§ 20. Металлы главных подгрупп

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы: литий, натрий, калий и другие. На внешнем уровне у их атомов один электрон, поэтому в реакциях они обычно легко его отдают и образуют ионы с зарядом +1. Это понятие помогает объяснить их высокую активность и сходство свойств внутри группы.

Щелочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы, например магний и кальций. Название связано с тем, что их оксиды исторически называли «землями», а растворимые гидроксиды дают щелочную среду. В отличие от щелочных металлов, их атомы имеют два внешних электрона и обычно образуют ионы со степенью окисления +2.

Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и кислот, и оснований. Например, гидроксид алюминия Al(OH)₃ реагирует с кислотами, как основание, а со щёлочами — как кислота. Понятие позволяет предсказать, что свойства соединения не всегда сводятся только к основным или только к кислотным.

Пассивирование — снижение реакционной способности металла из-за образования на поверхности защитной плёнки. Так, алюминий покрывается плотным слоем оксида, который ограничивает доступ кислорода и воды к металлу. Поэтому пассивирование важно учитывать, когда объясняют скорость реакции и устойчивость изделия.

Как это устроено

Положение элемента в главной подгруппе связано с числом электронов на внешнем энергетическом уровне: у натрия один, у магния два, у алюминия три. При химическом взаимодействии атомы металлов обычно отдают эти электроны, потому что после этого их электронная оболочка становится устойчивее. Поэтому натрий чаще имеет степень окисления +1, а магний — +2; число внешних электронов и степень окисления связаны, но не являются одним и тем же понятием.

Вниз по группе щелочных металлов добавляются электронные слои, и радиус атома увеличивается. Внешний электрон оказывается дальше от положительно заряженного ядра и сильнее экранируется внутренними электронами, поэтому удерживается слабее. Его легче отдать другому участнику реакции — этим объясняется общий рост химической активности от лития к цезию.

У щелочноземельных металлов два внешних электрона, и для образования иона им нужно отдать оба. Такое превращение обычно требует больше энергии, чем отдача одного электрона атомом щелочного металла, поэтому взаимодействие с водой часто идёт менее бурно. Интенсивность зависит от конкретного металла и условий: магний с холодной водой реагирует медленно, а кальций — заметно активнее.

Алюминий взаимодействует с кислородом, образуя оксид Al₂O₃, но тонкая плёнка этого оксида быстро покрывает металл и тормозит дальнейшее окисление. Соляная кислота растворяет плёнку и реагирует с алюминием с выделением водорода; со щёлочью алюминий также может реагировать с образованием водорода и комплексного соединения. В обычных условиях защитный слой мешает контакту реагентов с металлом, а при его разрушении реакция ускоряется.

Характер оксидов и гидроксидов меняется вместе со свойствами элементов. Оксиды и гидроксиды натрия и магния проявляют основные свойства, то есть реагируют с кислотами; их основность не одинакова, но оба элемента не образуют амфотерных гидроксидов. Оксид и гидроксид алюминия амфотерны и реагируют как с кислотами, так и со щелочами, поэтому алюминий показывает переход от типично основных соединений к амфотерным.

Сравнение характерных металлов главных подгрупп

Сравнивайте элементы по строкам: так видно, как положение в группе связано со строением атома и типом соединений. При анализе реакций учитывайте не только принадлежность к группе, но и условия, особенно наличие оксидной плёнки.

Разбор задач

Реакция натрия с водой

Нужно записать реакцию и назвать продукты. Щелочной металл вытесняет водород из воды, при этом образуется растворимая щёлочь. Уравнение уравниваем по числу атомов каждого элемента.

1. Записываем схему: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. Ставим коэффициенты: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
3. Проверяем баланс: слева и справа по два атома Na и O, четыре атома H.

Ответ: образуются гидроксид натрия NaOH и водород H₂.

Реакции магния

В первой реакции магний соединяется с кислородом, во второй вытесняет водород из кислоты. Составляем формулы продуктов по зарядам ионов, затем подбираем коэффициенты. В обоих случаях магний отдаёт электроны и выступает восстановителем.

1. С кислородом образуется оксид магния: 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. В соляной кислоте магний замещает водород: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
3. Проверяем, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.

Водород при реакции алюминия со щёлочью

Дано: m(Al) = 5,4 г, раствор щёлочи взят в избытке. Требуется найти количество вещества алюминия и объём водорода при нормальных условиях. Избыток щёлочи означает, что расчёт ведём по алюминию.

1. Записываем уравнение: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
2. Находим количество алюминия: n(Al) = m/M = 5,4/27 = 0,2 моль.
3. По коэффициентам 2 моль Al дают 3 моль H₂, поэтому n(H₂) = 0,2 · 3/2 = 0,3 моль.
4. При нормальных условиях Vₘ = 22,4 л/моль, значит V(H₂) = 0,3 · 22,4 = 6,72 л.

Ответ: n(Al) = 0,2 моль; объём водорода равен 6,72 л.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что любой металл главной подгруппы одинаково активно реагирует с водой. Так обобщают свойства, потому что все металлы отдают электроны, но скорость зависит от строения атома, природы металла и условий. Проверяйте себя: указывайте конкретный металл и условия, например холодную или горячую воду.

Число электронов внешнего уровня не следует называть степенью окисления. Эти величины часто связаны, но первое характеризует атом, а второе — условный заряд атома в соединении. Чтобы не перепутать их, отдельно указывайте строение атома и типичную степень окисления элемента в реакции.

Алюминий не «совсем не реагирует» с кислородом или водой: реакцию часто замедляет защитная оксидная плёнка. Путаница возникает из-за наблюдаемой устойчивости металла на воздухе. Проверьте объяснение, спросив, что именно мешает реакции и что произойдёт при повреждении или растворении плёнки.

Гидроксид алюминия нельзя считать только основанием. Такое представление возникает из-за упрощённого правила о гидроксидах металлов, но Al(OH)₃ реагирует и с кислотами, и со щёлочами. Для самопроверки запишите оба типа реакций: если вещество взаимодействует с обоими классами, его свойства амфотерны.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении электронных оболочек и устройстве периодической системы: по группе определяют число внешних электронов. Понятие степени окисления помогает объяснять образование катионов и составлять формулы соединений. Эти основы связывают положение элемента с его химическими свойствами.

Тема продолжает изучение общих свойств металлов и окислительно-восстановительных реакций. Уравнивая реакции, нужно учитывать передачу электронов и соблюдать закон сохранения атомов. Поэтому знакомые способы составления уравнений применяются здесь для описания реакций с водой, кислородом, кислотами и щёлочами.

Эти знания пригодятся при изучении получения металлов и свойств их соединений. Понимание пассивирования объясняет применение алюминия в изделиях, а высокая активность щелочных металлов — необходимость осторожного обращения с ними. Связь строения атома со свойствами помогает предсказывать поведение и других элементов главных подгрупп.

Что запомнить

• Металлы главных подгрупп отдают электроны внешнего уровня и образуют катионы.
• У щелочных металлов на внешнем уровне один электрон.
• Активность щелочных металлов в целом возрастает сверху вниз по группе.
• Щелочноземельные металлы обычно имеют степень окисления +2.
• Оксидная плёнка защищает алюминий от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.
• Оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства.