Цвет пламени при горении соединений, содержащих металлы

• Поделитесь данными о стоимости ▲▼
• Пожаловаться ▲▼

Пламя бывает разного цвета. Посмотрите в камин. На поленьях пляшут желтые, оранжевые, красные, белые и синие языки пламени. Его цвет зависит от температуры горения и от горючего материала.

Чтобы наглядно себе это представить, вообразите спираль электрической плитки.  Если плитка выключена — витки спирали холодные и черные. Допустим, вы решили подогреть суп и включили плитку. Сначала спираль становится темно-красной. Чем выше поднимается температура, тем ярче красный цвет спирали.

Когда плитка разогревается до максимальной температуры, спираль становится оранжево-красной.

Естественно, спираль не горит. Вы же не видите пламени. Она просто очень горячая. Если нагревать ее дальше, то будет меняться и цвет. Сначала цвет спирали станет желтым, затем белым, а когда она раска­лится еще больше, от нее будет исходить голубое сияние.

Нечто подобное происходит и с пламенем. Возьмем для примера свечу. Различные участки пламени свечи имеют разную температуру. Огню нужен кислород. Если свечу накрыть стеклянной банкой, огонь погаснет.

Центральный, прилегающий к фитилю участок пламени свечи, потребляет мало кислорода, и выглядит темным. Верхушке и боковым участкам пламени достается больше кислорода, поэтому эти участки ярче.

По мере того как пламя продвигается по фитилю, воск тает и потрескивает, рассыпаясь на мельчайшие частички углерода. (Каменный уголь тоже состоит из углерода.) Эти частички увлекаются пламенем кверху и сгорают. Они очень горячие и светятся, как спираль вашей плитки.

Но частички углерода намного горячее, чем спираль самой жаркой плитки (температура сгорания углерода примерно 1 400 градусов Цельсия). Поэтому свечение их имеет желтый цвет. Около горящего фитиля пламя еще горячее и светится синим цветом.

Пламя камина или костра в основном пестрого вида. Дерево горит при более низкой температуре, чем фитиль свечи, поэтому основной цвет костра — оранжевый, а не желтый. Некоторые частички углерода в пламени костра имеют довольно высокую температуру.

Их немного, но они добавляют пламени желтоватый оттенок. Остывшие частички раскаленного углерода — это копоть, которая оседает на печных трубах. Температура горения дерева ниже температуры горения свечи. Кальций, натрий и медь, нагретые до высокой температуры, светятся разными цветами.

Их добавляют в порох ракет для расцвечивания огней праздничных фейерверков.

Цвет пламени и химический состав

Цвет пламени может меняться в зависимости от химических примесей, содержащихся в поленьях или другом горючем веществе. В пламени может находиться, например, примесь натрия.

Горение натрия

Еще в древние времена ученые и алхимики пытались понять, что за вещества сгорают в огне, в зависимости от того, в какой цвет окрашивался огонь.

• Натрий — это составная часть поваренной соли. Если натрий раскалить, он окрашивается в ярко — желтый цвет.
• В огонь может попасть кальций. Мы все знаем, что кальция много в молоке. Это металл. Раскаленный кальций окрашивается в яркий красный цвет.
• Если в огне горит фосфор, то пламя окрасится в зеленоватый цвет. Все эти элементы или содержатся в дереве, или попадают в огонь с другими веществами.
• Практически у всех дома есть газовые плиты или колонки, пламя в которых окрашено в голубой оттенок. Это обусловлено сгораемым углеродом, угарным газом, который и дает этот оттенок.

Смешение цветов пламени, как и смешение цветов радуги, может дать белый цвет, поэтому в пламени костра или камина видны белые участки.

Температура пламени при горении некоторых веществ:

Как получить ровный цвет пламени?

Для исследования минералов и определения их состава используется бунзеновская горелка, дающая ровный бесцветный цвет пламени, не мешающий ходу эксперимента, изобретенная Бунзеном в середине XIX века.

Бунзеновская горелка

Бунзен был ярым поклонником огненной стихии, часто возился с пламенем. Его увлечением было стеклодувное дело. Выдувая из стекла различные хитрые конструкции и механизмы, Бунзен мог не замечать боли.

Бывали, что его заскорузлые пальцы начинали дымиться от горячего еще мягкого стекла, но он не обращал на это внимания.

Если боль уже выходила за грань порога чувствительности, то он спасался своим методом – сильно прижимал пальцами мочку уха, перебивая одну боль другой.

Именно он и был родоначальником метода определения состава вещества по цвету пламени. Конечно, и до него ученые пытались ставить такие эксперименты, но у них не было бунзеновской горелки с бесцветным пламенем, не мешающим эксперименту. Он вводил в пламя горелки различные элементы на платиновой проволоке, так как платина не влияет на цвет пламени и не окрашивает его.

Казалось бы, метод хороший, не нужен сложный химический анализ, поднес элемент к пламени – и сразу виден его состав. Но не тут то было. Очень редко вещества встречаются в природе в чистом виде, обычно они содержат большой набор различных примесей, изменяющих окраску.

Бунзен пробовал различные методы вычленения цветов и их оттенков. Например, пытался смотреть через цветные стекла. Скажем, синее стекло гасит желтый цвет, который дают наиболее распространенные соли натрия, и можно было различить малиновый или лиловый оттенок родного элемента. Но и с помощью этих ухищрений определить состав сложного минерала удавалось лишь раз из ста.

! Благодаря свойству атомов и молекул испускать свет определенного цвета был разработан метод определения состава веществ, который называется спектральным анализом. Ученые исследуют спектр, который испускает вещество, например, при горении, сравнивают его со спектрами известных элементов, и, таким образом, определяют его состав.

Щелочные металлы

Щелочны́е мета́ллы — это элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы I группы)[1]: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr, и унуненний Uue. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.

  Общая характеристика щелочных металлов

В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1.

Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства.

Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия — один из самых низких) и электроотрицательности (ЭО).

Некоторые свойства щелочных металлов

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы. Многие минералы содержат в своём составе металлы главной подгруппы I группы.

Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмосиликата калия K2[Al2Si6O16], аналогичный минерал, содержащий натрий — альбит — имеет состав Na2[Al2Si6O16].

В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве — соли калия — сильвин KCl, сильвинит NaCl • KCl, карналлит KCl • MgCl2 • 6H2O, полигалит K2SO4 • MgSO4 • CaSO4 • 2H2O.

  Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, и иногда даже и азоту (Li, Cs) их хранят под слоем керосина.

Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

1.Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов — их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий:

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

2.Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:

Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О22−и надпероксид-ион O2−.

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs:

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей:

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

3.Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов:

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных — аминах и амидах:

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей):

4.Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвет:

Окраска пламени щелочными металлами
и их соединениями

  Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:

катод: Li+ + e → Li

анод: 2Cl− — 2e → Cl2

2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na+ + e → Na

анод: 4OH− — 4e → 2H2O + O2

3. Щелочной металл может быть восстановлен из соответствующего хлорида или бромида кальцием, магнием, кремнием и др. восстановителями при нагревании под вакуумом до 600-900 °C:

Чтобы реакция пошла в нужную сторону, образующийся свободный щелочной металл (M) должен удаляться путём отгонки. Аналогично возможно восстановление цирконием из хромата. Известен способ получения натрия восстановлением из карбоната углём при 1000 °C в присутствии известняка.[источник не указан 395 дней]

Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

  Гидроксиды

Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрия электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:

катод:

анод:

Прежде щёлочь получали реакцией обмена:

Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена содой Na2CO3.

Гидроксиды щелочных металлов — белые гигроскопичные вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями. Они участвуют во всех реакциях, характерных для оснований — реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами:

Гидроксиды щелочных металлов при нагревании возгоняются без разложения, за исключением гидроксида лития, который так же, как гидроксиды металлов главной подгруппы II группы, при прокаливании разлагается на оксид и воду:

Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.

  Карбонаты

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2CO3. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века.

Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26 — 30 °C.

При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой:

Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO3−, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия.

После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

При прокаливании гидрокарбоната натрия получается кальцинированная, или стиральная, сода Na2CO3 и диоксид углерода, используемый в процессе получения гидрокарбоната натрия:

Основной потребитель соды — стекольная промышленность.

В отличие от малорастворимой кислой соли NaHCO3, гидрокарбонат калия KHCO3 хорошо растворим в воде, поэтому карбонат калия, или поташ, K2CO3 получают действием углекислого газа на раствор гидроксида калия:

Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

Литий — единственный щелочной металл, для которого не получен гидрокарбонат. Причина этого явления в очень маленьком радиусе иона лития, который не позволяет ему удерживать довольно крупный ион HCO3−.

  Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Ерёмина Е. А., Рыжова О. Н. Глава 14. Щелочные металлы // Справочник школьника по химии. — М.: Экзамен, 2009. — С. 224-231. — 512 с. — 5000 экз. — ISBN 978-5-377-01472-0
• Кузьменко Н. Е. , Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. — М.: Экзамен, 1997-2001.
• Лидин Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Справочник по неорганической химии. — М.: Химия, 1987.
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1974.
• Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химия. — М.: МГУ, 1991, 1994.
• Турова Н. Я. Неорганическая химия в таблицах. Учебное пособие. — М.: Высший химический колледж РАН, 1997.

  Примечания

1. ↑ Таблица Менделеева на сайте ИЮПАК

• Щелочные металлы, реакция с водой в передаче мозголомы

Опыты: Цветное пламя

Очень красивый научный эксперимент от профессора Николя «Цветное пламя» позволяет получить пламя четырех разных цветов, используя для этого законы химии.

Набор интереснейший, мы действительно на пламя насмотрелись, удивительное зрелище! Интересно всем: и взрослым, и детям, так что очень рекомендую! Плюс в том, что этот опыт с огнём можно провести и дома, не обязательно выходить на улицу. В наборе есть чашки-плошки, в которых горит таблетка сухого горючего, всё безопасно, и на деревянном полу (или столе) можно поставить.

Лучше, конечно, под присмотром взрослых опыт проводить. Даже если дети уже немаленькие. Огонь всё же — штука опасная, но при этом … жутко (тут именно это слово подходит очень точно!) интересная!! :-))

Фото упаковки набора смотрите в галерее в конце статьи.

Набор 'Цветное пламя' содержит все необходимое для проведения эксперимента. В набор входят:

• иодид калия,
• хлорид кальция,
• раствор соляной кислоты 10%,
• сульфат меди,
• нихромовая проволока,
• медная проволока,
• хлорид натрия,
• сухое горючее, чашка для выпаривания.

Единственное, есть у меня некоторые претензии к производителю — я ожидала найти в коробочке мини-брошюру с описанием химического процесса, который мы здесь наблюдаем, и объяснение, почему пламя становится цветным.

Такого описания здесь не оказалось, так что придётся обратиться к энциклопедии по химии (обзор книг по химии здесь). Если, конечно, будет такое желание.

А желание у старших детей, конечно, возникает! Младшим детям, конечно, никакие объяснения не нужны: им просто очень интересно смотреть, как меняется цвет пламени.

На обратной стороне коробки-упаковки написано, что нужно делать, чтобы пламя стало цветным. Сначала делали по инструкции, а потом стали просто пламя разными порошками из баночек посыпать (когда убедились, что всё безопасно) :-)) — эффект потрясающий. 🙂 Всполохи красного пламени в жёлтом, ярко-салатовое пламя, зелёное, фиолетовое… зрелище просто завораживает.

Очень здорово покупать на какой-нибудь праздник, это гораздо интереснее любой петарды. И на новый год будет очень здорово. Мы жгли днём, в темноте было бы ещё эффектнее.

Реактивы у нас после сжигания одной таблетки ещё остались, так что, если взять другую таблетку (купить отдельно), можно повторить опыт. Глиняная чашка отмылась довольно хорошо, так что её на много опытов хватит. А если вы на даче, то порошок можно посыпать и на огонь в костре — он тогда, конечно, быстро кончится, но зрелище будет фантастическое!

Добавляю краткую информацию о реактивах, которые идут в комплекте с опытом. Для любознательных детишек, которым интересно узнать больше. 🙂

Окрашивание пламени

Стандартный способ окрашивания слабосветящегося газового пламени — введение в него соединений металлов в форме легколетучих солей (обычно, нитратов или хлоридов):

желтое — натрия,

красное — стронция, кальция,

зеленое — цезия (или бора, в виде борноэтилового или борнометилового эфира),

голубое — меди (в виде хлорида).

В синий окрашивает пламя селен, а в сине-зеленый — бор.

Температура внутри пламени различна и с течение времени она меняется (зависит от притока кислорода и горючего вещества). Синий цвет означает что температура очень высокая до 1400 С, желтый — температура чуть меньше, чем когда синее пламя. Цвет пламени может меняться в зависимости от химических примесей.

Цвет пламени определяется только его температурой, если не учитывать его химический (точнее, элементный) состав. Некоторые химические элементы способны окрашивать пламя в характерный для этого элемента цвет.

В лабораторных условиях можно добиться совершенно бесцветного огня, который можно определить лишь по колебанию воздуха в области горения. Бытовой же огонь всегда «цветной». Цвет огня определяется температурой пламени и тем, какие химические вещества в нём сгорают.

Высокая температура пламени дает возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокое энергетическое состояние. Когда атомы возвращаются в исходное состояние, они излучают свет с определённой длиной волны.

Она соответствует структуре электронных оболочек данного элемента.

Голубой огонек, например, который можно видеть при горении природного газа, обусловлен угарным газом, который и придаёт пламени этот оттенок. Угарный газ, молекула которого состоит из одного атома кислорода и одного атома углерода, является побочным продуктом горения природного газа.

Калий — фиолетовое пламя

Калий (нем. Kalium, франц. и англ. Potassium) — один из важнейших представителей группы щелочных металлов.

Калий — металл наиболее электроположительный после рубидия и цезия.

В чистом сухом воздухе при обыкновенной температуре он не изменяется, в обычном — покрывается слоем едкого калия и углекислой его соли; в свежем разрезе в темноте светится, а в тонких пластинках окисляется столь быстро, что может загореться; расплавленный и нагретый, он также горит; пламя его обладает фиолетовым цветом. Вследствие такой склонности к окислению и является необходимым сохранять его под нефтью.

Открывают присутствие калия по фиолетовой окраске газового беcцветного пламени, которая получается при внесении в пламя его соединений, особенно галоидных, на ушке платиновой проволоки(вот почему в опыте нужно вносить калий в пламя на проволоке — эффект изменения цвета пламени тогда заметнее); в присутствии солей натрия окраску наблюдают через синее кобальтовое стекло или через раствор индиго, помещенный в призматический стеклянный сосуд. Спектр пламени характеризуется двумя линиями — красной и фиолетовой.

Кальций хлористый — красное пламя

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании.

https://www.youtube.com/watch?v=GV42HLopb-E

При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

При нагревании в кислороде и на воздухе кальций воспламеняется, сгорая ярко-красным пламенем, при этом образуется основной оксид СаО, который представляет собой белое, весьма огнестойкое вещество, температура плавления которого примерно 2 600 °C. Оксид кальция также известен в технике как негашеная или жженая известь.

Соляная кислота и медь — зелёное пламя

Медь придает пламени зеленый оттенок. При высоком содержании меди в сгораемом веществе пламя имеет яркий зеленый цвет, практически идентичный белому. В зеленый цвет пламя окрашивает борная кислота или медная (латунная) проволока, смоченная в соляной кислоте.

При смачивании солянойкислотойпламя окрашивается в голубой цвет с зеленоватым оттенком.

1) В зеленый цвет пламя окрашивает борная кислота или медная (латунная) проволока, смоченная в солянойкислоте.

2) В красный цвет пламя окрашивает мел, смоченный в той же солянойкислоте.

При сильном прокаливании в тонких осколках Ва-содержащие (Барий-содержащие) минералы окрашивают пламя в желто-зеленый цвет. Окрашивание пламени можно усилить, если после предварительного прокаливания смачивать минерал в крепкой соляной кислоте.

Окислы меди (в опыте для зелёного пламени используются соляная кислота и кристаллики меди) дают изумрудно-зеленое окрашивание. Прокаленные Cu-содержащие соединения, смоченные НС1, окрашивают пламя в лазурно-голубой цвет CuС12). Реакция очень чувствительна.

Зеленый цвет и его оттенки огню придают также барий, молибден, фосфор, сурьма.

Азотнокислый и солянокислый растворы меди имеют голубой или зеленый цвет; при прибавлении аммиака цвет раствора изменяется в темно-синий.

Жёлтое пламя — соль

Для желтогопламени требуется добавка поваренной соли, нитрата натрия или хромата натрия.

Попробуйте посыпать на конфорку газовой плиты с прозрачно-голубым пламенем чуть-чуть поваренныой соли — в пламени появятся жёлтые язычки. Такое жёлто-оранжевое пламя дают соли натрия (а поваренная соль, напомним, это хлорид натрия).

Жёлтый цвет — это цвет натрия в пламени. Натрий есть в любом природном органическом материале, поэтому пламя мы обычно и видим жёлтым. А желтый цвет способен заглушить другие цвета — такова особенность человеческого зрения.

Желтые язычки пламени появляются при распадении солей натрия. Такими солями очень богата древесина, поэтому обычный лесной костер или бытовые спички горят желтым пламенем.

Секреты сумасшедшего профессора НиколяЦветное пламя

Характерные химические свойства щелочных металлов

•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,

•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.

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2­

2Li + 2H2O → 2LiOH + H2­

 2.      Реакция щелочных металлов с кислородом:

4Li + O2 → 2Li2O (оксид лития)

2Na + O2 → Na2O2 ( пероксид натрия)

K + O2 → KO2  (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 + Cl2 → 2LiCl (галогениды)

2Na + S → Na2S (сульфиды)

2Na + H2 → 2NaH (гидриды)

6Li + N2 → 2Li3N (нитриды)

2Li + 2C → Li2C2 (карбиды)

4.      Реакция щелочных металлов с кислотами

(проводят редко, идет конкурирующая реакция с водой):

2Na + 2HCl → 2NaCl + H2­

5. Взаимодействие щелочных металлов с аммиаком

(образуется амид натрия):

2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2

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

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2;

2K + 2C6H5OH = 2C6H5OK + H2;

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+CaCl2
В небольших масштабах используется также вакуум-термическое получение натрия и калия:

2NaCl+CaC2=2Na+CaCl2+2C;
4KCl+4CaO+Si=4K+2CaCl2+Ca2SiO4.

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 1s22s1 .  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 1s22s22p63s1.  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 Са2+ 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 39К, 40К, 41К. Один из них 40К ‑ 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 (390C) 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 Li3N (до 75%) и Li2O. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (Na2O2) и надпероксиды (K2O4 или KO2).

Перечисленные вещества реагируют с водой:

Li3N + 3 H2O = 3 LiOH + NH3 ;

Na2O2 + 2 H2O = 2 NaOH + H2O2 ;

K2O4 + 2 H2O = 2 KOH + H2O2 + O2 .

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

Na2O2+CO2=Na2CO3+0,5O2 ;

K2O4 + CO2 = K2CO3+ 1,5 O2 .

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

2Li+H2=2LiH.

Гидрид лития используется как сильный восстановитель.

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

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O.

Гидроксиды натрия и калия не отщепляют воду при нагревании вплоть до температур их кипения (более 13000С). Некоторые соединения натрия называют содами:

а) кальцинированная сода, безводная сода, бельевая сода или просто сода – карбонат натрия Na2CO3;
б) кристаллическая сода – кристаллогидрат карбоната натрия Na2CO3.10H2O;
в) двууглекислая или питьевая – гидрокарбонат натрия NaHCO3;
г) гидроксид натрия NaOH называют  каустической содой или каустиком.

Характеристики алюминия и реакция горения металла

Алюминий — это металл серебристо-белого цвета. На воздухе он быстро окисляется и покрывается оксидной пленкой. Такая же реакция возникает при взаимодействии металла с концентрированными кислотами.

[Deposit Photos]

В периодической системе Менделеева алюминий расположен под номером 14, в третьем малом периоде, главной подгруппе третьей группы. Алюминий обладает выраженными металлическими свойствами, его атомная масса — 26,98.

Изотопов в природе металл не имеет и существует в единственном виде. Массовое число алюминия — 27, количество валентных электронов — 3. Металл имеет одну степень окисления — «+3».

Как и все активные металлы, алюминий выступает в роли сильного восстановителя, так как имеет малое сродство с электроном и большой атомный радиус.

Алюминий [Wikimedia]

Алюминий устойчив к коррозии, он легкий, мягкий и очень прочный. Не каждое вещество может похвастаться наличием подобных характеристик.

Основные физические свойства алюминия:

• температура плавления металла = 660 °С;
• кристаллическая решетка алюминия объемная гранецентрированная, металлическая;
• температура кипения металла = 2450 °С;
• плотность металла = 2,7 г/см³;
• тип связи — металлический;
• алюминий обладает высокой степенью ковкости и пластичности, поэтому из него изготовляют прочную легкую и тонкую фольгу, а также прокатывают в проволоку.

Алюминиевый прокат [Deposit Photos]

Восстановительные свойства алюминия прослеживаются в реакциях взаимодействия элемента с оксидами других металлов. Алюминий легко извлекает их из состава вещества и позволяет существовать в простом виде. Уравнение реакции алюминия и оксида хрома:

Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr

В химической промышленности алюминий, благодаря своим восстановительным способностям, используется для получения других металлов.

Алюминий — сильный восстановитель. Он проявляет высокую химическую активность, являясь чистым веществом. Для повышения активности металла необходимо устранить оксидную пленку.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с щелочами, кислотами, серой, галогенами. С водой металл при обычных условиях не взаимодействует. При этом из галогенов без нагревания алюминий реагирует только с иодом.

Для протекания остальных реакций требуется высокая температура. Здесь вы сможете подробнее прочитать о том, как алюминий взаимодействует с водородом и другими веществами.

Горение алюминия (описание реакции)

Реакция горения алюминия в воздухе

Одиночные частицы алюминия не воспламеняются при нагревании до 2100 К в воздухе или водяном паре. Для поджигания алюминия используются горящие частицы магния, которые помещаются на поверхность нагревательного элемента, а частицы алюминия — на острие иглы над ними.

Воспламенение частиц алюминия протекает в паровой фазе, при этом интенсивность зоны свечения вокруг частицы медленно увеличивается. Стационарное горение характеризуется существованием зоны свечения, не меняющей своих размеров почти до полного выгорания металла.

Соотношение размеров зоны свечения и частицы составляет 1,6:1,9. В зоне свечения образуются мелкие капельки оксида, сталкивающиеся при столкновении. Оставшиеся после реакции сгорания частицы представляют собой полую оболочку.

Уравнение реакции горения алюминия в кислороде:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Молекулярная структура оксида алюминия [Wikimedia]

Реакция горения алюминия в водяном паре

Воспламенение алюминия в водяном паре происходит гетерогенно. Водород, выделяющийся при реакции, способствует разрушению оксидной пленки. При этом жидкий оксид алюминия разбрызгивается в виде капель.

Такие разрушения оксидной оболочки периодически повторяются, так как значительная доля металла сгорает на поверхности частицы.

Скорость горения алюминиевой частицы в водяном паре в пять раз выше, чем в воздухе.

Открытие реакции горения алюминия

Впервые горение алюминиевого порошка в смеси с газообразным кислородом применили в 1930 году химики Бекер и Стронг в разработанной ими кислородно-алюминиевой паяльной лампе. В качестве горючего ученые использовали тонкий алюминиевый порошок, 94% которого проходило через сито, в котором на каждый сантиметр было 80 отверстий.

Чтобы горение было устойчивым, прибор обеспечивал образование и непрерывную подачу однородной суспензии алюминиевой пыли в кислороде. Поджигание осуществлялось бунзеновской газовой горелкой. Смесь сгорала с ослепительно-ярким белым пламением и с выделением большого количества дыма окиси алюминия. Частички дыма были настолько малы, что тот не оседал в течение суток.

Бекер и Стронг установили, что продукты горения содержат около 2% свободного алюминия. Испытывая действие пламени кислородно-алюминиевой лампы на различных материалах, ученые определили примерную температуру пламени. Молибден плавился, а вольфрамовая проволока толщиной в 1 мм не расплавилась.

Таким образом ученые установили, что температура горения алюминия в смеси с кислородом находится между 2535 °С (температура плавления молибдена), и 3400 °С (температура плавления вольфрама).

Чтобы понаблюдать за реакцией горения алюминия и полюбоваться красивым снопом искр, можно провести такой опыт: в пламя горящей спиртовки нужно всыпать порошок алюминия (сбросить его с фарфоровой ложечки или со шпателя небольшими порциями).

Внимание! Проводите этот опыт только в присутсвии взрослых! Такой же эксперимент можно провести с порошками циркония, титана или магния. При горении порошков металлов образуются оксиды Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ и MgO.

В опыте не следует использовать тончайшие порошки в виде пыли или пудры указанных металлов, так как в пламени они могут взорваться.