Получение в России
Как было указано, главным минералом, из которого получают цезий, является поллуцит. А также этот наиболее активный металл можно получить из редкого авогадрита. В промышленности используется именно поллуцит. Добыча его после распада Советского Союза в России не велась, несмотря на то что еще в те времена были обнаружены гигантские запасы цезия в Вороньей тундре под Мурманском.
К тому моменту, когда отечественная промышленность смогла позволить себе добычу цезия, лицензия на разработку этого месторождения была приобретена компанией из Канады. Сейчас извлечение цезия производит новосибирская .
Какой самый активный металл?
Если вы хотя бы немного помните школьный курс физики, то легко вспомните, что самый активный металл это литий. Этот факт не вызывает удивления, до тех пор, пока вы не пытаетесь разобраться подробнее в этом вопросе. Правда, сложно представить себе ситуацию, в которой это вам потребуется такая информацию, но ради праздного интереса можно попробовать.
К примеру, что такое активность металла? Способность к быстрой и полной реакции с другими химическими элементами? Возможно. Тогда литий, хоть и будет одним из наиболее активных металлов, но явно не чемпионом. Но об этом дальше.
А вот если внести незначительное уточнение, сказать не «самый активный металл», а «самый электрохимически активный металл», тогда литий займет законное первое место.
Литий
В переводе с греческого «литий» означает «камень». Но это и не удивительно, ведь обнаружил его шведский химик Арфведсон как раз в камне, в минерале петалите, где кроме всего прочего, содержался и этот металл.
С этого момента и началось его изучение. А работать есть над чем. К примеру, его плотность в несколько раз меньше, чем у алюминия. В воде он, конечно же, потонет, но зато в керосине будет уверенно плавать.
При нормальных условиях литий – это мягкий, серебристого цвета металл. В ряду Бекетова (ряд электрохимической активности) литий занимает почетное первое место, опередив даже все остальные щелочные металлы. Это означает, что при химической реакции он будет вытеснять другие металлы, занимая вакантное место в соединениях. Именно это и определяет все остальные его свойства.
К примеру, он абсолютно необходим для нормальной работы организма человека, хотя и в мизерных дозах. Повышенная концентрация может стать причиной отравления, пониженная – психической нестабильности.
Интересно, что известный напиток 7Up раньше содержал литий и позиционировался как средство от похмелья. Возможно, действительно помогал.
Цезий
Но если избавится от навязчивого уточнения «электрохимически», оставив просто «активный металл», то победителем можно назвать цезий.
Как известно, активность веществ в таблице Менделеева увеличивается справа налево и сверху вниз. Дело в том, что в веществах, которые находятся в первой группе (первый столбец) на внешнем слое вращается единственный одинокий электрон. Избавиться атому от него просто, что и происходит практически в любой реакции. Если бы их там было два, как у элементов из второй группы, то это бы потребовало уже больше времени, три — ещё больше, и так далее.
Но и в первой группе вещества не одинаково активны. Чем ниже находится вещество, тем больше диаметр его атома, и тем дальше от ядра вращается этот единственный свободный электрон. А это значит, что притяжение ядра на него воздействует слабее и оторваться ему легче. Всем этим условиям как раз и соответствует цезий.
Из всех чистых металлов, которые можно добыть в значимых количествах, цезий обладает наибольшей химической активностью, а также множеством других интересных свойств. К примеру, он может расплавиться в руках человека. Но для этого он должен быть помещен в запаянную стеклянную капсулу, наполненную чистым аргоном, ведь в противном случае он просто загорится от контакта с воздухом. Этот металл нашел свое применение в самых разных областях: от медицины и до оптики.
Франций
А если не останавливаться на цезии и спуститься ещё ниже, то мы попадем на франций. Он сохраняет все свойства и особенности цезия, но выводит их на качественно новый уровень, ведь у него электронных орбит ещё больше, а значит и тот самый одинокий электрон находится ещё дальше от центра.
Долгое время он был теоретически предсказан и даже описан, но найти его или пролучит все не удавалось, что тоже не удивительно, ведь в природе он содержится в мизерных количествах (меньше – только астата). А даже если его получить, то из-за высокой радиоактивности и быстрого периода полураспада он остается крайне нестабильным.
Интересно, что во франции воплотилась мечта средневековых алхимиков, только наоборот. Они мечтали получать золото из других веществ, а здесь для получения используют золото, которое после бомбардировки электронами превращается в франций. Но даже так его можно получить в ничтожно малых количествах, недостаточных даже для тщательного изучения.
Таким образом, именно франций остается самым активным из металлов, далеко опережая все остальные. Конкуренцию ему может составить только цезий, да и то, исключительно за счет более весомого количества. Даже самый активный неметалл, фтор, значительно уступает ему.
Свойства
Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.
Основные химические свойства металлов представлены в таблице.
| Реакция | Уравнение | Исключение |
| Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом | K + O2 → KO2 | Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре |
| Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются | 2Ca + O2 → 2CaO | |
| Реагируют с простыми веществами, образуя соли | – Ca + Br2 → CaBr2; – 2Al + 3S → Al2S3 | Алюминий не вступает в реакцию с водородом |
| Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород | – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 | Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки |
| Реагируют с кислотами, образуя соли | – Ca + 2HCl → CaCl2 + H2;
– 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2 |
|
| Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью | 2Na + CuCl2 + 2H2O:
– 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl |
Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей – минералов, горных пород.
Рис. 3. Минералы и чистые металлы.
Получение в России
Как было указано, главным минералом, из которого получают цезий, является поллуцит. А также этот наиболее активный металл можно получить из редкого авогадрита. В промышленности используется именно поллуцит. Добыча его после распада Советского Союза в России не велась, несмотря на то что еще в те времена были обнаружены гигантские запасы цезия в Вороньей тундре под Мурманском.
К тому моменту, когда отечественная промышленность смогла позволить себе добычу цезия, лицензия на разработку этого месторождения была приобретена компанией из Канады. Сейчас извлечение цезия производит новосибирская .
Применение
Более 90% всего металлургического производства занимает железо и его сплавы.
Продукция из сталей и чугунов — незаменимая и бóльшая часть конструкционных материалов, а это здания, мосты, железные дороги и многое другое.
Применение соединений железа:
- двух- и трехвалентное железо используют в качестве коагулянта в системах водоочистки;
- аноды в железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах изготовлены из самого известного черного металла;
- магнетит в виде ультрадисперсного порошка применяют в черно-белых лазерных принтерах;
- FeCl3 применяют радиолюбители (травят печатные платы);
- магнетит незаменим в изготовлении носителей памяти (жесткие диски).
Сферы применения железа
Для большинства организмов без железа нет жизни; при его помощи кислород доставляется к каждой клетке организма. Недостаток железа влечет за собой хлорозы у растений и железодефицитные анемии у животных.
Познавательно: убеждение, что яблоко на разрезе темнеет от входящего в них железа — миф.
Таблица «Металлы»
В следующей таблицы представлены группы основных металлов:
| Группа металлов | Металл |
| Щелочные | литий, натрий, калий и т.д. |
| Щелочноземельные | кальций, стронций, барий и т.д. |
| Переходные | уран, титан, железо, платина и т.д. |
| постпереходные | алюминий, свинец, олово и т.д. |
| Тугоплавкие | молибден, вольфрам |
| Цветные | медь, титан, магний и т.д. |
| Благородные | золото, серебро и т.д. |
Металлы пластичны и ковки, особенно если на внешнем электронном уровне атомов по одному электрону: слои атомов перемещаются относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки (щелочные металлы, медь, серебро, золото). В атомах непластичных хрупких металлов хрома и марганца – большое число валентных электронов.
Плотность, твердость, температура плавления металлов изменяются в широком диапазоне и зависят от атомной массы, строения атома и геометрии кристаллической решетки. Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый – осмий (плотность 22,5 г/см3). Металлы с плотностью больше 5 г/см3 относят к тяжелым, меньше 5 г/см3 – к легким металлам.
Самая низкая температура плавления у ртути (-39 градусов по Цельсию), самый тугоплавкий металл – вольфрам (температура плавления 3410 градусов по Цельсию.) Энергия атомизации вольфрама составляет 836 кДж/моль, а температура кипения его 5930 градусов.
Металлы вступают в реакцию как с простыми, так и со сложными веществами. Как типичные восстановители металлы реагируют почти со всеми неметаллами-окислителями (кислород, сера, азот и т. д.):
4Al+3O2=Al2O3
Также металлы реагируют с такими сложными веществами, как оксиды и гидроксиды, разбавленные растворы кислот, с растворенными в воде щелочами.
В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают
Рис. 3. Металлы главных подгрупп.
История
Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам . Процессы взаимного вытеснения металлов из растворов и их поверхностное осаждение (например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) рассматривались как проявление трансмутации элементов.
Поздние алхимики вплотную подошли к пониманию химической стороны взаимного осаждения металлов из их растворов. Так, Ангелус Сала в работе «Anatomia Vitrioli» (1613) пришёл к выводу, что продукты химических реакций состоят из тех же «компонентов», которые содержались в исходных веществах. Впоследствии Роберт Бойль предложил гипотезу о причинах, по которым один металл вытесняет другой из раствора на основе корпускулярных представлений .
В эпоху становления классической химии способность элементов вытеснять друг друга из соединений стала важным аспектом понимания реакционной способности. Й. Берцелиус на основе электрохимической теории сродства построил классификацию элементов, разделив их на «металлоиды» (сейчас применяется термин «неметаллы») и «металлы» и поставив между ними водород.
Последовательность металлов по их способности вытеснять друг друга, давно известная химикам, была в 1860-е и последующие годы особенно основательно и всесторонне изучена и дополнена Н. Н. Бекетовым . Уже в 1859 году он сделал в Париже сообщение на тему «Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими». В эту работу Бекетов включил целый ряд обобщений о зависимости между взаимным вытеснением элементов и их атомным весом, связывая эти процессы с «первоначальными химическими свойствами элементов — тем, что называется химическим сродством
» . Открытие Бекетовым вытеснения металлов из растворов их солей водородом под давлением и изучение восстановительной активности алюминия, магния и цинка при высоких температурах (металлотермия) позволило ему выдвинуть гипотезу о связи способности одних элементов вытеснять другие из соединений с их плотностью: более лёгкие простые вещества способны вытеснять более тяжёлые (поэтому данный ряд часто также называютвытеснительный ряд Бекетова , или просторяд Бекетова ).
Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений о ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. Многочисленные экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, опровергали гипотезу Бекетова. Так, Уильям Одлинг описал множество случаев «обращения активности». Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора SnCl 2 и свинец — из кислого раствора PbCl 2 ; она же способна к растворению в концентрированной соляной кислоте с выделением водорода . Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия , однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора CdCl 2 .
Бурное развитие теоретической и экспериментальной физической химии указывало на иную причину различий химической активности металлов. С развитием современных представлений электрохимии (главным образом в работах Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность соответствует «ряду напряжений» — расположению металлов по значению стандартных электродных потенциалов . Таким образом, вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — Нерст ввёл точную количественную величину, характеризующую способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде, а соответствующий ряд получил название ряда стандартных электродных потенциалов
Взаимодействие с простыми веществами
с кислородом
Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.
Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO2):
2Mg + O2 = 2MgO
2Ca + O2 = 2CaO
2Ba + O2 = 2BaO
Ba + O2 = BaO2
Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me3N2.
с галогенами
Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:
Мg + I2 = MgI2 – иодид магния
Са + Br2 = СаBr2 – бромид кальция
Ва + Cl2 = ВаCl2 – хлорид бария
с неметаллами IV–VI групп
Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.
Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C22-, фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:
Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:
С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me2Si, с азотом – нитриды (Me3N2), фосфором – фосфиды (Me3P2):
с водородом
Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.
История открытия
Его открытие принадлежит немецким исследователям Р. Бунзену и Г. Кирхгофу. Уже тогда ученые интересовались, какие металлы активные, а какие – нет. В 1860 году исследователи изучали состав воды из Дюркгеймского водохранилища. Делали они это при помощи спектрального анализа. В образце воды ученые обнаружили такие элементы, как стронций, магний, литий, кальций.
Затем они решили проанализировать каплю воды при помощи спектроскопа. Тогда они и увидели две ярко-голубые линии, находящиеся недалеко друг от друга. Одна из них по своему положению практически совпадала с линией металла стронция. Ученые решили, что выявленное ими вещество является неизвестным и отнесли его к группе щелочных металлов.
В том же году Бунзен написал письмо своему коллеге-фотохимику Г. Роско, в котором рассказывал об этом открытии. А официально о цезии было сообщено 10 мая 1860 года на заседании ученых Берлинской академии. Через шесть месяцев Бунзен смог выделить около 50 граммов хлороплатинита цезия. Ученые переработали 300 тонн минеральной воды и выделили порядка 1 кг хлорида лития в качестве побочного продукта, чтобы в конечном счете получить самый активный металл. Это говорит о том, что цезия в минеральных водах содержится очень мало.
Сложность получения цезия постоянно толкает ученых на поиск содержащих его минералов, одним из которых является поллуцит. Но извлечение цезия из руд всегда оказывается неполным, в процессе эксплуатации цезий очень быстро рассеивается. Это делает его одним из самых труднодоступных веществ в металлургии. В земной коре, к примеру, содержится 3,7 граммов цезия на одну тонну. А в одном литре морской воды лишь 0,5 мкг вещества представляют собой самый активный металл. Это приводит к тому, что извлечение цезия является одним из самых трудоемких процессов.
Примеры решения задач
| Задание | Сплав магния и алюминия массой 26,31 г растворили в соляной кислоте. При этом выделилось 31,024 л бесцветного газа. Определите массовые доли металлов в сплаве. |
| Решение | Вступать в реакцию с соляной кислотой способны оба металла, в результате чего выделяется водород: |
Найдем суммарное число моль выделившегося водорода:
v(H2) = 31,024/22,4 = 1,385 моль
Пусть количество вещества Mg – х моль, а Al –y моль. Тогда, исходя из уравнений реакций можно записать выражение для суммарного числа моль водорода:
Выразим массу металлов, находящихся в смеси:
Тогда, масса смеси будет выражаться уравнением:
Свойства
Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.
Основные химические свойства металлов представлены в таблице.
| Реакция | Уравнение | Исключение |
| Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом | K + O2 → KO2 | Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре |
| Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются | 2Ca + O2 → 2CaO | |
| Реагируют с простыми веществами, образуя соли | – Ca + Br2 → CaBr2; – 2Al + 3S → Al2S3 | Алюминий не вступает в реакцию с водородом |
| Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород | – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 | Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки |
| Реагируют с кислотами, образуя соли | – Ca + 2HCl → CaCl2 + H2;
– 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2 |
|
| Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью | 2Na + CuCl2 + 2H2O:
– 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl |
Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей – минералов, горных пород.
Рис. 3. Минералы и чистые металлы.
Металл франций
Еще одним из металлов с самыми интенсивными свойствами является франций. Он получил свое название в честь родины первооткрывательницы металла. М. Пере, родившаяся во Франции, открыла новый химический элемент в 1939 году. Он принадлежит к числу таких элементов, о которых даже сами исследователи-химики затрудняются делать какие-либо выводы.
Франций является самым тяжелым металлом. При этом и самый активный металл – это франций, наряду с цезием. Этим редким сочетанием – высокой химической активностью и низкой ядерной устойчивостью и обладает франций. У его самого долгоживущего изотопа период полураспада составляет всего лишь 22 минуты. Франций используется для обнаружения другого элемента – актиния. А также соли франция раньше предлагалось применять для обнаружения раковых опухолей. Однако из-за высокой стоимости эту соль невыгодно производить.
Положение в таблице Менделеева
Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.
Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.
Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.
Наиболее активными считаются щелочные металлы:
- литий;
- натрий;
- калий;
- рубидий;
- цезий;
- франций.
К щелочноземельным металлам относятся:
- бериллий;
- магний;
- кальций;
- стронций;
- барий;
- радий.
Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.
Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.
К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.
Использование цезия
Этот металл используется для изготовления различных фотоэлементов. А также соединения цезия применяются в специальных отраслях оптики – в изготовлении инфракрасных приборов, биноклей ночного видения. Цезий используют в изготовлении прицелов, которые позволяют заметить технику и живую силу врага. Также его применяют для изготовления особых металлогалогенных ламп.
Но этим не исчерпывается круг его применения. На основе цезия был создан также ряд медицинских препаратов. Это лекарства для лечения дифтерии, язвенных болезней, шоков и шизофрении. Как и соли лития, соли цезия обладают нормотимическими свойствами – или, попросту, способны стабилизировать эмоциональный фон.
Химические свойства металлов
Все металлы проявляют восстановительные свойства. Легкость в отдачи внешнего электрона применяется в фотоэлементах. Степень активности определяется рядом активности. У самых активных на внешнем уровне располагается по одному электрону.
Общие химические свойства металлов выражаются в реакциях со следующими соединениями.
С неметаллами
4 Li + O2→ 2 LiO2
3 Mg + N2 → Mg3N2
Активные металлы реагируют с галогенами и кислородом. С азотом взаимодействуют только литий, кальций и магний. Большинство металлов при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а наиболее активные металлы – пероксиды (N2O2).
С оксидами металлов
2 Ca + MnO2 → 2 CaO + Mn(нагревание)
С кислотами
Mg + H2SO4(разб)→MgSO4 + H2
Водород в кислотах вытесняют только те металлы, которые в ряду напряжений стоят до водорода.
С растворами солей
Fe + CuSO4→ Cu + FeSO4
Cu + 2 AgNO3→ 2 Ag + Cu(NO3)2
Более активные металлы вытесняют из соединений менее активные.
Химические свойства щелочных и щелочно-земельных металлов (реакции с водой)
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
Ca + 2 H2O →Ca(OH)2 + H2
§ 10. Периодический закон в свете теории строения атома
*Положение в периодической системе d- и f-элементов
d— и f-Элементы относят к элементам B-групп. Так как эти элементы расположены в периодической системе между s— и p-элементами в 4–8-м периодах, их называют переходными.
В 4-м периоде (K — Kr) содержится 18 элементов. Ввиду большего числа элементов в этом периоде по сравнению с первыми тремя периодами Д. И. Менделеев назвал 4-й и последующие периоды большими.
Пятый период (Rb — Xe) построен аналогично 4-му: в нём также находится десять переходных d-элементов (Y — Cd).
Шестой период (Cs — Rn) содержит 32 элемента. В него, помимо десяти d-элементов (Lu — Hg), включено 14 f-элементов. Элементы от лантана (La) до иттербия (Yb) в виде отдельного ряда вынесены вниз таблицы, который получил название «лантаноиды» по его первому элементу — лантану. Лантаноиды сходны по химическим свойствам. Это объясняется тем, что электронами у них заполняются внутренние 4f-орбитали, а валентный электронный слой имеет похожую электронную конфигурацию — чаще всего 5d16s2. В соединениях лантаноиды проявляют преимущественно степень окисления +3.
Седьмой период также содержит 32 элемента — от франция (Fr) до оганесона (Og). Период начинается с s-элементов (Fr и Ra), затем следуют 14 актиноидов (Ac — No). Эти элементы также вынесены в отдельный ряд внизу таблицы из-за близости их свойств, хотя они выражены меньше, чем у лантаноидов. Затем следуют десять 6d-элементов и шесть 6р-элементов. Все элементы этого периода являются радиоактивными, и большая их часть получена искусственным путём.
В периодической системе элементы разделены на группы. Две группы IA и IIA заполняют s-элементы. Далее располагаются десять В-групп, заполненных d-элементами. Завершают таблицу шесть А-групп, содержащих р-элементы.
Может ли быть открыто ещё больше химических элементов, чем известно сейчас? Ведь самые последние из известных элементов были открыты совсем недавно.
На этот вопрос отвечает теория ядерной физики. Пока с надёжностью предсказывают возможность существования химических элементов с порядковыми номерами до 126. В то же время есть научные концепции, которые предполагают искусственное получение химических элементов с порядковыми номерами до 173 с «островком стабильности» в области 164-го элемента.
У периодического закона нет привычного для физических законов математического выражения. Все попытки вывести математическую формулу периодического закона, предпринимавшиеся неоднократно, оказались безуспешными. В этом особенность свойств химических элементов и их соединений. Присущие им свойства не укладываются в простые математические выражения.
Своеобразной графической формой, выражающей периодический закон, стала периодическая система, которую Д. И. Менделеев представил в виде таблицы. По предложению ИЮПАК её так и называют: «Периодическая таблица элементов» (Periodic Table of the Elements), а у нас часто кратко: «Таблица Менделеева».
Таблица периодической системы — это иллюстрация закономерного расположения химических элементов относительно друг друга в периодической системе.
Менделеев посчитал более приемлемым представить периодическую систему в короткопериодной форме, которая в современном виде изображена на рисунке 20.1. В ней группы элементов подразделяются на подгруппы — главные и побочные. В главных подгруппах размещены s— и p-элементы, в побочных — d-элементы.
Рис. 20.1. Современный вариант короткопериодной периодической системы химических элементов
Позже ИЮПАК предложил использовать полудлиннопериодный вариант таблицы, в котором главные и побочные подгруппы были преобразованы в отдельные А- и В-группы: главные — в А-группы, побочные — в В-группы. Таких групп оказалось 18. Эта таблица изображена на форзаце учебника.
Существует вариант длиннопериодной таблицы, в которой f-элементы встроены в ряд с d-элементами (рис. 20.2). Существуют и другие варианты изображения периодической системы, их насчитывается около 500.
Рис. 20.2. Длиннопериодная форма периодической системы химических элементов
Свойства
Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.
Основные химические свойства металлов представлены в таблице.
| Реакция | Уравнение | Исключение |
| Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом | K + O2 → KO2 | Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре |
| Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются | 2Ca + O2 → 2CaO | |
| Реагируют с простыми веществами, образуя соли | – Ca + Br2 → CaBr2; – 2Al + 3S → Al2S3 | Алюминий не вступает в реакцию с водородом |
| Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород | – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 | Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки |
| Реагируют с кислотами, образуя соли | – Ca + 2HCl → CaCl2 + H2;
– 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2 |
|
| Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью | 2Na + CuCl2 + 2H2O:
– 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl |
Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей – минералов, горных пород.
Рис. 3. Минералы и чистые металлы.
