Презентация на тему Химические свойства легкоплавких металлов

КАЛИЙ, Na-K, ЦЕЗИЙ

СВИНЕЦ, ГАЛЛИЙ

ПАРОМ

зависит состава газовой среды, влажности, температуры, наличия примесей в

литии. Отличительной особенностью лития в ряду щелочных металлов является его взаимодействие с азотом. При контакте с литием азот реагирует даже при нулевой температуре.

выделением избыточного тепла по следующим реакциям (при 500oC):

Li +

1/6N2 → 1/3Li3N – 69 кДж/г-моль Li (414 кДж/г-моль N2)
Li + 1/4O2 → 1/2Li2O – 302 кДж/г-моль Li (1210 кДж/г-моль O2)
Li + 3/4CO2 → 1/2Li2CO3 +1/4 C – 318 кДж/г-моль Li (424 кДж/г-моль CO2)

Конечным продуктом взаимодействия является Li2CO3∙OH.
Взаимодействие твердого лития сильно зависит

от состояния его поверхности, наличия в литии примесей, влажности, температуры. Примеси в литии существенно ускоряют процесс взаимодействия.
При нормальной температуре повышение влажности воздуха также ускоряет процесс взаимодействия. При влажности <80% продуктом взаимодействия лития с воздухом является Li3N, а при высокой влажности смесь Li2CO3.с LiOH в соотношении 1:3.

нормальной влажности

температуре

давлении ~1,6∙104 Па
На воздухе литий технической чистоты может воспламениться

при 200-300оС, а литий высокой чистоты воспламеняется при температуре >600оС

~1,4∙104 Па
При температурах >450оС литий воспламеняется в среде сухого

азота. Наличие в азоте кислорода (7-15%) или водорода (3-5%) снижают скорость взаимодействия лития с газовой средой практически до нуля. Присутствие влаги в азоте сильно ускоряет его взаимодействие с литием

при нормальной влажности происходит его горение, температура которого составляет

1000-1100оС и слабо зависит от исходной температуры лития. При взаимодействии лития с CO2 температура горения может значительно превышать 1000оС. При горении на воздухе образуется большое количество продуктов горения в форме аэрозолей. Количество аэрозолей может составлять более 10% от исходного количества лития. Горение в среде азота происходит при более низкой температуре (<1000oC) и почти без образования аэрозолей.

Ca, O, N ...)
Время экспозици на воздухе и «плохом»

вакууме приблизительно 2 года;
влажность воздуха составляла 25-60 %; температура - ~20-25oC

На поверхности слитка Li образовался толстый слой Li2CO3

Li2CO3

Металлический Li

~5 мм

Взаимодействие Li с воздухом

разреза
Образец Li
в исходном состоянии
Li марки ЛЭ-1 (>99,5% Li; основные

примеси: Na, Ca, Mg, O, N …)
Влажность воздуха <25 %, температура - ~20oC

Δm = +28 мг/см2

Взаимодействие Li с сухим воздухом весьма слабое

Взаимодействие Li с воздухом

>99.99% обеспечивалась низкой температурой испарения - ~600oC)
Время выдержки на

воздухе ~48 часов; влажность воздуха ~25%; температура - 20oC

Начальная стадия образования Li3N

Чистая поверхность Li

Скорость взаимодействия Li высокой чистоты с сухим воздухом очень низкая

Взаимодействие Li с воздухом

жидких металлах в практически интересующем интервале температур описывается выражением

вида

lnС =А - В.T-1,
где С — концентрация примеси в жидком металле в атомных долях, %;
Т – температура, К; А и В - константы.

зависимости от условий образуется оксид Na2O или пероксид Na2O2

- бесцветные кристаллические вещества. Во влажном воздухе при комнатной температуре натрий быстро окисляется. Пленка оксида, поглощая влагу и углекислый газ из воздуха, превращается в NaOH и NaCO3.
Минеральные кислоты образуют с натрием соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98-100%-ной серной кислоте натрий сравнительно инертен.
Реакция натрия с водородом начинается при 200 °C и приводит к получению гидрида NaH - бесцветного гигроскопического кристаллического вещества. С фтором и хлором натрий взаимодействует непосредственно уже при обычной температуре, с бромом - только при нагревании; с йодом прямого взаимодействия не наблюдается. С серой реагирует бурно, образуя сульфид натрия, взаимодействие паров натрия с азотом в поле электрического разряда приводит к образованию нитрида Na3N, а с углеродом при 800-900 °C - к получению карбида Na2C2.

образует гидрооксид NaOH и H2;
реакция может сопровождаться взрывом.

2Na+H2O =

2NaOH+H2

Если имеется избыток металла, то протекает вторая фаза реакции

2Na+NaOH = Na2O+NaH
2Na+H2 = NaH


С2Н5ОН+2Na = 2С2Н5ОNa+H2

от температуры

с газообразным азотом не взаимодействует
Известны соединения Na3N и NaN3

от температуры


Азот
NaH

более удален от его ядра, чем валентные электроны лития

и натрия, поэтому химическая активность калия выше, чем этих двух металлов. На воздухе, особенно влажном, калий быстро окисляется. При комнатной температуре калий реагирует с галогенами. При нагревании выше 200°С в атмосфере водорода калий образует гидрид KH, самовоспламеняющийся на воздухе. Азот и калий не взаимодействуют даже при нагревании под давлением, но под влиянием электрического разряда эти элементы образуют азид калия KN3 и нитрид калия K3N. При нагревании калия с графитом получаются карбиды KC8 (при 300 °С) и KC16 (при 360 °C). В сухом воздухе (или кислороде) калий образует желтовато-белый оксид K2O и оранжевый пероксид KO2.
Калий энергично, уже при температуре -100оС, со взрывом реагирует с водой, выделяя водород:
2К + 2Н2О = 2KOH + H2.
2K+KOH = K2O + KH
2K + H2 = 2KH

воздухе мгновенно воспламеняется с образованием пероксида Cs2O2 и надпероксида

CsO2; при недостатке воздуха получается оксид Cs2O; известен также озонид CsО3. С водой, галогенами, углекислым газом, серой, четыреххлористым углеродом цезий реагирует со взрывом, давая соответственно гидроксид CsOH, галогениды, оксиды, сульфиды, CsCl. С водородом взаимодействует при 200-350 °С, образуя гидрид. Цезий при нагревании соединяется с фосфором, кремнием, графитом.
Цезий бурно реагирует с водой:

Cs + H2O = CsOH + 1/2H2
Эта реакция протекает начиная с температуры -116оС

соединений калия

Свойства основных соединений цезия

оксиды Рb2О, РbО, РbО2, Рb3О4 и Рb2О3.
Металлический блеск

свежего свинца постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тонкой пленки РbО, предохраняющей металл от дальнейшего окисления.

Далее под влиянием воздуха на поверхности свинца образуется пленка гидроксида Рb(ОН)3, который под воздействием SO3 и CO2 превращается в нерастворимые в воде, как и сам свинец, сернокислые или углекислые соединения.

в серной и соляных кислотах растворяется лишь при нагревании

до 200-250°С. При этом образуются растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO4)2 и Н2(РbCl4). Азотная, уксусная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют свинец.
Чистый свинец устойчив в щелочах, аммиаке, некоторых органических кислотах.


ВЫВОД: свинец химически инертен

литием незначительно. Растворимость кислорода в свинце, весьма низка и

составляет 0,10 % при 1000 °C и 0,135 % при 1200 °C.

Азот, сильно растворимый в литии, не образует со свинцом соединений и не растворяется в нем минимум до температуры 600 °С.
О взаимодействии свинца с углеродом информация ограничена. Сообщается о синтезе карбида РbС2.
При 350-500 °С растворимость углерода в свинце весьма низка, но достаточна, чтобы этот жидкий металл мог служить средой, переносящей углерод между разнородными материалами системы.

и воздухом при 527 °С

С двухатомного диссоциирующего при растворении в металле газа с

его давлением Р над образующимся разбавленным раствором и абсолютной температурой Т - закон Сивертса, имеет вид

где КS - константа Сивертса, зависящая от температуры по закону

плёнка Ga2O3 (Тпл= 1795°C), образующаяся на поверхности металла на

воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

Галлий реагирует с горячей водой:


При реакции с перегретым паром (350°C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия):


Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей:

бромом идёт при комнатной температуре, с фтором — уже

при −35 °C (около 20 °C — с воспламенением), взаимодействие с йодом начинается при нагревании.

Галлий не взаимодействует с водородом, углеродом, азотом, кремнием и бором.

При растворении Ga(OH)3 и Ga2O3 в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H2O)6]3+, поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl3∙6H2O.

ВЫВОД: галлий химически инертен

H2SO4, HF, HCl)
С концентрированными HNO3, HCl – реагирует со

взрывом.
Со спиртами литий реагирует слабее, чем с водой. Скорость реакции уменьшается от первичных спиртов к вторичным и третичным.

По отношению к парафиновым углеводородам, эфирам, бензолу, бензину, керосину литий инертен.

K реагируют со взрывом. С органическими кислотами Na реагирует

спокойно.
Со этиловым спиртом натрий взаимодействует активно. Со спиртами, имеющими большие молекулярные веса, реакции взаимодействия идут слабо. Начиная с амилового и изоамилового спирта реакции взаимодействия значительно замедляются.
Калий взаимодействует со спиртами аналогично натрию, но более активно.
Натрий и калий при определенных условиях могут реагировать со взрывом с галогенопроизводными углеводородов.

По отношению к парафиновым углеводородам, бензину, керосину, толуолу натрий и калий инертны.