Общая характеристика щелочных металлов

Общая характеристика щелочных металлов

К щелочным металлам относятся литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. В периодической системе они расположены в главной подгруппе I группы. Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнем электронном слое, который при химических реакциях легко теряют, проявляя степень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильными восстановителями. Радиусы их атомов возрастают от лития к францию. Электрон внешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силы притяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдаче этого электрона, т. е. химическая активность. В электрохимическом ряду напряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода.

Это типичные металлы, в твердом состоянии хорошо проводят электрический ток. Они легкоплавки, быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят без доступа воздуха и влаги, чаще всего под керосином. Щелочные металлы образуют соединения с преимущественно ионной связью.

Оксиды щелочных металлов – твердые гигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуются гидроксиды – твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочных металлов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.

Свойства натрия и калия

Металлические калий (лат. kalium) и натрий (лат. natrium) – мягкие, легкие серебристо-белые металлы, легче воды, плавятся при низкой температуре, являются весьма распространенными элементами. В земной коре содержится 2,5% натрия и 2,2% калия (по массе). В природе встречаются только в связанном состоянии. Химические свойства натрия и калия очень схожи, активность калия выше, так как радиус атома калия больше и единственный внешний s-электрон калия находится дальше от ядра.

С кислородом натрий и калий реагируют очень бурно, при этом в зависимости от условий образуются оксиды Na2O, K2O или пероксиды Na2O2, K2O2. Калий образует еще и надпероксид KO2.

С водородом натрий и калий при нагревании образуют солеобразные гидриды:

2Na + H2 = 2NaH

Легко взаимодействуют с серой, образуя сульфиды:

2Na + S = Na2S

Со ртутью калий и натрий образуют амальгамы – твердые сплавы, используемые в лабораторной практике как восстановители вместо чистых металлов.

При обычной температуре натрий соединяется с фтором и хлором (калий в тех же условиях взрывается):

2Na + Cl2 = 2NaCl

С водой идет бурная реакция, причем выделяющийся водород воспламеняется:

2К + 2H2O = 2KOH + H2

В результате реакции образуются сильные основания – гидроксид натрия или гидроксид калия. Основные свойства у гидроксида натрия выражены сильнее, чем у гидроксида кальция. В промышленности гидроксиды натрия и калия получают электролизом растворов хлоридов.

При взаимодействии щелочей с кислотами происходит реакция нейтрализации, образуются соль и вода:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Металлический натрий применяется в металлургии, химической промышленности, как катализатор. Гидроксиды натрия и калия используется для производства мыла, бумаги, в текстильной промышленности и в других производствах. Соли калия используются как удобрения.

Металлические натрий и калий получают электролизом расплавов их гидроксидов или солей (чаще всего NaCl и KCl). Объем производства невелик.

Гидроксиды натрия и калия получают электролизом растворов их солей, обычно NaCl и KCl. В лабораторной практике гидроксид натрия можно получают по реакции:

Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3

Биологическое значение ионов натрия и калия

Ионы натрия и калия распределены по всему организму человека. Ионы натрия входят преимущественно в состав межклеточных жидкостей, а ионы калия находятся главным образом внутри клеток. Подсчитано, что в человеческом организме содержится 250 г калия и 70 г натрия (на 70 кг веса). От концентрации обоих ионов зависит чувствительность нервов и сократительная способность мышц. Шок при тяжелых ожогах обусловлен потерей ионов калия из клеток. Введение ионов калия способствует расслаблению сердечной мышцы между сокращениями сердца. Хлорид натрия служит источником для образования соляной кислоты в желудке. Гидрокарбонат натрия – буферная соль – поддерживает кислотно-щелочное равновесие в жидких средах организма и служит переносчиком углерода. Лечение некоторых психических заболеваний основано на замене ионов калия и натрия на ионы лития.

Транспортная функция ионов натрия и калия

Необходимость активного транспорта возникает тогда, когда требуется обеспечить перенос через мембрану молекул против электрохимического градиента. Этот транспорт осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Источником энергии служат молекулы АТФ.

Рис. 282. Натрий-калиевый насос: 1 — присоединение ионов натрия; 2 — фосфорилирование транспортного белка; 3 — высвобождение ионов натрия; 4 — присоединение ионов калия; 5 — дефосфорилирование транспортного белка; 6 — высвобождение ионов калия.

Одной из наиболее изученных систем активного транспорта является натрий-калиевый насос. Концентрация K внутри клетки значительно выше, чем за ее пределами, а Na — наоборот. Поэтому К через водяные поры мембраны пассивно диффундирует из клетки, а Na — в клетку. Вместе с тем, для нормального функционирования клетке важно поддерживать определенное соотношение ионов К и Na в цитоплазме и во внешней среде. Это оказывается возможным потому, что мембрана, благодаря наличию (Na + K)-насоса, активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. На работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки.

Насос представляет собой особый трансмембранный белок мембраны, способный к конформационным изменениям, благодаря чему он может присоединять к себе как ионы К, так и ионы Na. Цикл работы (Na + K)-насоса складывается из нескольких фаз (рис. 282):

©  с внутренней стороны мембраны к белку-насосу поступают ионы Na и молекула АТФ, а с наружной — ионы K;

©  ионы Na соединяются с молекулой белка, и белок приобретает АТФ-азную активность, то есть приобретает способность вызывать гидролиз АТФ, сопровождающийся освобождением энергии, приводящей в движение насос;

©  освободившийся при гидролизе АТФ фосфат присоединяется к белку, то есть происходит фосфорилирование белка;

©  фосфорилирование вызывает конформационные изменения белка, он оказывается неспособным удерживать ионы Na — они высвобождаются и выходят за пределы клетки;

©  новая конформация белка такова, что оказывается возможным присоединение к нему ионов K;

©  присоединение ионов K вызывает дефосфорилирование белка, в результате чего он вновь изменяет свою конформацию;

©  изменение конформации белка приводит к высвобождению ионов K внутри клетки;

©  теперь белок вновь готов присоединить к себе ионы Na.

За один цикл работы насос выкачивает из клетки 3 иона Na и закачивает 2 иона К. Такая разница в количестве переносимых ионов связана с тем, что проницаемость мембраны для ионов К выше, чем для ионов Na. Соответственно K быстрее пассивно диффундирует из клетки, чем Na в клетку.

Использование солей натрия и калия в медицине

Хлорид натрия (поваренная соль) NaCl. Раствор хлорида натрия с массовой долей 0,85 – 0,9 % - физиологический раствор - применяется для внутривенный вливаний при больших кровопотерях. Кроме того, хлорид натрия употребляется для ингаляций и клизм, для ванн и душей, а также для лечения катаральных состояний некоторых слизистых оболочек.

Сульфат натрия(глауберова соль) Na2SO4.10H2O – бесцветные прозрачные кристаллы горьковато-соленого вкуса. В медицине эта соль применяется как слабительное средство и как противоядие при отравлении солями бария и свинца, с которыми дает нерастворимые осадки сульфата бария и сульфата свинца.

Гидрокарбонат натрия( питьевая сода) NaHCO3 – белый кристаллический порошок. Применяется в порошках, таблетках и растворах при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, изжоге, подагре, диабете, катарах верхних дыхательных путей. Наружно употребляется как слабая щелочь при ожогах, для полосканий, промываний и ингаляций при насморке, конъюктивитах, стоматитах, ларингитах и т. д.

Ацетат калия СН3СООК – кристаллический порошок белого цвета, легко расплывается на воздухе, является мочегонным средством, хорошо действует при сердечных и почечных отеках.