IА група (Първа главна подгрупа) на Периодичната система

IА група (групата на алкалните метали) включва елементите: Литий (Li), Натрий (Na), Калий (K), Рубидий (Rb), Цезий (Cs), Франций (Fr); При всички тях се изгражда s-подслоя на различен атомен слой, което ги категоризира като s-елементи. Например на лития се изгражда 2s-подслоя, а на натрия 3s-подслоя. Всички те имат по един валентен електрон, което ги кара да проявяват постоянната първа валентност в съединенията си.

Простите вещества на елементите от IА група притежават метален характер и са изключително реактивоспособни. Затова в природата тези химични елементи се срещат под формата на съединения (соли и минерали). Всички алкали притежават характерните за металите свойства: метален блясък, ковкост, изтегливост, топло- и електропроводимост. Леки са и едновременно с това меки – всички могат лесно да се режат с нож, като само литият е малко по твърд. Всички оцветяват пламъка както следва: натрия в жълто, лития в малиновочервено, калия във виолетово, рубидия във виолетовочервено, цезия в синьо. Алкалните метали имат ниски температури на топене.

Названието Литий (λίθος) произлиза от гръцки и означава камък. Натрий идва също от гръцки (Νάτριο), а калий от латински (kalium, макар на английски да използват арабското му название potassium). Цезият и рубидият пък имат имена, които са свързани с цвета на главните линии в спектрите им (rubidius-червен, caesius-син). Франций (francium) – кръстен е на държавата Франция, в която е бил открит за първи път в института „Кюри“.

Литий  – IА Група

Литий е първият представител на алкалните метали, който не само има най-малка атомна маса, но е по-лек и от водата. По-слабата му реактивност в сравнение с другите алкални елементи се дължи на голямата близост на валентния му електрон до ядрото. Също спрямо тях, температурата му на топене и тази на кипене са най-високи, но отнесени към всички останали метали са изключително ниски.

Химични свойства

При стайна температура той не реагира с въздуха, а взаимодействието му с водата е относително не много енергично. Това не важи за стопилката от литий, която се взривява при контакт с вода.

2Li + 2H₂O → 2LiOH + ↑H₂

При температура около 600°С, литиевият хидроксид се разлага до оксид и вода:

2LiOH → Li₂O + H₂O

В кислородна среда и при нагряване литият изгаря до получаването на дилитиев оксид:

4Li + O₂ → 2Li₂O

При взаимодействие с хлор се получава литиев хлорид, който от своя страна може да реагира със сребърен нитрат и да се получи литиев нитрат:

2Li + Cl₂ → 2LiCl – реакцията е силно екзотермична и за приложни цели се предпочита друга:

Li₂CO₃ + HCl → LiCl + H₂O + CO₂

LiCl + AgNO₃ → AgCl + LiNO₃ (литиев нитрат)

Получаването на литиев пероксид протича на два етапа:

LiOH.H₂O + H₂O₂ → LiOOH + 2H₂O

при внимателно нагряване следва: 2LiOOH.H₂O → Li₂O₂ (литиев пероксид) + H₂O₂ + 2H₂O

В присъствие на влага литиевият пероксид реагира с въглеродния диоксид и освобождава кислород:

2Li₂O₂ + 2CO₂ → 2Li₂CO₃ + O₂

Тази реакция е част от пречистващите системи на въздуха в космическите кораби и подводниците.

Измежду алкалните метали само литият реагира с азота директно:

6Li + N₂ → 2Li₃N

Едни от най-важните литиеви съединения са органометалните. В някои случаи те се получават при директното взаимодействие на литий с халогенопроизводни:

2Li + RX (мастно хал.произв.) → LiR + LiX

Литиев хидрид също може да се получава при директно взаимодействие, но ако температурата е в интервала 500° – 700°С:

2Li + H₂ → 2LiH

Значение и употреба на литий

Литий се извлича главно от солите му чрез електролиза. Известно е, че едни от най-богатите залежи се намират в Латинска Америка, като Боливия е собственик на близо половината от известните до сега световните запаси.

Както вече споменахме по-горе, литият се използва в системи за пречистване на въздуха. Освен това той и неговите съединения са част от различни металургични и фармацевтични производства, военната и ядрената промишленост, а също се използват в електрониката и батериите.

Въпреки че натриевата и калиевата основи са предпочитани за производството на сапуни, често за определени дейности се правят такива от литиева основа. Течният литий се използва като топлоносител в ядрените реактори. Един от изотопите се използва при производството на тритий:

⁶Li + n → ⁴He + ³H (тритий)

Натрий – IА Група

Натрият е неизменна част от ежедневието на всеки човек под една или друга форма. Като метал (просто вещество) той притежава всички характеристики за останалите алкали. Мек и силно реактивен, натрият има характерните метален блясък и електропроводимост.

Заради високата си реактивоспособност в природа се среща само под формата на химични съединения. Извличането му става посредством електролиза на стопилка на солите му (например NaCl – готварска сол).

Натриевите йони са много разпространени както в солените води, така и в живите организми и притежават изключително голяма роля за живота на Земята.

Химични свойства

Натрият реагира с неметалите с лекота:

2Na + Cl₂ → 2NaCl

2Na + H₂ → 2NaH

Реакцията с кислорода може да протече в две направления. Ако средата е бедна на кислород ще се получи предимно динатриев оксид, а ако е богата – натриев пероксид:

4Na + О₂ → 2Na₂О

2Na + О₂ → Na₂О₂

Обикновено получаването на оксида става индиректно при взаимодействие на натрий и натриева основа:

2Na + 2NaОH → 2Na₂О + ↑H₂

Натриевата основа се получава при взаимодействие на натрий с вода – реакцията е бурна и натрият се самозапалва и взривява. Затова при съхраняването на натрий не трябва да се допуска контакт с вода, водни пари или лед, а той се потапя в керосин или ксилол.

2Na + 2H₂O → 2NaOH + ↑H₂

Освен оксид и пероксид, ако натриеви пари се пропуснат в атмосфера богата на кислород и под високо налягане, тогава се получава натриев супероксид (жълто кристално вещество):

↑Na + ↑О₂ → NaО₂

Натрият реагира и с неорганични киселини:

2Na + HCl → 2NaCl + ↑H₂

Той проявява голяма реактивоспособност към много неметали, като образува сулфиди, нитриди, различни халогениди и множество други соли като нитрати, сулфати, цианиди и пр. Натрий обаче се използва успешно и в органичните реакции и подходящ пример за това е вюрцовият синтез:

R-X + 2Na + X-R → R-R + 2NaX

При работа с метала, не трябва да се допуска случаен негов досег до халогенопроизводни, защото може да последва експлозия.

Калий – IА Група

От алкалните метали, след натрия, калият е втори по разпространение. Той също има неизмеримо значение за живата и неживата природа. В океанските и морските води солите му се срещат по-рядко от натриевите, защото се абсорбират в почвата.

Силно реактивен метал с плътност по-малка от тази на водата, калият е топло- и електропроводим. Подобно на натрия е много мек и се реже лесно с нож. Също трябва да се съхранява потопен в керосин или ксилол и в съд запушен с коркова тапа и на тъмно. Не трябва да се използва стъклена запушалка!

Химични свойства

Свойствата на химичните елементи от IА група са много сходни, което прави калия в химичен аспект много да наподобява натрия. Чист калий може да се получи при реакцията на стопилка от калиев хлорид с пари от чист натрий:

KCl + ↑Na → NaCl +↑K

Интересното на горната окислително-редукционна реакция е, че и двата метала участват в газообразно състояние. По подобен начин с помощта на калий се получават и други метали:

MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl

Калият може да взаимодейства освен с кислорода, също и с озона, при което се получава силния окислител калиев озонид:

K + О₃ → KО₃ (калиев озонид)

Въпреки че, натрият също образува цианид, този на калия е далеч по-известен особено като бързодействаща отрова. Днес той се получава от калиев хидроксид и се използва при извличането на златна руда, което замърсява силно околната среда:

HCN + KOH → KCN (калиев цианид) + H₂O

4Au + 8KCN + O₂ + 2H₂O → 4K[Au(CN)₂] + 4KOH

Значение и употреба на калий и натрий

Калият и натрият под формата на йони са незаменими в живите организми и благодарение на тях функционира калиево-натриевата помпа. Любопитен факт е, че калиевият хлорид в известна степен може да замести натриевия хлорид като готварска сол, но в същото време се използва в САЩ за изпълнение на смъртни присъди.

Хидроксидите на двата метала се употребяват при производството на сапуни, бои и целулоза. Нитратите им са добри изкуствени торове, като калиевият нитрат е основна съставка на черния барут. Калиевият сулфат е сол която участва в състава на различни стипци и двойни соли и се използва в стъкларската промишленост.

Рубидий, Цезий, Франций – IА група

Рубидият и цезият, подобно на лития са редки елементи, а францият е радиоактивен и няма стабилен изотоп. Подобно на калия, рубидият и цезият също образуват озониди. Оксидите се получават по индиректен път. Пероксидите им са безцветни кристални вещества.

Супероксидите на тези елементи се образуват при директно взаимодействие на двата метала с кислород. Цезиевият хидроксид е най-силната основа в групата. Тя, както и рубидиевата се получава при силно експлозивна реакция с водата (особено рубидиевата), като цезият и рубидият се възпламеняват дори при контакт с лед.

В природата цезий се среща под формата на минерал (полуцит), но в промишлеността и двата метала (Cs + Rb) се получават при производството на литий. Te са толкова реактивоспособни, че се съхраняват в запечатани стъклени ампули в среда от аргон. Въпреки че на франция не съществуват стабилни изотопи, все пак има получени негови съединения,  а самият той се получава при алфа разпад на ²²⁷актиний.