Металлы в периодической системе Д.И. Менделеева (стр. 2 из 5)

В ряд напряжений помещен один неметалл — водород, поскольку это позволяет определить, будет ли данный металл реагировать с кислотами - неокислителями в водном растворе (точнее — окисляться катионами водорода Н⁺). Например, цинк реагирует с хлороводородной кислотой, так как в ряду напряжений он стоит левее (до) водорода. Напротив, серебро не переводится в раствор хлороводородной кислотой, поскольку оно стоит в ряду напряжений правее (после) водорода. Аналогично ведут себя металлы в разбавленной серной кислоте. Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, называют благородными (Ag, Pt, Au и др.)

Нежелательным химическим свойством металлов является их электрохимическая коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) металла при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде.

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов — контактная коррозия. Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Cu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Fе), к менее активному металлу (Sn, Cu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла возрастает при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплавов железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и стали, содержащие хром (нержавеющие стали), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов:

— электрометаллургия, т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов их солей;

— пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из их руд при высокой температуре (например, получение железа с помощью доменного процесса);

— гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO₄ вытеснением цинком,железом

или алюминием).

В природе металлы встречаются иногда в свободном виде, например самородные ртуть, серебро и золото, а чаще — в виде соединений (металлических руд). Самые активные металлы,конечно, присутствуют в земной коре только в связанном виде.

Литий.

Литий (от греч. Литос- камень), Li, химический элемент подгруппы Iа периодической системы; атомный номер 3, атомная масса 6, 941; относится к щелочным металлам.

Содержание лития в земной коре 6,5-10^-3% по массе. Обнаружен он более чем в 150 минералах, из них собственно литиевых - около 30. Основные минералы: сподумен LiAl[Si₂O₆], лепидолит KLi_1,5Al_1,5[Si₃AlO₁₀ ](F,0Н)₂ и петалит (LiNa)[Si₄AlO₁₀ ]. Состав этих минералов сложен, многие из них относятся к очень распространённому в земной коре классу алюмосиликатов. Перспективные источники сырья для производства лития - рассолы (рапа) соленосных отложений и подземные воды. Крупнейшие месторождения соединений лития находятся в Канаде, США, Чили, Зимбабве, Бразилии, Намибии и России.

Интересно, что минерал сподумен встречается в природе в виде больших кристаллов массой в несколько тонн. На руднике Этта в США нашли кристалл в форме иглы длиной 16 м и массой 100 т.

Первые сведения о литии относятся к 1817 г. Шведский химик А. Арфведсон, проводя анализ минерала петалита, открыл в нём неизвестную щёлочь. Учитель Арфведсона Й. Берцелиус дал ей название «литион» (от греч. литеос -каменный), т. к. в отличие от гидроксидов калия и натрия, которые были получены из золы растений, новая щёлочь была обнаружена в минерале. Он же назвал металл, являющийся «основой» этой щёлочи, литием. В 1818 г. английский химик и физик Г. Дэви получил литий электролизом гидроксида LiОН.

Свойства. Литий - серебристо-белый металл; т. пл. 180,54 °С, т. кип. 1340 "С; самый лёгкий из всех металлов, его плотность 0,534 г/см -он в 5 раз легче алюминия и почти вдвое легче воды. Литий мягок и пластичен. Соединения лития окрашивают пламя в красивый карминово-красный цвет. Этим весьма чувствительным методом пользуются в качественном анализе для обнаружения лития.

Конфигурация внешнего электронного слоя атома лития 2s¹(s-элемент). В соединениях он проявляет степень окисления +1.

Литий стоит первым в электрохимическом ряду напряжений и вытесняет водород не только из кислот, но и из воды. Однако многие химические реакции лития протекают менее энергично, чем у других щелочных металлов.

Литий практически не реагирует с компонентами воздуха при полном отсутствии влаги при комнатной температуре. При нагревании на воздухе выше 200 °С в качестве основного продукта образует оксид Li₂O (присутствуют только следы пероксида Li₂O₂). Во влажном воздухе даёт преимущественно нитрид Li₃N, при влажности воздуха более 80% - гидроксид LiОН и карбонат Li₂СО₃. Нитрид лития может быть получен также при нагревании металла в токе азота (литий - один из немногих элементов, непосредственно соединяющихся с азотом): 6Li + N₂ =2Li₃N

Литий легко сплавляется почти со всеми металлами и хорошо растворим в ртути. Непосредственно соединяется с галогенами (с иодом -при нагревании). При 500 °С реагирует с водородом, образуя гидрид LiН, при взаимодействии с водой - гидроксид LiОН, с разбавленными кислотами - соли лития, с аммиаком - амид LiNН₂, например:

2Li + Н₂ = 2LiН

2Li + 2Н₂O = 2LiОН + Н₂

2Li + 2НF = 2LiF + Н₂

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + Н₂

Гидрид LiН - бесцветные кристаллы; применяется в различных областях химии как восстановитель. При взаимодействии с водой выделяет большое количество водорода (из 1 кг LiН получают 2820 л Н₂):

LiН + Н₂O = LiОН + Н₂

Это позволяет использовать LiН как источник водорода для наполнения аэростатов и спасательного снаряжения (надувных лодок, поясов и др.), а также как своеобразный «склад» для хранения и транспортировки огнеопасного водорода (при этом необходимо предохранять LiН от малейших следов влаги).

Широко применяют в органическом синтезе смешанные гидриды лития, например литий-алюмогидрид LiAlH₄ - селективный восстановитель. Его получают взаимодействием LiН с хлоридом алюминия А1С1з

Гидроксид LiОН - сильное основание (щёлочь), его водные растворы разрушают стекло, фарфор; устойчивы к нему никель, серебро и золото. LiОН применяют в качестве добавки к электролиту щелочных аккумуляторов, что повышает срок их службы в 2-3 раза и ёмкость на 20%. На основе LiОН и органических кислот (особенно стеариновой и пальмитиновой) производят морозо- и термостойкие пластичные смазки (литолы) для защиты металлов от коррозии в интервале температур от -40 до +130 "С.

Гидроксид лития используют также как поглотитель углекислого газа в противогазах, подводных лодках, самолётах и космических кораблях.

Получение и применение. Сырьём для получения лития служат его соли, которые извлекают из минералов. В зависимости от состава минералы разлагают серной кислотой Н₂SО₄ (кислотный метод) либо спеканием с оксидом кальция СаО и его карбонатом СаСОз (щелочной способ), с сульфатом калия К₂SО₄ (солевой способ), с карбонатом кальция и его хлоридом СаСl (щёлочно-солевой способ). При кислотном методе получают раствор сульфата Li₂SО₄ [последний освобождают от примесей обработкой гидроксидом кальция Са(ОН)₂ и содой Na₂Co₃]. Спек, образующийся при других методах разложения минералов, выщелачивают водой; при этом при щелочном методе в раствор переходит LiОН, при солевом – Li₂SO₄, при щёлочно-солевом - LiCl. Все эти методы, кроме щелочного, предусматривают получение готового продукта в виде карбоната Li₂СО₃. который используют непосредственно или в качестве источника для синтеза других соединений лития.

Металлический литий получают электролизом расплавленной смеси LiCl и хлорида калия КСl или хлорида бария ВаСl₂ с дальнейшей очисткой от примесей.

Интерес к литию огромен. Это связано, прежде всего, с тем, что он - источник промышленного получения трития (тяжёлого нуклида водорода), являющегося главной составной частью водородной бомбы и основным горючим для термоядерных реакторов. Термоядерная реакция осуществляется между нуклидом ⁶Li и нейтронами (нейтральными частицами с массовым числом 1); продукты реакции - тритий ³Н и гелий ⁴Не:

⁶₃Li + ¹₀n= ³₁ H +⁴₂He

Большое количество лития используется в металлургии. Сплав магния с 10% лития прочнее и легче самого магния. Сплавы алюминия и лития - склерон и аэрон, содержащие всего 0,1% лития, помимо лёгкости обладают высокой прочностью, пластичностью, повышенной стойкостью к коррозии; их применяют в авиации. Добавка 0,04% лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твёрдость и уменьшает коэффициент трения.

Галогениды и карбонат лития применяют в производстве оптических, кислотоупорных и других специальных стёкол, а также термостойкого фарфора и керамики, различных глазурей и эмалей.

Мелкие крошки лития вызывают химические ожоги влажной кожи и глаз. Соли лития раздражают кожу. При работе с гидроксидом лития необходимо соблюдать меры предосторожности, как при работе с гидроксидами натрия и калия.