§ 42. Щелочные металлы

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы первой группы периодической системы, кроме водорода. Их простые вещества выделяют в отдельную группу, потому что они мягкие, очень активные и сходно реагируют, например с водой. Водород стоит в первой группе, но его атом и простое вещество существенно отличаются от щелочных металлов.

У атомов щелочных металлов на внешнем электронном слое находится один электрон. Внешний слой — самая удалённая от ядра электронная оболочка; именно её электроны обычно участвуют в химических реакциях. Поэтому строение атомов помогает предсказать, как элемент будет соединяться с другими элементами.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. Гидроксиды щелочных металлов, например NaOH и KOH, растворяются в воде и относятся к щёлочам. Это понятие связывает состав вещества с его свойством растворяться: не всякое основание является щёлочью.

Восстановительные свойства щелочных металлов — способность отдавать электроны и восстанавливать другие вещества. Отдав один внешний электрон, атом металла превращается в положительно заряженный ион M⁺. Эта запись показывает, почему металлы легко вступают в реакции и какой заряд обычно имеют их ионы в соединениях.

Как это устроено

Один электрон на внешнем уровне сравнительно легко отдать, а оставшаяся часть атома при этом получает заряд +1. Так образуется катион M⁺, где M обозначает атом металла. Поэтому щелочные металлы обычно проявляют степень окисления +1, а формулы их соединений нужно составлять с учётом этого заряда.

При движении сверху вниз по группе электронные оболочки атомов добавляются, поэтому внешний электрон оказывается дальше от положительно заряженного ядра. Внутренние электроны частично ослабляют притяжение ядра к внешнему электрону. В результате его легче оторвать, и химическая активность металлов возрастает от лития к цезию.

Щелочные металлы легко отдают электроны, поэтому являются сильными восстановителями. В природе такие активные вещества не сохраняются надолго в свободном виде: они реагируют с водой, кислородом и другими компонентами среды. Поэтому их находят преимущественно в составе соединений, например минералов и солей.

При взаимодействии с водой атомы металла отдают электроны, а водород из молекул воды образует газ H₂. В растворе остаётся гидроксид металла, общая формула которого MOH; реакция выделяет тепло. От лития к калию она идёт всё интенсивнее, поэтому даже небольшой опыт может быть опасен и требует строгого контроля.

Физические свойства металлов группы не полностью одинаковы: например, литий, натрий и калий — мягкие серебристые металлы, которые можно резать ножом. Отличаются и продукты взаимодействия с кислородом: в зависимости от металла и условий образуются оксиды, пероксиды или надпероксиды. Следовательно, нельзя считать, что при горении любого щелочного металла получается только оксид.

Сравнение лития, натрия и калия

Сравнивай элементы по их положению в группе и свойствам простых веществ. Таблица показывает общие закономерности и отличия: особенно важно проследить рост активности от лития к калию. Данные о хранении напоминают, что щелочные металлы нельзя оставлять на воздухе или рядом с водой.

Разбор задач

Задача 1. Реакция натрия с водой

Запишите уравнение реакции натрия с водой и назовите продукты. Сначала определяем тип реакции: щелочной металл вытесняет водород из воды, образуя гидроксид. Формулы продуктов — NaOH и H₂; затем проверяем, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

1. Записываем схему: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. Уравниваем число атомов водорода и натрия: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
3. Проверяем кислород: по два атома O находятся и слева, и справа.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Продукты реакции — гидроксид натрия и водород.

Задача 2. Количество водорода

При реакции 4,6 г натрия с избытком воды требуется найти количество выделившегося водорода. Избыток воды означает, что натрий полностью прореагирует. По уравнению реакции два моля натрия дают один моль водорода.

1. Записываем уравнение: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
2. Находим количество натрия: n(Na) = m/M = 4,6 г / 23 г/моль = 0,20 моль.
3. Используем соотношение коэффициентов: n(H₂) = 0,20 / 2 = 0,10 моль.

Ответ: выделится 0,10 моль водорода. Деление на два нужно потому, что на один моль H₂ в уравнении приходится два моля Na.

Задача 3. Смесь лития и натрия

Смесь Li и Na массой 2,4 г прореагировала с избытком воды, выделив 0,10 моль H₂. Нужно определить массу каждого металла. Обозначим массу лития через x г, тогда масса натрия равна 2,4 − x г; оба металла подчиняются схеме 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂.

1. Количество лития: n(Li) = x/7 моль; количество натрия: n(Na) = (2,4 − x)/23 моль.
2. По уравнению один моль металла даёт половину моля водорода, поэтому x/14 + (2,4 − x)/46 = 0,10.
3. Умножаем уравнение на 322: 23x + 7(2,4 − x) = 32,2. Тогда 16x = 15,4 и x = 0,9625 г.
4. Находим массу натрия: 2,4 − 0,9625 = 1,4375 г.

Ответ: лития примерно 0,96 г, натрия примерно 1,44 г. Проверка: массы дают 2,4 г, а расчёт по стехиометрии даёт 0,10 моль H₂.

Типичные ошибки

Считать водород щелочным металлом только из-за его положения в первой группе — ошибка. Такое предположение возникает, если учитывать лишь номер группы и не сравнивать свойства элементов. Проверь себя: у водорода простое вещество состоит из молекул H₂, а его свойства заметно отличаются от свойств мягких активных металлов.

Записывать формулу гидроксида как M(OH)₂ неверно: у щелочного металла заряд иона +1, а у гидроксид-иона −1. Ошибка часто появляется из-за смешения щелочных металлов с металлами, образующими ионы +2. Проверка простая: заряды M⁺ и OH⁻ уравновешиваются в соотношении 1:1, значит формула — MOH.

Предполагать, что все щелочные металлы одинаково реагируют с водой, опасно и неверно. Обобщение кажется удобным, потому что продукты у них одинакового типа, но интенсивность реакции возрастает сверху вниз по группе. Сверяйся с положением элемента: калий активнее натрия, а натрий активнее лития; не проводи такие опыты самостоятельно.

Считать, что при горении любого щелочного металла получается только оксид, тоже нельзя. Причина ошибки — перенос знакомой формулы оксида на все элементы группы. Проверяй, о каком металле и условиях идёт речь: кислородсодержащий продукт может быть оксидом, пероксидом или надпероксидом.

Связь с другими темами

Чтобы понять поведение щелочных металлов, нужно знать строение атома, электронные оболочки и устройство периодической системы. Понятия валентности и степени окисления помогают объяснить заряд иона M⁺ и записывать формулы соединений. Тема продолжает изучение закономерностей изменения свойств элементов в группе и связывает их с окислительно-восстановительными реакциями.

Реакции металлов с водой помогают изучать свойства оснований: растворимые гидроксиды относятся к щёлочам. Уравнения этих реакций нужны и для расчётов количества вещества, например при определении количества выделившегося газа. Для решения таких задач важно правильно использовать коэффициенты и молярную массу.

Что запомнить

• У атомов щелочных металлов на внешнем уровне один электрон.
• В соединениях щелочные металлы обычно имеют степень окисления +1.
• Щелочные металлы — сильные восстановители.
• Химическая активность возрастает от лития к цезию.
• При реакции с водой образуются гидроксид металла и водород.
• Щелочные металлы хранят без контакта с воздухом и влагой.
• Опыты с щелочными металлами проводят только с соблюдением строгих правил безопасности.