Grupa Ia - litowce

Grupa Ia - litowce
Do 1 grupy układu okresowego, tzw. grupy litowców, należą następujące pierwiastki: lit(Li), sód(Na), potas(K), rubid(Rb), cez(Cs) oraz nietrwały promieniotwórczy frans(Fr)Atomy wszystkich wymienionych pierwiastków mają w zewnętrznej powłoce elektronowej jeden elektron walencyjny zajmujący w stanie podstawowym orbital ns1 (dla litu n=2, dla sodu n=3, ...... dla fransu n=7); elektron ten łatwo jest oddawany przez pierwiastki a atomy przechodzą w jony jednododatnie.
Z niewysokich potencjałów jonizacyjnych litowców (520kJ dla litu, 375 dla Cs) wynika iż metale te są najsilniejszymi reduktorami.

Dzięki temu pod działaniem promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym (zastosowanie Cs w komórkach fotoelektrycznych), jak również w temperaturze palnika gazowego następuje wzbudzenie elektronów na wyższe poziomy energetyczne. Dlatego pierwiastki te dają charakterystyczne zabarwienie palnika: Li-karminowe, Na-żółte, K-fioletowe, Rb-fioletowo-czerwone, Cs-niebieskie. Zjawisko to wykorzystuje się do jakościowego wykrywania litowców.
Wszystkie litowce są metalami. Właściwości litowców podaje tablica 1.

Tablica 1
Właściwości fizyczne litowców
Z Symbol Elektronywalencyjne Gęstość(g/cm3) Tmp.topnienia(oK) Tmp.wrzenia(oK) Promień jonu(oA) Energia jonizacji(J/kmol)*10-6 Energia hydratacji(J/kmol)*10-6 EoM+/M(V)
3 Li 2s1 0,53 454 1640 0,68 519 506 -3,02
11 Na 3s1 0,97 371 1163 0,98 496 398 -2,71
19 K 4s1 0,86 336 1040 1,33 419 318 -2,93
37 Rb 5s1 1,53 312 970 1,48 402 288 -2,99
55 Cs 6s1 1,90 302 958 1,67 367 260 -2,99
Eo - potencjał normalny elektrody.

Występowanie i otrzymywanie
Sód i potas są dość powszechnymi składnikami składnikami litosfery (po ok. 2,5%), ale ze względu na dużą reaktywność chemiczną pierwiastki tej grupy nie występują w przyrodzie w stanie wolnym lecz wyłącznie w postaci związków najczęściej jako chlorki, siarczany, węglany, rzadziej azotany i fosforany. Podstawowym źródłem sodu jest chlorek sodu, który w postaci rozpuszczonej znajduje się w wodzie morskiej a w postaci stałej w złożach surowców mineralnych. W Polsce chlorek sodu tworzy złoża kopalne znajdujące się w okolicach Inowrocławia, Bochni i w Wieliczce.

Potas jest tylko nieco mniej niż sód rozpowszechniony w skorupie ziemskiej. Zródłem potasu są kopalne złoża KCl (sylwin), KCl*MgCl2*6H2O (karnalit) oraz KCl*MgSO4*3H2O (kainit), towarzyszące złożom soli kuchennej.

Z powodu bardzo dużej reaktywności chemicznej, czysty sód i potas otrzymuje się na drodze elektrolizy ich stopionych chlorków lub wodorotlenków. Na przykład sód na skalę techniczną otrzymuje się przez elektrolizę stopionego chlorku sodowego (NaCl). Przez wanny elektrolityczne zawierające stopiony NaCl przepuszcza się prąd elektryczny i NaCl rozkłada się dając sód metaliczny na elektrodzie ujemnej i wolny chlor gazowy na elektrodzie dodatniej. Jest to proces pochłaniający znaczne ilości energii elektrycznej i wielkiego trudu wymaga utrzymanie sodu i chloru z dala od siebie; w przeciwnym razie będą łączyć się ze sobą z utworzeniem NaCl.

Właściwości chemiczne
Litowce, jak również ich tlenki, łatwo reagują z wodą tworząc mocne zasady (NaOH i KOH).
Podczas spalania litowców w powietrzu lub tlenie tylko lit tworzy zwykły tlenek Li2O, pozostałe tworzą nadtlenki Na2O2, K2O2, a potas i cez także ponadtlenki KO2, RbO2, CsO2.
Nadtlenki i ponadtlenki, łatwo reagują z wodą: w reakcji powstaje odpowiednia zasada i tlen

2Na2O2 + 2H2O --> 4NaOH + O2
4KO2 + 2H2O --> 4KOH + 3O2

Litowce reaguja bezpośrednio z fosforem, arsenem i antymonem, tworząc związki typu M3X. W podwyższonych temperaturach łączą się bezpośrednio z wodorem tworząc wodorki MH; reagują również z chlorowcami z utworzeniem halogenków.
Lit podczas ogrzewania łączy się także bezpośrednio z azotem, tworząc azotek litu Li3N, który ogrzany w strumieniu wodoru redukuje się do wodorku litu LiH. Azotków - sodowego Na3N i potasowego K3N - nie można otrzymać przez bezpośrednią syntezę metalu z azotem cząsteczkowym. Otrzymuje sie je przez ogrzewanie mieszaniny azydku metalu i roztworu metalu w ciekłym amoniaku.
W reakcji wody z azotkiem sodu lub potasu wydziela się amoniak.
Wszystkie litowce wypierają wodór ze związków, które mają charakter kwasów Bronsteda:

2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2
2Na + 2CH3OH --> 2CH3ONa + H2
2Na + 2NH3 --> 2NaNH2 + H2

Interesujące włąściwości fizyczne i chemiczne wykazują wodorki litowców, mające charakter soli; wodór występuje w nich w postaci ujemnego jonu H-, tzw. jonu wodorkowego. Pod względem właściwości fizycznych, wodorki podobne są do odpowiednich fluorowców, są jednak od nich bardziej reaktywne. Sposród reakcji wodorków najważniejsze znaczenie dla ich charakterystyki chemicznej mają reakcje z wodą, które przebiegają energicznie z wydzieleniem wodoru.

NaH + H2O --> NaOH + H2

Elektroliza stopionego wodorku litu prowadzi do wydzielenia się metalicznego litu na katodzie, a wodoru na anodzie.
Atomy litowców są dość duże, promienie wynoszą 1,23 Ao - 2,35 Ao, dlatego mają małą gęstość 0,54 - 1,87 g/cm3. Li, Na, K są lżejsze od wody.

Zastosowanie
Lit i sód, a także i potas polepszają własności mechaniczne jak i antykorozyjne magnezu, glinu i ołowiu, wypełniając między ich atomami luki sieciowe. Lit stosowany jest jako katalizator w reakcji polimeryzacji izoprenu. Stop litu z magnezem i niewielkim dodatkiem srebra o d NH4Cl + NaHCO3

2NaHCO3 ---> Na2CO3 + H2O + CO2

Druga reakcja przebiega w temperaturze 160-180 oC.
Wodorotlenek sodowy NaOH otrzymuje się na drodze elektrolizy NaCl i w reakcji

Na2CO3 + Ca(OH)2 --> CaCO3 + 2NaOH

NaOH jest substancją żrącą i należy do najbardziej znanych i szeroko stosowanych produktów przemysłu chemicznego. Służy do wyrobu: mydła i środków piorących, celulozy i papieru, jedwabiu wiskozowego, szkła, barwników oraz do syntezy innych związków chemicznych. Jest jednym z podstawowych odczynników stosowanych w laboratoriach chemicznych. Ma również zastosowanie w gospodarstwie domowym do udrażniania kanalizacji. Roztwory sody kaustycznej są w dotyku śliskie jak mydło i działają wybitnie niszcząco na naskórek (stąd inna jej nazwa "soda żrąca").

Z innych związków chemicznych sodu i potasu największe znaczenie mają:
- NaCl (sól kuchenna) - jest podstawowym źródłem sodu i chloru w przemyśle. Chlorek sodu jest również dodatkiem do potraw. Spożywany zapewnia właściwy skład płynów ustrojowych w organizmach żywych, w których występuje pod postacią jonów. Jony sodu i potasu zapewniają prawidłową gospodarkę wodną oraz są niezbędne do prawidłowej pobudliwości nerwowo - mięśniowej. Są wydalane z organizmu z moczem i potem, dlatego należy stale je dostarczać organizmowi z pożywieniem, np. z NaCl. Szczególnie jest to ważne podczas pracy w trudnych warunkach i w upalne dni. W tym okresie zaleca się picie dużej ilości lekko osolonych płynów.
- KOH - podobnie jak NaOH ma zastosowanie w produkcji mydeł płynnych.
- Węglany potasu (K2CO3) - są surowcami dla przemysłu szklarskiego. Stapiane z piaskiem dają szkło.
- Azotany(V) sodu i potasu (NaNO3, KNO3) - znane jako saletry. Są surowcami do produkcji nawozów sztucznych i materiałów wybuchowych.
- NaHCO3 (soda oczyszczona) - ma zastosowanie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.