Щелочные металлы – получение, свойства, применение

Отражены сведения о распространенности щелочных металлов и способах их получения. Произведен анализ физико-химических свойств щелочных элементов, а также областей их применения в современной науке и технике....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Ажажа, В.М., Гнедая, И.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81441
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Щелочные металлы – получение, свойства, применение / В.М. Ажажа, И.Л. Гнедая // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 184-194. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-81441
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-814412015-05-16T03:02:01Z Щелочные металлы – получение, свойства, применение Ажажа, В.М. Гнедая, И.Л. Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Отражены сведения о распространенности щелочных металлов и способах их получения. Произведен анализ физико-химических свойств щелочных элементов, а также областей их применения в современной науке и технике. Надано інформацію про поширеність лужних металів та засоби їх отримання. Проведено аналіз фізико- хімічних властивостей лужних елементів, а також галузей їх застосування в сучасній науці та техніці. In the article the informational of alkali elements natural occurrence and techniques of obtaining is cited. It is made analysis of alkali elements physical and chemical properties. The application in contemporary science and technology are consideration. 2006 Article Щелочные металлы – получение, свойства, применение / В.М. Ажажа, И.Л. Гнедая // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 184-194. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81441 621.039.669.2 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ
spellingShingle	Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Ажажа, В.М. Гнедая, И.Л. Щелочные металлы – получение, свойства, применение Вопросы атомной науки и техники
description	Отражены сведения о распространенности щелочных металлов и способах их получения. Произведен анализ физико-химических свойств щелочных элементов, а также областей их применения в современной науке и технике.
format	Article
author	Ажажа, В.М. Гнедая, И.Л.
author_facet	Ажажа, В.М. Гнедая, И.Л.
author_sort	Ажажа, В.М.
title	Щелочные металлы – получение, свойства, применение
title_short	Щелочные металлы – получение, свойства, применение
title_full	Щелочные металлы – получение, свойства, применение
title_fullStr	Щелочные металлы – получение, свойства, применение
title_full_unstemmed	Щелочные металлы – получение, свойства, применение
title_sort	щелочные металлы – получение, свойства, применение
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81441
citation_txt	Щелочные металлы – получение, свойства, применение / В.М. Ажажа, И.Л. Гнедая // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 184-194. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ažažavm ŝeločnyemetallypolučeniesvojstvaprimenenie AT gnedaâil ŝeločnyemetallypolučeniesvojstvaprimenenie
first_indexed	2025-07-07T04:01:40Z
last_indexed	2025-07-07T04:01:40Z
_version_	1836959295822888960
fulltext	УДК 621.039.669.2 ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕ- НИЕ В.М. Ажажа, И.Л. Гнедая Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г.Харьков, Украина Отражены сведения о распространенности щелочных металлов и способах их получения. Произведен анализ физико-химических свойств щелочных элементов, а также областей их применения в современной науке и технике. ВВЕДЕНИЕ Область применения щелочных элементов и их соединений в современном мире чрезвычайно вели- ка и разнообразна. Она распространяется на медици- ну и пищевую промышленность, оптику и электро- нику, металлургию и атомную энергетику, что свя- зано с рядом уникальнейших свойств этих элемен- тов. Щелочные металлы являются полезными и необходимыми не только в виде соединений, но и в виде чистых металлов, применяемых главным об- разом как незаменимые добавки к сплавам и как теплоносители в атомных реакторах. Получение энергии с помощью термоядерного синтеза является возможным благодаря использова- нию в них в качестве топлива лития и его соедине- ний, из которого в процессе ядерной реакции полу- чают тритий. Также интересно отметить, что литий играет исключительную роль в процессах протекаю- щих в звездных системах. Согласно современным представлениям солнечная радиация на первых эта- пах развития солнечных систем поддерживается главным образом за счет ядерных реакций лития, бе- риллия и бора. Весьма перспективным является применение ще- лочных металлов при создании нетрадиционных ис- точников энергии [1,2]. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Под общим названием щелочные металлы объединяют элементы главной подгруппы первой группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которая включает: литий (Li), на- трий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), а также крайне нестабильный элемент франций (Fr). Название «щелочные металлы» присвоено этим эле- ментам, так как гидроокиси главных представителей этой подгруппы – натрия и калия – издавна были из- вестны под названием «щелочей». Одной из главных особенностей щелочных эле- ментов является их относительно большой атомный объем и наличие на внешнем электронном слое по одному электрону, который они очень легко отдают, превращаясь в положительные однозарядные ионы: Ме – е → Ме+. Щелочные металлы – это наиболее типичные представители металлов, являющиеся самыми ак- тивными и в соединениях всегда проявляющие ва- лентность 1. Восстановление же ионов этих метал- лов происходит с большим трудом. Как элементы, в атомах которых происходит за- полнение s-подуровня, щелочные металлы относят- ся к так называемым непереходным металлам. Щелочные металлы очень мягки (наиболее мягок цезий), имеют низкую плотность (плотность увели- чивается от Li к Cs), легко поддаются сжатию и об- ладают низким для металлов удельным весом. Ха- рактерна их чрезвычайная легкоплавкость, а также низкие точки кипения (Тпл уменьшается от Li к Cs) . Чистая поверхность щелочных металлов облада- ет сильным серебристо-белым металлическим блес- ком за исключением цезия, который в чистом виде – золотисто-желтый. Однако блеск этих металлов можно наблюдать только на препаратах, находящих- ся в вакууме или на свежем срезе. На воздухе бле- стящая поверхность сейчас же тускнеет вследствие окисления, а рубидий и цезий воспламеняются. Чрезвычайно характерно, что продуктами сгорания щелочных металлов чаще всего являются не оксиды (М2О), а пероксиды (М2О2). Так как в ряду напряжений щелочные металлы стоят далеко впереди водорода, то они вытесняют его не только из кислот, но и из воды (где концен- трация водородных ионов очень мала), разлагая ее и образуя сильные основания, хорошо растворимые в воде, часто называемые едкими щелочами (МОН). Будучи слабо нагретыми в атмосфере водорода, щелочные металлы образуют солеобразные гидриды (МН), восстанавливая даже инертные атомы водоро- да. С водой гидриды взаимодействуют с образовани- ем водорода и щелочи. Энергично щелочные металлы реагируют и с га- логенами, особенно с хлором и фтором. Эти метал- лы образуют большое число солей. За исключением нескольких солей лития (LiF, Li2CO3, Li3PO4), а так- же солей хлорной кислоты (MClO4, причем M = K, Rb, Cs, Fr), почти все они легко растворимы в воде. Также следует отметить, что щелочные металлы растворяются в аммиаке, аминах и эфирах [6]. В связи со столь высокой активностью щелоч- ных металлов их следует хранить под слоем кероси- на или парафинового масла. Еще одной особенностью щелочных металлов являются их характеристические спектры. Эти ме- таллы окрашивают пламя газовой горелки в харак- терный цвет и при рассмотрении окрашенного пла- мени в спектроскоп видны отдельные яркие линии. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.184 – 194. 184 Положение этих линий настолько характерно, что на этом основании щелочные металлы можно легко идентифицировать [3-5]. 2. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ И ПОЛУЧЕНИЕ Благодаря чрезвычайной способности к окисле- нию щелочные металлы встречаются в природе ис- ключительно в виде соединений. К наиболее рас- пространенным относятся натрий и калий, осталь- ные же щелочные металлы относятся к редким и рассеянным элементам, содержание франция – ни- чтожно мало (табл.1). Таблица 1 Распространенность щелочных металлов [6-8] П ор яд ко вы й но ме р эл ем ен та С им во л эл ем ен та Массовая доля, % в зем- ной коре в воде океанов в биосфе- ре 3 Li 6∙10-3 1.5∙10-5 1∙10-5 11 Na 2.64 1.03554 0.02 19 K 2.5 0.03875 0.3 37 Rb 2.9∙10-2 2∙10-5 5∙10-4 55 Cs 6.5∙10-4 3.7∙10-8 1∙10-5 87 Fr 1∙10-21 2.1. ЛИТИЙ Литий распространен в природе достаточно ши- роко. Спутник природных месторождений натрия и калия, он образует сложные минералы типа алюмо- силикатов, в которых содержание лития составляет всего несколько процентов. Важнейшие из них сподумен (самый распространенный) LiAl[Si2O6], амблигонит LiAl[PO4](F/OH), лепидолит (литиевая слюда) KLi2Al[Si4O10](Fe,OH)2, петалит (Li,Na)[Al- Si4O10] и др. Важнейшие месторождения: Канада, США, Юго-Западная Африка, Южная Родезия, Ис- пания, Швеция, Бразилия, Австралия. В небольших количествах литий присутствует в воде многих ми- неральных источников, морской воде, почве и в золе таких растений, как табак (до 0,5%), чай, хмель, са- харная свекла и др. Литий был открыт в 1817 г. Арфведсоном (Шве- ция), учеником Берцелиуса, сначала в петалите, а вскоре также в сподумене и лепидолите. В 1855 г. впервые металлический литий удалось получить Деви разложением окиси лития. Бунзену и Маттис- сену удалось получить металлический литий элек- тролизом расплавленного хлористого лития. Свое название он получил от греческого litheios – камень, так как в отличие от натрия и калия, которые до сих пор находились только в золе растений, был найден в минерале. Переработку литиевых руд сильно затрудняет малое содержание металла в минерале. Промышлен- ным методом литий извлекают из предварительно измельченных и сплавленных минералов так назы- ваемым сульфатным методом: после вскрытия мине- рала серной кислотой происходит осаждение карбо- ната лития Li2CO3 из раствора сульфата лития Li2- SO4 содой Na2CO3. Растворением получаемого тех- нического карбоната лития в соответствующей кис- лоте, например соляной HCl, с последующей пере- кристаллизацией может быть получена любая соль лития (LiCl). Металлический литий получают элек- тролизом расплава смеси хлорида лития LiCl и ка- лия KCl с применением графитового анода и сталь- ного катода. При таком методе содержание приме- сей составляет до 5,5%. Литий высокой степени чи- стоты (99,95%) получают электролизом насыщенно- го раствора LiCl в пиридине, разложением соедине- ния NH3Li в вакууме при 50…60 °С и восстановле- нием окиси лития алюминием в вакууме (10-3 мм рт. ст.) при температуре 950…1000 °С. Получение лития высокой степени чистоты, как и других щелочных металлов, представляет большую трудность. В литии согласно ГОСТ 8774- 75 его содержание должно быть не менее 99,9%. Из примесей нормируется содержание натрия, кальция, калия, магния, марганца, железа, алюминия, двуоки- си кремния и нитридного азота. В наибольших коли- чествах присутствуют элементы-аналоги – калий и натрий [1, 9-13]. 2.2. НАТРИЙ И КАЛИЙ Соединения натрия и калия в общем виде встре- чаются примерно одинаково часто, хотя соединения калия менее распространены, чем соединения на- трия. Натрий – шестой элемент по распространенности в земной коре. Наиболее распространенными мине- ралами являются альбит (натриевый полевой шпат) Na[Al3O8], нитронатрит (натрионная или чилийская селитра) NaNO3, криолит Na3[AlF6]. Значительные количества натрия растворены в морской воде в виде хлористого натрия NaCl (10,6 г ионов Na+ в 1 л морской воды). Его скопления образуют мощные от- ложения каменной соли (галит) во многих местах земного шара, например, Страссфурт, Галле, Тю- рингия, Польша и т.д. В верхних слоях этих отложений иногда содер- жатся значительные количества калия, преимуще- ственно в виде хлористого калия и двойных солей с натрием и магнием. Однако большие скопления ка- лиевых солей имеющих промышленное значение, встречаются редко. Имеются месторождения в Страссфурте; вблизи Соликамска, на Урале; в Кло- дова, Польша. Содержание хлористого калия в мор- ской воде незначительно, примерно 40/1 по сравне- нию с содержанием натрия (это объясняется тем, что в противоположность соединениям натрия зем- ная поверхность сильно адсорбирует соединения ка- лия, так что они не достигают моря). Из земной по- верхности калий попадает в растения, поэтому он всегда содержится в их золе в виде карбоната (пота- ша). Наоборот, содержание натрия в золе матери- ковых растений невелико. Калий – седьмой элемент по распространенности в земной коре, входит в со- став различных минералов и горных пород силикат- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.184 – 194. 185 ного типа. Наиболее распространенные минералы - ортоклаз (калиевый полевой шпат) K[AlSi3O8] и му- сковит (калиевая слюда) KAl2[(OH,F)2AlSi3O8], яв- ляющиеся составными частями многих распростра- ненных пород, в частности, гранитов. Еще в древнем Риме и Египте было известно ве- щество под названием nitrum, название относящееся к соде и поташу, которые тогда еще не могли разли- чать. Различие «натра» от латинского названия соды и «кали» от арабского названия щелочи «алкали» было впервые отмечено в 1702 г. Шталем. Однако экспериментально различие обоих элементов было доказано только в 1736 г. Дюамелем де Монсо. В 1758 г. Маркграф установил индивидуальность обо- их элементов по окрашиванию пламени. Содержа- ние калия в минералах, а не только в растениях впервые доказал Клапрот в 1797 г. Получить сво- бодные металлы впервые удалось Деви 1807 г., при электролизе расплава гидроксида натрия с помощью вольтова столба. Он подвергал электролизу кусок влажного едкого натра (соответственно едкого кали), лежавшего в платиновой чашке, служившей одновременно катодом. В технике металлический натрий получают в основном двумя способами: электролизом расплав- ленной гидроокиси этого металла NaOH с добавле- нием каустической соды Na2CО3, применяя медный катод, никелевый анод и диафрагмы из железной проволоки, а также электролизом смеси хлоридов натрия NaCl и кальция СaCl2. Второй способ являет- ся более энергоемким и получаемый при этом на- трий содержит примеси кальция менее 1 %. В металлическом натрии марки ЧДА (ТУ 6-09- 356-77) содержание основного компонента должно быть не менее 99,9%; из примесей нормируется со- держание калия, кальция 0,02 мас.%, железа, тяже- лых металлов, а также хлор- и сульфатсодержащих веществ и кремнекислоты на уровне 1∙10-3…4∙10-3 мас.%. В натрии повышенной степени чистоты согласно ТУ 48-4-475-86 его содержание должно быть не менее 99,99%; из примесей норми- руется содержание калия. Оно не должно превы- шать 0,01 мас.%. Основным исходным продуктом для получения калиевых солей и металлического калия являются его растворимые природные соли: сольвинт, карнал- лит и др. Металлический калий получают в про- мышленных масштабах электролизом расплавлен- ного едкого кали КОН, а также карбидным спосо- бом нагревая фторид калия с дикарбидом кальция: 2KF + CaC2 →2K + 2C + CaF2. Спектроскопически чистый калий, свободный от растворимых газов, может быть получен термиче- ским разложением нитрида калия KN3 в токе азота или в вакууме (320…360°С). В калии повышенной степени чистоты (ТУ 48-4- 476-86) содержание его составляет 99,99 мас.%, основной примесью является натрий 0,01 мас.% [1,3,4,12,13]. 2.3. РУБИДИЙ И ЦЕЗИЙ В природе рубидий и цезий весьма распростра- нены, но встречаются в малых количествах. Место- рождения этих элементов рассеяны, причем руби- дий не образует собственных минералов. Рубидий и цезий – спутники калия в воде минеральных источ- ников, соляных пластах и минералах. Рубидий обычно сопровождает литиевые минералы. Лепидо- лит содержит до 5% рубидия, карналлит (калийный минерал) – до 0,02%. Цезий также, но в значительно меньших количествах присутствует в минералах, со- держащих рубидий. Собственных минералов для це- зия известно два: поллуцит, или поллукс (водный алюмосиликат цезия) Cs2[Al2Si4O12] ∙nH2O и родицит (водный борат алюминия, бериллия и металлов ще- лочной группы). В поллуците цезий может быть ча- стично замещен натрием. Месторождения поллуци- та обнаружены в США, Юго-Западной Африке и в Швеции. Также присутствие этих элементов обнару- жено в золе многих растений. Рубидий накапливает- ся в свекле, некоторых сортах цитрусовых, вино- градном соке (содержание его в красных виноград- ных винах достигает 1,1 мг/л, в белых – 0,5 мг/л). Рубидий и цезий были открыты в 1861 и 1860 гг. соответственно Бунзеном и Кирхгоффом в воде Дюркгаймерского (Германия) минерального источ- ника. Это были первые элементы, открытые с помо- щью спектрального анализа. Рубидий получил свое название по двум характерным линиям в красной части спектра (rubidius – темно-красный); цезий - по двум характерным синим линиям спектра (caesius – сине-серый). Металлический рубидий был получен Бунзеном электролизом расплавленного хлорида (~1880 г.), металлический цезий был получен Сет- тербергом в 1882 г. электролизом расплавленной смеси цианидов цезия и бария. К этому времени Бунзеном уже была получена амальгама цезия. Методы получения рубидия и цезия сводятся к электролизу расплавленных солей (хлоридов или цианидов) и восстановлению окисей, гидроокисей, карбонатов, галоидных соединений, сульфатов или хроматов такими соединениями, как кальций, маг- ний, барий, алюминий или кремний при повышен- ных температурах. Часто получение рубидия являет- ся побочным процессом при получении калия из карналлита и лития из лепидолита. Соединения це- зия извлекаются также из поллуцита обработкой тонкоизмельченного минерала соляной кислотой с последующим дегидратированием двуокиси крем- ния и отфильтровыванием нерастворимого остатка. В рубидии повышенной степени чистоты (ТУ 48- 4-477-86) содержание его должно быть не менее 99,99 мас.%. Нормируется содержание элементов- аналогов: натрия, калия и цезия, их суммарное со- держание не должно превышать 0,1 мас.%. В цезии повышенной степени чистоты (ТУ 48-4- 478-86) содержание его составляет 99,99 мас.%. Определяется содержание элементов-аналогов: на- трия, калия и рубидия, их суммарное содержание не должно быть более (3…8)∙10-3 0,1 мас.% [1,4,11-14]. 2.4. ФРАНЦИЙ Трудности обнаружения франция заключаются в том, что это радиоактивный элемент, не имеющий ни стабильных, ни долгоживущих изотопов. Так, 223Fr – член актиноуранового ряда (родоначальник 235U) , являющийся одним из самых долгоживущих, имеет период полураспада 21,8 мин. 1 т природного ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.184 – 194. 186 урана с ненарушенным равновесием содержит 0,2 мг 227Ас и 3,8∙10-10 г 223Fr. Последняя величина соот- ветствует 0,17 мКюри или 4,65∙106 расп/мин. В по- верхностном слое Земли толщиной 1,6 км содержит- ся лишь 24,5 г франция. В радиоактивном равнове- сии со всей массой земного урана находится около 500 г франция - 223. Fr221 – одно из промежуточных звеньев нептуниевого ряда, его равновесное количе- ство равно ~ 10-17г на тонну природного урана. Как было упомянуто ранее, франций настолько радиоактивен, что его нет в земной коре в более чем следовых количествах. Это наименее устойчивый элемент. Д.И. Менделеев предсказал возможность обнаружения в природе элемента с порядковым но- мером 87 еще в 1870 г. Открыт он был при помощи радиометрических методов в 1939 г. французской исследовательницей Перей, как продукт распада элементов ряда актиния. В наше время франций получают искусственным путем на высокоэнергетическом ускорителе при α- распаде актиния-227 [1,7,15]. 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА По своим свойствам щелочные металлы очень схожи между собой, некоторые качественные раз- личия создают увеличение заряда и атомных радиу- сов. Основные их физико-химические свойства при- ведены в табл.2. 3.1. ЛИТИЙ Литий состоит из двух стабильных изотопов: 6Li (7,42%) и 7Li (92,58%). Радиоактивность можно вызвать искусственным путем, при бомбардировке атомов лития нейтронами и α-частицами. Искус- ственными изотопами являются 8Li (Т1/2=0,841 с) и 9Li (Т1/2=0,168 с). По сравнению с другими щелочными металлами литий занимает особое место. Это серебристо-белый металл, легчайший из негазообразных при нормаль- ных условиях элементов всплывающий даже в бен- зине. Литий очень мягок, но наиболее твердый из всех щелочных металлов, он значительно мягче талька (твердость талька принята за единицу по шкале твердости Мооса). Он очень вязок и легко протягивается в проволоку, легко сваривается при комнатной температуре простым спрессовыванием, может обрабатываться холодной прокаткой. По своим механическим свойствам литий заметно отли- чается от других щелочных металлов, и похож на свинец. Механические свойства лития чистотой 99,3% приведены на рис.1. Подобно всем щелочным металлам во всех из- вестных соединениях литий одновалентен. Но неко- торые его свойства аналогичны свойствам щелочно- земельных металлов, в частности, кальцию и маг- нию. Например, фториды, фосфаты и карбонаты ли- тия, подобно карбонату кальция, малорастворимы в воде, в то время как соли других щелочных метал- лов растворяются хорошо. Также литий значительно более чем калий и натрий устойчив на воздухе и по отношению к воде. По своей способности соеди- няться с другими металлами литий также ближе к магнию. Литий и кислород. С кислородом сухого воздуха при нормальной температуре литий не реагирует. При нагревании литий сгорает с образованием бе- лой окиси Li2O и лишь небольшого количества пере- киси Li2O2, что отличает его от других щелочных металлов. Рис. 1 Влияние температуры на механические свойства лития [16]: 1(Sк) – истинное сопротивление разрыву; 2(σв) – временное сопротивление разрыву; 3 (σ0,2) – предел текучести при растяжении; 4 (δ) - относительное удлинение; 5(ψ) - относительное сужение При соединении с водой окись лития образует гидраты, растворимость которых значительно мень- ше чем гидроокисей других щелочных металлов: Li2O + Н2O → 2LiOH. Растворимость окиси лития в воде 5,3 моль/л. Литий и водород. Как чрезвычайно активный ме- талл, литий разлагает воду при комнатной темпера- туре, хотя реагирует он значительно медленнее, чем натрий: 2Li + 2Н2O → 2LiOH + H2↑. При воздействии на литий сухого водорода в пределах температур от 500 до 800 °С он дает белый кристаллический гидрид LiH, образование которого происходит со вспышкой: 2Li + Н2 → 2LiH. Литий и азот. С азотом литий реагирует уже при комнатной температуре, а при красном калении реакция идет с воспламенением: 6Li + N2 → 2Li3N Азотистый литий легко разрушается водой с об- разованием аммиака: ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.184 – 194. 187 Li3N + 3Н2O → 3LiOH + NH3. Из-за способности лития соединятся с азотом воздуха его не применяют в виде металла. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.184 – 194. 188 Таблица 2 Физико-химические свойства щелочных металлов [1,3,4,6,8,13] Свойства Li Na K Rb Cs Fr 1 2 3 4 5 6 7 Порядковый номер 3 11 19 37 55 87 Относительная атомная масса 6,941 22,98977 39,0983 85,4678 132,9054 223,0197 Удельный вес при 293 К 0,534 0,971 0,862 1,532 1,903 - Атомный радиус, нм 0,157 0,189 0,236 0,243 0,262 2,8 Ионный радиус, нм 0,068 0,098 0,133 0,147 0,167 0,18 Атомный объем при 293 К, см3/г-атом 12,99 23,68 45,4 55,79 70,95 - Сечение захвата тепловых нейтронов, барн 67 0,49 1,97 0,73 29 - Электронная конфигурация [He]2s1 [Ne]3s1 [Ar]4s1 [Kr]5s1 [Xe]6s1 [Rn]6s1 Тип кристаллической решети и ее параметры, нм Кубич. объемо- центри- ро-ван- ная, а=0,3502 (293 К); гексаго- нальная плотно упакован- ная, а=0,3111, с=0,5093 (78К) Кубич. Объемо- центри- ро-ван- ная, а=0,4282 (293 К) Кубич. Объемо- центриро- ванная, а=0,5247 (293 К) Кубич. Объемо- центриро- ванная, а=0,57 (293 К) Кубич. Объемо- центриро- ванная, а=0,605 (293 К); способен менять структуру при очень высоких 189 т189ле- нии-ях Кубич. Объемо- центриро- ванная Электроотрицательность 0,95 1,01 0,76 0,73 0,68 0,7 Энергии последовательных ионизаций, Дж∙10-19 8,63 121,18 196,12 8,23 75,76 114,79 6,95 50,98 73,7 6,69 44,06 63,57 6,24 40,21 55,43 5,9 - - Нормальный потенциал, В -3,02 -2,71 -2,92 -2,92 -2,92 -3,09 Электропроводность (ртуть=1) (σ(ртуть)= 1,04∙10-2 Ом-1∙ м-1) 11 21 14 8 5 - Удельное электрическое со- противление, Ом∙м ∙10-4 8,12 (273 К) 4,288 (273 К) 6,992 (293 К) 11,25 (273 К) 18,3 (273 К) 45 (291 К) Температура плавления, К 453,69 371 336,68 311,8 301,75 291-294 Температура кипения, К 1600 1156 1033,16 976 960 913-933 Теплота плавления, кДж/моль 3 2,605 2,3 2,31 15,8172 2,1 Теплота испарения, кДж/моль 133,7 106,01 - 76,02 613,2 - Теплоемкость, кДж/моль∙К 23 (273 К) 28 (273 К) 29 (298 К) 28,7 (293 К) 31,05 (298 К) - Удельная теплоемкость при 273 К, Дж/кг∙К 3391 1205 741 335 218 141 Теплопроводность, 189т/м∙К 71,17 (293-393 К) 132,3 (293 К) 97,97 (293 К) 31,4 (323 К) 18,42 (301,5 К) - Упругость пара, Па 133,322 (1018 К) 13332,2 (1357) - - 133,322 (587К) 13332,2 (792 К) 133,322 (551К) 13332,2 (788 К) - Плотность, кг/м3 539 (273 К) 972,7 (293 К) 862 (293 К) 1534,8 (273 К) 1903,9 (273 К) 2100-2400 Твердость по Моосу 0,6 0,4 0,5 0,3 0,2 - Твердость по Бринеллю, Мпа 5 0,6867 0,4 0,022 0,015 - Расширение при плавлении, % 1,51 2,57 2,6 2,5 2,6 - Окончание табл.2 1 2 3 4 5 6 7 Термический коэффициент ли- нейного расширения от 293 до 393 К, α∙10 -6 58 71 84 90 97 - Коэффициент сжимаемости при 303 К, см2/кг ∙106 (р=506,6 МПа) 8,6 14,2 23,3 32,8 36,4 - Давление истечения, МПа 16,67131 3,726527 0,882599 0,784532 - - Модуль упругости, ГПа 4,9 - 3,5 - 1,7 - Вязкость динамическая, Н∙с/м2 4,548 (558,5 К) 3,87 (523 К) 2,58 (523К) 3,234 (493,1 К) 3,43 (484 К) - Поверхностное натяжение, Н/м∙10-3 - 152-192 (723- 370,83 К) 80-86 (726,89- 523 К) 77 (312,5 К) - - Магнитная восприимчивость при 293 К 2,04∙10-9 - 0,53∙10-9 0,2∙10-6 0,1∙10-6 - Цвет раскаленных паров и длинна волны основной спек- тральной линии, нм Ярко- красный, 670,8 Желтый, 589,3 Розово- фиолето- вый, 769,9- 766,5 От пур- пурно- красн. до оранж., 780 От сине- серого до фиолет.; 697,3 - Вес кислорода, соединяюще- гося с 1 г элемента, г 1,152 0,348 0,204 0,094 0,06 - Количество теплоты, выделя- ющейся при соединении с кис- лородом 1 г элемента, Дж 43249 9127 4647 1925 1297 - Литий и углерод. При взаимодействии лития с углем в вакууме при температуре красного каления происходит образование карбида: 2Li + 2С → Li2C2. Карбид лития взаимодействует с водой со взры- вом. Другие свойства. Литий реагирует со всеми гало- генами. Для него характерна способность образовы- вать различные металлоорганические соединения. Также он реагирует со спиртами с образованием ал- коголятов, реакция идет слабее, чем с водой. При высокой температуре литий горит в углекислом га- зе. Он активно реагирует с кислотами [1,8-11,13]. 3.2. НАТРИЙ Природный натрий состоит из одного изотопа 23- Na. Известно 6 искусственных радиоактивных изо- топов, из них наиболее важны 22Na (Т1/2=2,58 г) и 24Na (Т1/2=14,97 ч); последний изотоп образуется при облучении природного натрия нейтронами и широко применяется в медицине и биологии для исследова- ний, а также для лечения лейкемии. Натрий – металл с серебристым глянцем. Явля- ясь еще мягче, чем литий, он может обрабатываться прессованием и прокаткой в холодном состоянии и хорошо сохраняет свою пластичность при охлажде- нии до температуры жидкого водорода. Он легко ре- жется ножом, протягивается через фильтреры, об- ладает приблизительно твердостью белого фосфора. При сильном охлаждении становится хрупким. В табл.3 показано влияние температуры на механиче- ские свойства натрия чистотой 99,8% (ψ=100%). На- трий очень легкий и всплывает в воде. Будучи тяже- лее керосина и бензина, он погружается в них и мо- жет в этом состоянии храниться. При переходе через точку плавления теплопроводность натрия резко снижается, а при дальнейшем повышении темпера- туры медленно возрастает. Чрезвычайно активный по отношению к кисло- роду, водороду, сере и фосфору натрий инертен в отношении азота. Таблица 3 Механические свойства натрия [16] t, К 1 4 50 77 150 210 250 290 σв, МПа 29 27 9,8 8,8 7,8 6,8 6,8 5,9 σ0,2, МПа 14 16 15 4,9 3,9 2,9 1,96 1,96 δ,% 135 130 80 70 100 120 145 165 Примечание. Обозначение величин такие же, как и для ли- тия. Натрий и кислород. При соприкосновении с воз- духом на свежем срезе через несколько минут обра- зуется углекислая соль натрия NaHCO3. Однако в отличие от калия, рубидия и цезия, натрий можно нагреть до температуры его плавления. При сгорании в сухом воздухе или в кислороде натрий, как типичный щелочной металл, дает пере- кись натрия Na2O2 и небольшое количество окиси Na2O. Натрий и водород. Натрий разлагает воду и лед, реакция начинается при температуре от -98°С: 2Na + 2H2O →2NaOH+ H2↑. Образующаяся гидроокись натрия (едкий натр) хорошо растворяется в воде, ее растворимость 26,4 моль/л. В интервале 200…400 °С один объем жидкого натрия растворяет 126 объемов водорода: 2Na + H2→ 2NaH. Гидрид натрия образуется при температуре 350 °С и разлагается на составные части при темпе- ратуре выше 400 °С, он реагирует с водой, спирта- ми, аммиаком. Натрий и азот. Непосредственно с азотом на- трий не соединяется. Образование нитридов воз- можно только косвенным путем при помощи силь- ных электрических разрядов в атмосфере азота. Натрий и углерод. С углеродом натрий также не соединяется. Образование карбида натрия Na2C2 происходит при взаимодействии металлического на- трия с ацетиленом с последующим разложением ацетиленового металла в вакууме. Другие свойства. Из галогенов натрий энергично реагирует только с хлором и фтором, с бромом толь- ко при температуре 200 °С, а с йодом не реагирует даже при совместном плавлении в запаянной труб- ке. После предварительного подогрева натрий способен восстанавливать окислы, галоидные и сер- нистые соединения металлов, а при температуре красного каления реагирует с СО и СО2 выделяя уг- лерод и образуя соду Na2CО3. Со всеми известными кислотами натрий образует соли, многие из которых содержат кристаллизационную воду. Со спиртами натрий реагирует аналогично литию, но реакция идет более интенсивно с образованием алкоголятов натрия и водорода [1,3,4,8,13]. 3.3. КАЛИЙ Природный калий состоит из трех изотопов: 39К (93,22%), 40К (0,0118%) и 41К (6,77%). Слаборадиоак- тивный изотоп 40К (Т1/2=1,32·109лет) распадается двумя способами: 88% атомов образуют в результа- те β - - распада 40Са; 12% - путем К-захвата превра- щаются в 40Аr. Радиоактивный 40К наряду с 238U и 232Th вносит большой вклад в геотермический запас Земли (внутренняя теплота земных недр). Из искус- ственных радиоактивных изотопов наиболее важен 42К (Т1/2=12,52 г). Калий – типичный щелочной металл. По внешне- му виду и свойствам он очень схож с натрием, но обладает еще большей активностью. Калий еще мяг- че чем натрий, также способен всплывать на воде. Также калий допускает обработку давлением, про- катку в холодном состоянии, так как обладает высо- кой пластичностью, которую сохраняет даже при низких температурах. Некоторые механические свойства калия чистотой 99,999% (ψ=100%) при низких температурах приведены в табл.4. Теплопро- водность калия ведет себя так же как и натрия. Таблица 4 Механические свойства калия [16] t, К 4 20 80 σ в, МПа 5 4,12 1,86 δ,% 13 19 15 По своей химической активности калий превос- ходит натрий, но уступает рубидию и цезию. В от- ношении азота и углерода он ведет себя так же как и натрий. Калий и кислород. На воздухе поверхность калия через несколько минут покрывается углекислой со- лью калия КНСО3, в результате окисления и погло- щения СО2 из воздуха. При нагревании калий заго- рается с образованием надпероксида КО2 и незначи- тельного количества перекиси К2О2 и окиси К2О. Калий и водород. При контакте с водой образует- ся бурная реакция с воспламенением выделяющего- ся водорода и возможным выбрасыванием кусочков калия. Разложение воды и льда происходит при тем- пературе – 150 °С и выше: 2К + 2Н2О → 2KОН + Н2↑. В интервале 300…421 °С один объем жидкого калия растворяет 237 объемов водорода: 2Na + H2→ 2NaH. Другие свойства. Калий загорается в хлоре, фто- ре и парах брома, энергично реагирует при нагрева- нии с серой, селеном и теллуром. Окиси, сернистые и галоидные соединения тяжелых металлов восста- навливаются калием до металла. Нагретые пары ка- лия разъедают стекло, восстанавливая силикат до свободного кремния. Со спиртами калий образует алкоголяты. Калий с разбавленными растворами всех кислот на воздухе реагирует со взрывом [1,3,4,8,13]. 3.4. РУБИДИЙ И ЦЕЗИЙ Для рубидия характерна естественная радиоак- тивность. Он состоит из двух изотопов: стабильного 85Rb (72,165%) и β - - радиоактивного 87Rb (27,835%, Т1/2=4,88∙1010лет). Важнейший искусственный радио- активный (β-) изотоп 86Rb (Т1/2=18,66 дня). У цезия существует единственный природный изотоп 133Сs и получено 22 радиоактивных. 137Сs яв- ляется одним из продуктов деления урана, он испус- кает β-лучи, Т1/2=27 лет. Наряду со стронцием-90 (90Sr) он образует самые вредные радиоактивные от- ходы при использовании атомной энергии. Рубидий и цезий наиболее мягкие металлы из всех щелочных металлов. Рубидий обладает сере- бристо-белой окраской, цезию свойственен желтова- то-золотистый оттенок. Цезий настолько легкопла- вок, что в летнее время находится в жидком состоя- нии. Из всех стабильных простых веществ он имеет наибольший атомный объем. По своей химической активности рубидий и це- зий превосходит все ранее рассмотренные металлы. Так же, как и предшествующие два элемента, руби- дий и цезий способны образовывать соединения с азотом и углеродом только косвенным путем. Рубидий и кислород. На воздухе мгновенно по- крывается серо-голубой пленкой смеси окислов Rb2O, Rb2O2, Rb2O4. Также способен образовывать трехокиси Rb2O2 и озониды Rb2O2. Большие куски металла самовоспламеняются на воздухе за несколь- ко секунд. Металл, имеющий поверхность свобод- ную от окислов, воспламеняется в сухом кислороде. Рубидий и водород. С водой происходит взрыво- подобная реакция, металл самовоспламеняется. Ру- бидий разлагает лед при температуре -108 °С. Обра- зующаяся гидроокись рубидия RbОН – очень силь- ное основание. Гидриды рубидия RbН еще менее устойчивы, чем аналогичные соединения калия и натрия, они разлагаются в вакууме при 300 °С. Образуются при взаимодействии водорода и рубидия при температу- ре 350 °С. Другие свойства. С хлором и фтором рубидий реагирует с воспламенением, а с жидким бромом – со взрывом, образуя соответствующие галоидные соединения. Многие из них совершенно не раство- римы и используются для извлечения рубидия из смеси с другими щелочными металлами. Галогени- ды рубидия способны образовывать комплексы с га- логенидами таких металлов, как: сурьма, висмут, ка- дмий, кобальт, медь, железо, марганец, никель, то- рий и др. При нагревании до 300 °С рубидий вытес- няет элементарный кремний из стекла, вследствие чего стекло быстро разрушается. Соединения руби- дия во многом схожи со свойствами соединений ка- лия. Все свойства соединений цезия максимально схожи с соединениями рубидия. В химическом от- ношении он является наиболее активным металлом. При хранении на воздухе окисление, даже при нормальной температуре, идет настолько быстро, что результатом реакции является расплавление и воспламенение металла. Цезий, имеющий чистую поверхность, воспламеняется в абсолютно сухом кислороде и способен образовывать большое коли- чество разнообразных окислов. Цезий энергично разлагает воду и лед при температуре -116 °С. Гид- роокись цезия является сильнейшим основанием из всех известных. Так же, как и рубидий, цезий, энер- гично реагирует с галогенами, образуя соответству- ющие галоидные соединения. Цезий подобно литию образует самые разнообразные алкил- и арильные соединения [1,3,4,8,11,13,14]. 3.6. ФРАНЦИЙ В настоящее время известен 21 изотоп франция с массовыми числами от 204 до 224. У многих из них период полураспада составляет несколько секунд, самыми долгоживущими являются Fr212 (Т1/2=23 мин) и Fr223 (Т1/2=21,8 мин). Изотоп 223Fr рас- падается на 223Ra и β-частицы, Сведения о франции основаны на исследовании ничтожного его количества, а также на основе экс- траполяционных расчетов. Основные его физиче- ские свойства приведены в табл. 2. Он обладает большинством свойств, характер- ных для других щелочных металлов, и отличается высокой электронодонорной активностью. Во всех соединениях проявляет валентность 1, образует растворимые соли и гидроксид. Его соединения ма- лоизвестны [1,7,15]. 4. ПРИМЕНЕНИЕ 4.1. ЛИТИЙ В настоящее время ценные и в большинстве сво- ем уникальные свойства лития и его соединений, наряду с разнообразием областей их применения, делают литий по значимости в современной технике одним из важнейших среди редких элементов. Одной из наиболее широких областей примене- ния лития является производство сплавов, так как он обладает способностью легко сплавляться со многи- ми металлами с образованием интерметаллических соединений, отличающихся большим разнообразием свойств. Так, например, при добавлении к техниче- скому алюминию всего только 0,77% лития значи- тельно повышается его коррозионная стойкость и механическая прочность. Наибольший интерес представляют собой спла- вы лития с кальцием, применяемые для раскисления никеля, меди и их сплавов. В свинцовые баббиты литий добавляют в количестве 0,04%. Он повышает их твердость при нормальной и повышенной темпе- ратурах и сопротивление деформировании, а также понижает коэффициент трения, благодаря чему устраняется «задирание» подшипников. Металлический литий предложено использовать также для создания его парами инертной газовой ат- мосферы в отжиговых и других печах для предохра- нения изделий в печи от окисления и обезуглерожи- вания. Растворы лития (LiOH) применяются для залив- ки щелочных аккумуляторов, увеличивая их ем- кость, срок службы и повышая температурный диапазон действия. Различные соединения лития применяют в кера- мике для получения эмалей и глазурей; при изготов- лении стекол, пропускающих ультрафиолетовые лучи; как твердый источник для получения газооб- разного водорода в условиях, исключающих пользо- вание баллонным водородом; как фиксатор азота. Важное значение имеют также соли лития, применя- емые как компонент при сварке, в пиротехнике, в фотографии и медицине, при кондиционирования воздуха и др. Монокристаллы различных соединений лития и других щелочных металлов используются для полу- чения сцинтилляторов, применяемых для регистра- ции и спектрометрии частиц. Особо следует отметить большую роль, которую играет литий в современном органическом синтезе, применяющем литий, главным образом, в виде двойного гидрида LiAlH4, для реакций восстановле- ния. Следует отметить довольно многообразные обла- сти применения лития в военном деле. Безводная гидроокись лития применялась во флоте некоторых стран для очистки воздуха от углекислоты в подвод- ных лодках. Гидрид лития применялся воздушным флотом для наполнения шаров, поднимающих ра- диоантенны самолетов, потерпевших крушение. Литий можно использовать в качестве «топлива» для реактивных двигателей. Ядро лития легко рас- щепляется с выделением большого количества теп- ла. Важнейшая область применения лития – ядерная энергетика. Большое применение получили изотопы лития, резко различающиеся по сечению поглоще- ния тепловых нейтронов. Значение σ (в барнах): 6Li - 910, 7Li - 0.033. Расплавленный 7Li применяется в качестве жид- кометаллического теплоносителя в ядерных энерге- тических установках. Такие теплоносители могут использоваться в паросиловых установках, а также для интенсификации тепловых процессов различных тепловых установок. Изотоп 6Li – единственный промышленный ис- точник производства трития для термоядерных ре- акций. В термоядерном оружии – водородной бомбе – термоядерное взрывчатое вещество находится в виде дейтерида лития-6 (6LiD). Осуществление и управление термоядерными ре- акциями задача сложная и связана со многими науч- ными и техническими проблемами. Однако работы в этом направлении чрезвычайно перспективны, так как. управляемый термоядерный синтез открывает доступ к поистине неисчерпаемой кладовой ядерной энергии, заключенной в легких элементах, что яв- ляется особенно важным на фоне истощения тради- ционных запасов энергоресурсов [2,11,13,17-20]. 4.2. НАТРИЙ С древних времен натрий применялся в виде соды в качестве моющих средств. Применение его в наше время огромно. В металлургии металлический натрий, смеси его хлористой и фтористой солей используют в качестве модификаторов алюминиевых сплавов типа силуми- на, свойства которых при этом значительно улучша- ются. Натрий входит в состав сплавов на свинцовой основе (баббиты). В больших количествах готовятся сплавы натрия с ртутью (амальгамы), употребляе- мые для извлечения золота. Натрий применяют как добавку в органических синтезах, например в красильном производстве; в качестве осушителя эфира и других безгалогенных соединений; в лабораториях натрий используют в качестве восстановителя; в осветительной технике в качестве наполнителя натриевых газоразрядных ламп. Его используют в качестве исходного продук- та при производстве перекиси натрия (моющее сред- ство), амида натрия и натрийцианамида; для получе- ния пищевой соли и т.д. Соединения натрия применяют для защиты дре- весины, дезинфекции, фторирования питьевой воды; как консервирующий рассол, средство для отсолки при производстве мыла и органических красителей, компонент глазурей в керамической промышленно- сти и предохранительных взрывчатых смесей, при- садка при травлении алюминия; для диазотирова- ния, в охлаждающих смесях. Важное место занима- ют натриевые удобрения. Гидроксид натрия NaОН – важнейшее сырье в химической промышленности, применяется в производстве целлюлозы, искус- ственных волокон, моющих средств, смачивателей и эмульгаторов, красителей, фенолов из минеральных масел и др. Он входит в состав электролитов, пред- назначенных для воронения, обезжиривания, трав- ления алюминия. Крайне важное значение еще с древности имеет бикарбид натрия NaНСО3 (питьевая сода), используемый в медицине для нейтрализации желудочной кислоты; пищевой промышленности как заменитель дрожжей. Карбонат натрия Na2СО3 (каустическая сода) – сырье для производства мыла стекла, эмалей, ультрамарина и т.д. Жидкий натрий и его сплавы с калием применя- ют в качестве теплоносителей в ядерных реакторах. Весьма удобным теплоносителем его делают такие свойства, как: достаточно малое сечения захвата тепловых нейтронов; высокая температура кипения; высокий коэффициент теплопроводности; инерт- ность при высоких температурах по отношению к металлам, применяемым в энергетических реакто- рах и др. В качестве теплоносителя натрий может исполь- зоваться в реакторах на быстрых нейтронах. Значи- тельная по сравнению с водным и газовым теплоно- сителем плотность жидкого металла позволяет, перекачивая относительно малый объем, обеспечи- вать высокий коэффициент теплоотдачи от поверх- ности оболочки твела к теплоносителю. Температу- ру жидкометаллического натрия можно повысить на выходе из реактора до 550 °С (реактор БН-600) и, следовательно, получить пар высоких параметров, а также довести КПД блока до 41% и использовать се- рийное паротурбинное оборудование. Из-за низкой температуры кипения натрия воз- можна его реакция с водой водопарового (третьего) контура. По этой причине между ними включен промежуточный (второй) контур, заполненный не- радиоактивным жидким натрием. Так что такие АЭС имеют три контура (рис.2). В промежуточном контуре поддерживается большее давление по срав- нению с первым для обеспечения отсутствия радио- активности в промежуточном контуре. Так исключа- ется контакт воды с радиоактивным натрием при по- явлении протечек между контурами. Стоимость металлического натрия на Россий- ском рынке составляет около 95 у.е. за г [2, 12, 19, 21, 22]. 4.3. КАЛИЙ Из-за высокой химической активности и высокой стоимости применение металлического калия значи- тельно меньше, чем натрия. Жидкие (при комнат- ной температуре) сплавы калия и натрия, содержа- щие 40…90% калия, могут применяться в атомной энергетике как теплоносители на АЭС. Основное преимущество калия перед натрием как теплоноси- теля в ядерной энергетике заключается в его более низкой температуре плавления, другие свойства ка- лия менее благоприятны. Перспективно применение сплавов калия и на- трия в производстве титана (для восстановления ме- таллического Ti из TiCl4). Как составная часть калий входит в некоторые антифрикционные сплавы на свинцовой основе. Тонкая калиевая фольга толщиной 8∙10-4см применя- ется для измерения поглощения рентгеновских лу- чей. Из металлического калия получают смесь пе- роксида и надпероксида, используемую при регене- рации воздуха. Очень широкое применение соединения калия находят в виде удобрений, служащие источником калия для растений. Около 90% добываемых калий- ных солей используются как удобрения. Соли калия применяют также для получения галогенидов сере- бра, в качестве замедлителя и антивуалирующего средства в фотографических проявителях, в медици- не как успокоительное средство, для консервации древесины. Гидроксид калия КОН применяют главным об- разом в производстве мыла; его используют как электролит в никель-кадмиевом аккумуляторе; как прижигающее средство в хирургии. Вследствие сво- ей гигроскопичности едкое кали служит в качестве осушающего средства, поглощающего двуокись уг- лерода, а также для щелочного плавления. Нитрат калия KNO3 – составная часть «черного пороха» (75% нитрата калия, 15% древесного угля, 10% серы), который используют в качестве мягкого взрывчатого вещества для дробления на куски зале- жей рыхлых минералов (соли, сланцы). Также его используют в производстве стекла и керамики; в удобрениях; как составная часть охлаждающих сме- сей. Карбонат калия (поташ) К2СО3 – продукт для получения стекол и мыл, фотографических прояви- телей. Используется, как разрыхлитель теста; горя- чий раствор служит средством для удаления СО2 из технических газов [2,8,5,13,19]. Рис. 2. Принципиальная схема АЭС с жидкометал- лическим реактором на быстрых нейтронах [21]: 1 - корпус (контеймент); 2 – стержни СУЗ; 3 - кор- пус реактора; 4 – тепловыделяющие сборки с ядер- ным топливом (активная зона); 5 – промежуточ- ный теплообменник натрий-натрий; 6 – главный циркуляционный насос первого контура; 7 - главный циркуляционный насос второго контура; 8 – пароге- нератор; 9 – питательный насос; 10 – конденса- тор; 11 – турбина; 12 – генератор; 13 – циркуляци- онный насос; 14 – трубопровод внешнего охлажде- ния 4.4. РУБИДИЙ И ЦЕЗИЙ Сравнительно высокая стоимость и редкость ру- бидиевых и цезиевых соединений, с одной стороны, и активность этих металлов по отношению к состав- ным частям атмосферы с другой, – существенно ограничивают их применение. Однако одним из за- мечательных свойств этих металлов является их вы- сокий фотоэлектрический эффект. На этом явлении основано построение фотоэлементов. В связи с низ- ким значением ионизационных потенциалов атомы этих элементов под влиянием даже слабых источ- ников света легко теряют свои внешние электроны. Применение фотоэлементов в современной технике чрезвычайно широко и разнообразно. В фотоэлемен- тах цезий используется в основном в виде кислород- но-серебряно-цезиевых (Ag/Ag2O/Cs) и сурьмяно- цезиевых сплавов (Cs2O/Sb-Cs). Сплавы цезия с калием, барием, стронцием, ис- пользуются как газопоглотители (геттеры) для со- здания высокого вакуума, например в радиолампах. Рубидий используется при производстве вакуум- ных трубок, лазеров, магнитометров, топливных элементов. Соли рубидия применяются иногда в медицине, а соли цезия, реже рубидия – в аналитической химии, в частности в микрохимическом анализе, использу- ющем прекрасно выраженную способность цезие- вых солей к кристаллизации. Также рубидий приме- няется в фармацевтике. Важная область расширяющегося применения цезия – оптика (инфракрасная спектроскопия, опти- ческие приспособления для приборов ночного виде- ния, люминесцентные трубки и материалы). Также его оксиды используется для производства стекла. Цезий применяют для производства гидридов и бо- рогидридрв, аккумулирующих водород и являющих- ся топливом с высокой теплотворной способностью, а также дейтеридов, для разделения изотопов водо- рода. Интересны возможности получения металли- ческого плутония электролизом Cs2PuCl6 в расплаве CsCl без опасности облучения нейтронами. Применяют соединения цезия для регистрации излучений в атомной технике. Так его используют для изготовления сцинтилляторов для детектирова- ния α-частиц на γ-фоне с монокристаллами йодида цезия, активированного таллием. Раздельная реги- страция основана на различной длительности сцин- тилляций в кристалле CsI(Tl), создаваемых α-части- цами и электронами. Нуклид цезия-137 заменяет кобальт-60 в меди- цинских источниках γ-излучения и в промышленной радиографии для дефектоскопии металлов. Преиму- щество 137Cs по сравнению с 60Co заключается в меньшем весе требующейся защиты от γ-излучения. Все шире цезий используют в разработке преоб- разователей тепловой энергии в электрическую (ТЭПы). 137Cs используются в производстве высоко- вольтных маломощных источников тока (атомных батарей). Интересной является возможность использова- ния «цезиевой плазмы» как рабочее тело в межпла- нетных ракетных (реактивных) двигателях в связи с наименьшим потенциалом его атомов, низкой тем- пературой кипения и большим атомным весом. Стоимость металлического рубидия на Россий- ском рынке составляет около 35 у.е. за грамм, цир- кония – 30 у.е. за грамм [1,11,13]. 4.5. ФРАНЦИЙ Несмотря на малую продолжительность жизни, франций нашел практическое применение для опре- деления актиния в природных объектах. Раньше эта процедура осуществлялась путем измерения актив- ности всех продуктов распада 227Ас после установле- ния равновесия через три месяца. Перей разработала очень быстрый метод определения актиния по до- чернему францию. Франций отделяют от актиния через 3 ч после выделения последнего из природных продуктов и измеряют β--активность 223Fr. Этот ме- тод позволяет определить актиний с достаточной точностью в присутствии других радиоактивных элементов. 223Fr широко используется в биологических ис- следованиях. Он избирательно накапливается в опу- холях на ранних стадиях заболевания, и сразу после начала заболевания проявляется повышение его ак- тивности в пораженной ткани. Такой способ диагно- стики раковых заболеваний без всякого вреда для организма вследствие очень короткого времени жиз- ни 223Fr или 212Fr является весьма перспективным [1,7,8,15]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Из всего вышесказанного очевидно, что щелоч- ные металлы широко применяются в развитии но- вых отраслей науки и техники. При этом необходи- мо учитывать, что часть этих металлов остается в геохимическом смысле редкими элементами. Отсю- да вытекает задача – обстоятельного изучения их свойств, особенно в областях МГД - генераторов, аккумуляторов водорода, атомной и термоядерной энергетики, оптики, электроники с целью более ши- рокого их использования в науке и новых техноло- гиях. ЛИТЕРАТУРА 1. Б.А. Введенский, С.В. Вонсовский, Б.М. Вул. Физический энциклопедический словарь. М.: «Советская энциклопедия», 1962. 2. Атомная наука и техника в СССР. М.: «Атомиздат», 1977, 360 с. 3. Г. Реми. Курс неорганической химии. Т. 1 / Пер. с нем. / Под ред. А.В. Новоселовой. М., 1963, 920 с. 4. Химия: Справочное руководство / Пер. с нем. Л.: «Химия», 1975, 576 с. 5. В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др. Химия: Справ. изд. М.: «Химия», 1989. 6. И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некряч. Краткий справочник по хи- мии. Киев: «Наукова думка», 1987, 831 с. 7. А.К. Лаврухина, А.А. Поздняков. Аналити- ческая химия технеция, прометия, аста- тина и франция. М.: «Наука», 1966, 307 с. 8. Физика твердого тела: Энциклопедиче- ский словарь. В двух томах. Киев, 1996. 9. Ф.И. Шамрай. Литий и его сплавы. М.: Академия наук СССР, 1952, 284 с. 10. Литий: Сборник переводов / Под ред О.С.Сергеевой. М.: Изд. иностр. лит., 1954, 106 с. 11. О.А. Сонгина. Редкие металлы. М.: «Ме- таллургиздат», 1955, 384 с. 12. Г.Г. Девятых, Ю.А. Карпов, Л.И. Осипова. Выставка-коллекция веществ особой чи- стоты. М.: «Наука», 2003, 236 с. 13. М.П. Славинский. Физико-химические свойства элементов. М.: «Металлургиздат», 1952, 763 с. 14. Цезий:. Сборник статей / Под ред. В.Е. Плющева. М.: Изд. иностр. лит., 1963, 232 с. 15. Популярная библиотека химических эле- ментов. М.: «Наука», 1983. 16. А.В. Бобылев. Механические и технологи- ческие свойства металлов: Справочник. М: «Металлургия», 1980, 296 с. 17. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов / Под ред. Л.Д. Никулиной. М.: «Энергоатомиз- дат», 1989. 18. Функциональные материалы для науки и техники: Сборник статей / Под ред. В.П.Семиноженко. Харьков: «Институт мо- нокристаллов», 2001, 624 с. 19. В.М. Боришанский, С.С. Кутателадзе, И.И. Новиков. О.С. Федынский. Жидкоме- таллические теплоносители. М.: «Атомиз- дат», 1967, 299 с. 20. Е.Д. Волков, В.И. Лапшин, В.Г. Маринин, И.М. Неклюдов О возможности организа- ции в Украине научно-технических и тех- нологических исследований в обеспечение разработки экспериментальной установки для реализации реакции термоядерного синтеза // Труды XIV Международной кон- ференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. Харьков, ННЦ ХФТИ, 2000, 382 с. 21. В.А. Красноселов, А.Ф. Грачев. Введение в атомную энергетику. Ульяновск, 2004. 22. А.С. Копылов, Е.И. Верховский. Спецводо- очистка на атомных электростанциях. М.: «Высшая школа», 1988, 208 с. ЛУЖНІ МЕТАЛИ – ОТРИМАННЯ, ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ В.М. Ажана, І.Л. Гнедая Надано інформацію про поширеність лужних металів та засоби їх отримання. Проведено аналіз фізико- хімічних властивостей лужних елементів, а також галузей їх застосування в сучасній науці та техніці. ALKALI ELEMENTS – RECEIPT, PROPERTIES, APPLICATION V.M. Ahzahza, I.L. Gnedaya In the article the informational of alkali elements natural occurrence and techniques of obtaining is cited. It is made analysis of alkali elements physical and chemical properties. The application in contemporary science and technology are consideration.

Щелочные металлы – получение, свойства, применение

Institution

Ähnliche Einträge