении).

Производство электродов Совершенно особое место и очень большую область применения и расхода металлического цезия в последние годы представляет его использование в качестве добавки к вольфраму для производства электродов мощных осветительных дуговых ламп и электродов применяемых для сварки алюминия, магния, титана, церия, нержавеющей стали и целого ряда активных сплавов в среде аргона, гелия и водорода. Применение этой добавки (около 0,1—0,35%) в значительной степени облегчает зажигание и горение дуги при низком напряжении.

Термоэлектрические материалы Совсем недавно цезий приобрёл новое направление своей ассимиляции (освоение практикой), и это направление является революционным прорывом для разработки новейшей компьютерной техники, генераторов энергии, холодильников глубокого холода (криогенных) и так далее. Оказалось что сплав сверхчистого висмута, сверхчистого теллура, и сверхчистого цезия обладает поистине фантастическими возможностями для создания охладителей основанных на эффекте Пельтье. Как показывает практический опыт эксплуатации этого нового полупроводникового материала, его использование наиболее эффективно именно в новейших суперпроцессорах на основе нитрида бора и монокристаллического алмаза в качестве теплоотвода и основы схемы. Применение этого материала открывает широкие возможности для повышения быстродействия — то есть «ускорения холодом». Так в опытах с этим новым полупроводниковым материалом удалось на сегодняшний день получить охлаждение вплоть до ?237 °C, и это в свою очередь позволяет создавать микрохолодильники для охлаждения мощных процессоров (в том числе нанопроцессоров), холодильники для глубокой заморозки тканей и клеточного материала, сжижения газов, охлаждения боевых ультрафиолетовых и инфракрасных лазерных систем, тепловизоров, а в перспективе для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников для высокоскоростного транспорта на «магнитной подушке». Очень важным направлением использования данного полупроводника ряд специалистов рассматривает создание лазеров на монокристаллах алмаза с очень высоким КПД, и возможностью работы в пикосекундном диапазоне, что очень важно для конструирования оптоэлектронных систем для обработки информации. Ведущей страной в этой новой области использования является Япония.

Оптические материалы микроэлектроники Триборат цезия и триборат цезия-лития, а также фосфат цезия-галлия используются как специальные оптические материалы в новейших областях радиоэлектроники.

Пьезоэлектрические материалы Дигидрофосфат цезия в 7 раз более эффективный пьезоэлектрик, чем кварц, и, несмотря на то, что несколько уступает по эффективности сегнетовой соли, тем не менее более устойчив к влаге чем последняя.

Атомно-водородная энергетика Совершенно исключительное значение металлический цезий играет в атомно-водородной энергетике при разложении воды термохимическим способом (цикл «Аэроджет Дженерал»).

Защита воздушных судов Очень важной областью применения цезия является производство специальных ламп с электронным управлением, для создания тепловых помех для ракет противника. Такие цезиевые лампы устанавливаются на современных боевых самолётах и в значительной степени повышают живучесть самолетов в бою.

Прочие области ассимиляции цезия Фторид цезия применяют для получения фторорганических соединений, пьезоэлектрической керамики, специальных стекол. Хлорид цезия — электролит в топливных элементах, флюс при сварке молибдена.

Франций. Получение

Микроскопические количества франция-223 и франция-224 могут быть химически выделены из минералов урана и тория. Другие изотопы франция получают искусственным путём с помощью ядерных реакций.

Наиболее распространённый способ получения франция путём ядерной реакции:

197Au + 18O > 210Fr + 5n

Интересно, что в данной реакции используется золото. С помощью этой реакции могут быть синтезированы изотопы с массовыми числами 209, 210 и 211. Однако все эти изотопы распадаются быстро (период полураспада 210Fr и 211Fr — три минуты, а 209Fr — за 50 секунд).

Физические и химические свойства

Франций похож по свойствам на цезий. Всегда сокристаллизуется с его соединениями. Так как в распоряжении исследователей имеются лишь мельчайшие образцы, содержащие не более 10?7 г франция, то сведения о его свойствах известны с достаточно большой погрешностью, однако они все время уточняются. Согласно последним данным, плотность франция при комнатной температуре составляет 1,87 г/см?, температура плавления 27 °C, температура кипения 677 °C, удельная теплота плавления 9,385 кДж/кг.