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.

Нам надо знать, что из неметаллов, упоминаемых в школьном курсе:

C, N 2 , O 2 – не реагируют с щелочами

Si, S, P, Cl 2 , Br 2 , I 2 , F 2 – реагируют:

Si + 2KOH + H 2 O = K 2 SiO 3 + 2H 2 ,
3S + 6KOH = 2K 2 S + K 2 SO 3 + 3H 2 O,
Cl 2 + 2KOH (холодный)= KCl + KClO + H 2 O,
3Cl 2 + 6KOH (горячий) = 5KCl + KClO 3 + 3H 2 O

(аналогично бром и иод)

4P + 3NaOH + 3H 2 O = 3NaH 2 PO 2 + PH 3

Органическая химия

Тривиальные названия

Надо знать, какие органические вещества соответствуют названиям:

изопрен, дивинил, винилацетилен, толуол, ксилол, стирол, кумол, этиленгликоль, глицерин, формальдегид, уксусный альдегид, пропионовый альдегид, ацетон, первые шесть предельных одноосновных кислот (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая, капроновая), акриловая кислота, стеариновая кислота, пальмитиновая кислота, олеиновая кислота, линолевая кислота, щавелевая кислота, бензойная кислота, анилин, глицин, аланин. Не путайте пропионовую кислоту с пропеновой!! Соли важнейших кислот: муравьиной – формиаты, уксусной – ацетаты, пропионовой – пропионаты, масляной – бутираты, щавелевой – оксалаты. Радикал –CH=CH 2 называется винил!!

Заодно и некоторые неорганические тривиальные названия:

Поваренная соль (NaCl), негашеная известь (CaO), гашеная известь (Ca(OH) 2), известковая вода (раствор Ca(OH) 2), известняк (CaCO 3), кварц (он же кремнезем или диоксид кремния – SiO 2), углекислый газ (CO 2), угарный газ (CO), сернистый газ (SO 2), бурый газ (NO 2), питьевая или пищевая сода (NaHCO 3), кальцинированная сода (Na 2 CO 3), аммиак (NH 3), фосфин (PH 3), силан (SiH 4), пирит (FeS 2), олеум (раствор SO 3 в концентрированной H 2 SO 4), медный купорос (CuSO 4 ∙5H 2 O).

Некоторые редкие реакции

1) Образование винилацетилена :

2) Реакция прямого окисления этилена в уксусный альдегид :

Эта реакция коварна тем, что мы хорошо знаем, как ацетилен превращается в альдегид (реакция Кучерова), а если в цепочке встретится превращение этилен → альдегид, то это может нас поставить в тупик. Так вот, имеется в виду эта реакция!

3) Реакция прямого окисления бутана в уксусную кислоту:

Эта реакция лежит в основе промышленного производства уксусной кислоты.

4) Реакция Лебедева:

Отличия фенолов от спиртов

Огромное количество ошибок в таких заданиях!!

1) Следует помнить, что фенолы более кислотны, чем спирты (связь О-Н в них более полярна). Поэтому спирты не реагируют с щелочью, а фенолы реагируют и с щелочью, и некоторыми солями (карбонаты, гидрокарбонаты).

Например:

Задача 10.1

Какие из этих веществ реагируют с литием:

а) этиленгликоль, б) метанол, в) фенол, г) кумол, д) глицерин.

Задача 10.2

Какие из этих веществ реагируют с гидроксидом калия:

а) этиленгликоль, б) стирол, в) фенол, г) этанол, д) глицерин.

Задача 10.3

Какие из этих веществ реагируют с гидрокарбонатом цезия:

а) этиленгликоль, б) толуол, в) пропанол-1, г) фенол, д) глицерин.

2) Следует помнить, что спирты реагируют с галогеноводородами (эта реакция идет по связи С-О), а фенолы нет (в них связь С-О из-за эффекта сопряжения малоподвижна).

Дисахариды

Основные дисахариды: сахароза, лактоза и мальтоза имеют одинаковую формулу C 12 H 22 O 11 .

О них следует помнить:

1) что они способны гидролизоваться на те моносахариды, из которых состоят: сахароза – на глюкозу и фруктозу, лактоза – на глюкозу и галактозу, мальтоза – на две глюкозы.

2) что лактоза и мальтоза обладают альдегидной функцией, то есть являются восстанавливающими сахарами (в частности, дают реакции «серебряного» и «медного» зеркала), а сахароза – невосстанавливающий дисахарид, не имеет альдегидной функции.

Механизмы реакций

Будем надеяться, что достаточно следующих знаний:

1) для алканов (в том числе в боковых цепях аренов, если эти цепи предельные) характерны реакции свободнорадикального замещения (с галогенами), которые идут по радикальному механизму (инициирование цепи – образование свободных радикалов, развитие цепи, обрыв цепи на стенках сосуда или при соударении радикалов);

2) для алкенов, алкинов, аренов характерны реакции электрофильного присоединения , которые идут по ионному механизму (через образование пи-комплекса и карбокатиона ).

Особенности бензола

1. Бензол в отличие от других аренов не окисляется перманганатом калия.

2. Бензол и его гомологи способны вступать в реакцию присоединения с водородом. Но только бензол способен также вступать в реакцию присоединения с хлором (только бензол и только с хлором!). При этом все арены способны вступать в реакцию замещения с галогенами.

Реакция Зинина

Восстановление нитробензола (или аналогичных ему соединений) в анилин (или другие ароматические амины). Эта реакция в одном из ее видов почти обязательно встретится!

Вариант 1 – восстановление молекулярным водородом:

C 6 H 5 NO 2 + 3H 2 → C 6 H 5 NH 2 +2H 2 O

Вариант 2 – восстановление водородом, полученным при реакции железа (цинка) с соляной кислотой:

C 6 H 5 NO 2 + 3Fe + 7HCl → C 6 H 5 NH 3 Cl +3FeCl 2 + 2H 2 O

Вариант 3 – восстановление водородом, полученным при реакции алюминия с щелочью:

C 6 H 5 NO 2 + 2Al + 2NaOH + 4H 2 O → C 6 H 5 NH 2 +2Na

Свойства аминов

Почему-то свойства аминов запоминаются хуже всего. Возможно, это связано с тем, что амины изучаются в курсе органической химии последними, и их свойства не удается повторить, изучая другие классы веществ. Поэтому рецепт такой: просто выучить все свойства аминов, аминокислот и белков.