Свойства металлов первой и второй группы
Общие сведения
Металлы главных подгрупп первой и второй групп периодической системы химических элементов представляют собой совокупность высокоактивных химических элементов, обладающих ярко выраженными металлическими свойствами. К первой группе относятся щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Ко второй группе принадлежат бериллий, магний, а также щелочноземельные металлы: кальций, стронций, барий и радий. Электронное строение атомов данных элементов строго определяет их химическое поведение и физические свойства. Элементы первой группы имеют единственный валентный электрон на внешнем энергетическом слое, что обуславливает их постоянную валентность, равную единице, и единственно возможную степень окисления плюс один. Элементы второй группы обладают двумя электронами на внешнем уровне, проявляя в химических соединениях степень окисления плюс два.
С увеличением порядкового номера элемента в подгруппах (сверху вниз по периодической таблице) наблюдается закономерное уменьшение энергии ионизации атомов и сопутствующее усиление их металлических свойств. Самые тяжелые представители этих групп — франций и радий — являются радиоактивными элементами. В частности, франций крайне нестабилен, его период полураспада составляет около двадцати минут, вследствие чего макроскопические химические и физические свойства данного элемента в обычных условиях остаются практически неизученными.
Классификация
Представители первой и второй групп классифицируются на основании их структурных особенностей, термодинамических характеристик и характера взаимодействия с водой. Элементы первой подгруппы выделяются в класс щелочных металлов. Их название обусловлено тем, что при взаимодействии этих металлов с водой образуются хорошо растворимые гидроксиды — сильные основания, которые традиционно именуются щелочами. Внешне простые вещества этой группы представляют собой очень мягкие металлы серебристо-белого цвета.
Элементы второй группы разделяются на две подкатегории на основании химической природы их гидроксидов. Бериллий и магний стоят особняком, так как их гидроксидам не свойственна высокая растворимость и выраженные щелочные характеристики (соединения бериллия, к тому же, проявляют амфотерные свойства). Кальций, стронций, барий и радий классифицируются как истинные щелочноземельные металлы, поскольку растворы их гидроксидов являются сильными щелочами.
Внутри подгрупп элементы также классифицируются по типу образуемой ими кристаллической структуры. Бериллий и магний в твердом состоянии кристаллизуются в гексагональной сингонии. При переходе к кальцию структура меняется: он имеет кубическую гранецентрированную решетку. Барий, в свою очередь, характеризуется кубической объемноцентрированной кристаллической решеткой. Эти фундаментальные структурные различия определяют особенности их механических и термических свойств.
Способы получения
Ввиду высочайшей химической активности металлы первой и второй групп в свободном виде в земной коре не встречаются и существуют исключительно в виде солей и сложных минералов. Их получение в чистом виде требует применения ресурсоемких физико-химических методов (чаще всего расплавного электролиза), исключающих контакт активных восстановителей с атмосферным кислородом и влагой. Искусственные радиоактивные элементы синтезируются с применением сложных ядерных реакций. Например, атомы франция могут быть получены путем направленного облучения мишеней из урана потоком протонов на специализированных ускорителях.
Синтез бинарных соединений и многокомпонентных сплавов на основе данных металлов осуществляется в строго контролируемых термодинамических условиях. Металлы первой группы способны образовывать уникальные жидкие интерметаллиды. Так, при непосредственном сплавлении натрия и калия в определенных массовых долях образуется эвтектический сплав с аномально низкой температурой плавления (около тринадцати градусов Цельсия), что позволяет ему находиться в жидком агрегатном состоянии при стандартной комнатной температуре.
Оксиды металлов второй группы получают путем термического окисления. Магний при сжигании образует мелкокристаллический порошок оксида магния, известный как жженая магнезия, который сохраняет химическую активность. При дальнейшем сильном прокаливании эта масса уплотняется, кристаллизуется и практически полностью теряет свою реакционную способность. Полученные чистые щелочные и тяжелые щелочноземельные металлы требуют особых мер безопасности при хранении. Кальций, стронций и барий хранятся в запаянных стеклянных сосудах, герметично закрытых металлических банках или под толстым слоем обезвоженного керосина во избежание самовоспламенения или взрывного взаимодействия с компонентами воздуха.
Свойства
Физико-химические свойства элементов рассматриваемых групп определяются крайне низкими значениями их энергии ионизации. Щелочные металлы отличаются аномально малой плотностью; литий, натрий и калий легче воды и способны удерживаться на ее поверхности. Взаимодействие щелочных металлов с водой протекает с колоссальным выделением энергии: реакция лития и натрия сопровождается бурным выделением газообразного водорода, калий при контакте с водой немедленно воспламеняется, а рубидий и цезий реагируют с разрушительным взрывом. Литий при комнатной температуре непосредственно взаимодействует с атмосферным азотом и кислородом, образуя соответствующие нитриды и оксиды, а при температуре около двухсот градусов Цельсия воспламеняется. Натрий при окислении образует пероксид, а также легко реагирует с серой с получением полисульфидов. Тяжелые щелочные металлы (рубидий и цезий) характеризуются настолько слабой связью внешних электронов с ядром, что способны испускать их под воздействием видимого света, демонстрируя явление фотоэффекта. Их реакция с галогенами (например, с парами брома) носит взрывной характер.
Свойства металлов второй группы не менее многообразны. Бериллий выделяется в своей подгруппе: он является очень твердым, тугоплавким металлом, химически подобным алюминию. Характерной чертой соединений бериллия является их высокая токсичность для биологических организмов. Магний значительно мягче и пластичнее бериллия; он активно взаимодействует с галогенами при стандартных условиях, а при нагревании ослепительно горит в атмосфере азота и кислорода. Кальций представляет собой серебристо-белый металл, поверхность которого на воздухе мгновенно пассивируется, покрываясь плотной желтоватой пленкой из оксидов и нитридов. Щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий) способны энергично реагировать с водородом и большинством других неметаллов без какого-либо дополнительного термического инициирования.
Применение
Выдающиеся восстановительные, электрофизические и механические свойства металлов первой и второй групп обуславливают их повсеместное применение в высокотехнологичных отраслях промышленности, металлургии и строительстве. Литий используется как ценная легирующая добавка: введение всего двух процентов этого металла в медь радикально повышает ее электрическую проводимость, а добавление в алюминий позволяет получать сверхлегкие сплавы с высокой коррозионной стойкостью. Специфические свойства лития, а также высокая теплоемкость и теплопроводность жидкого натриево-калиевого сплава предопределили их широчайшее применение в ядерной энергетике в качестве эффективных теплоносителей для атомных реакторов. Способность атомов рубидия и цезия легко терять электроны под воздействием света используется при конструировании фотокатодов для телевизионной и регистрирующей аппаратуры.
Металлы второй группы играют критически важную роль в качестве конструкционных и легирующих компонентов в машиностроении. Бериллий необходим для выплавки бериллиевой бронзы — уникального медного сплава, сочетающего исключительную твердость, износостойкость и неподверженность искрообразованию при ударах, что делает его незаменимым в авиастроении и взрывоопасных производствах. Высокая рентгенопрозрачность бериллия используется для изготовления защитных окон рентгеновских трубок, а его ядерно-физические параметры — для замедления нейтронов в реакторах.
Магний служит фундаментом для сверхлегких авиационных сплавов. Например, сплав марки «Электрон», включающий около десяти процентов алюминия, трех процентов цинка и магниевую основу, широко применяется в производстве элементов планера самолетов и ракетной техники. Чистый кальций используется в цветной металлургии для раскисления сплавов и модификации свинца, применяемого при изготовлении пластин промышленных аккумуляторов. Стронций находит применение в бронзолитейном производстве для глубокой очистки расплавов от вредных примесей. Наконец, неорганические соединения кальция (карбонаты, сульфаты, силикаты) составляют материальную базу всей мировой строительной индустрии, являясь ключевыми компонентами при производстве цемента, гашеной извести и архитектурного гипса.
См. также
Свойства переходных металлов восьмой группы Свойства переходных металлов третьей- седьмой групп