§ 42. Щелочные металлы

Определения и обозначения

Щелочные металлы — это элементы первой группы периодической системы, кроме водорода: к ним относятся литий, натрий, калий и другие. Их называют металлами, потому что они обладают характерными металлическими свойствами, а слово «щелочные» связано с продуктами их реакции с водой. Эта группа расположена в крайнем левом столбце таблицы, и её положение помогает предсказывать строение атомов и свойства элементов.

На внешнем электронном слое атома щелочного металла находится один электрон. Внешний слой — это наиболее удалённая от ядра электронная оболочка, именно её электроны прежде всего участвуют в химических реакциях. Один электрон на внешнем слое объясняет, почему элементы группы похожи по свойствам и обычно образуют соединения с зарядом иона +1.

Щёлочь — это основание, растворимое в воде. Например, гидроксиды натрия и калия растворяются в воде и дают щелочные растворы. Поскольку при реакции щелочных металлов с водой образуются такие гидроксиды, группа и получила своё название.

Как это устроено

Атомы щелочных металлов легко отдают один внешний электрон, потому что после его потери их электронная оболочка становится более устойчивой. На удалённый электрон слабее действует притяжение положительно заряженного ядра, чем на электроны внутренних слоёв. Отдав электрон, атом превращается в положительно заряженный ион, поэтому степень окисления металла в соединениях обычно равна +1.

Сверху вниз по группе число электронных слоёв увеличивается, поэтому возрастает и радиус атома. Внешний электрон оказывается дальше от ядра и сильнее экранируется внутренними электронами, которые частично ослабляют притяжение ядра. Из-за этого электрон легче оторвать, а химическая активность металлов увеличивается от лития к натрию и далее к калию.

В природе щелочные металлы обычно находятся не в свободном виде, а в составе соединений. Причина — высокая химическая активность: атомы быстро вступают в реакции с веществами окружающей среды и образуют более устойчивые соединения. Поэтому литий, натрий и калий можно обнаружить в минералах и солях, но не в виде чистых кусочков металла.

С водой щелочной металл образует гидроксид и водород: 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑, где M обозначает металл. Например, для натрия уравнение будет таким: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Коэффициенты показывают, что два атома металла реагируют с двумя молекулами воды и дают одну молекулу водорода; от лития к калию реакция становится активнее, поскольку внешний электрон всё легче отдаётся.

С кислородом щелочные металлы образуют кислородсодержащие соединения, а с галогенами — соли. Например, натрий при взаимодействии с хлором образует NaCl, а калий с хлором — KCl: металл отдаёт электрон, хлор принимает его. Формулу продукта можно проверить по зарядам ионов: катион щелочного металла имеет заряд +1, а ион галогена — −1, поэтому они соединяются в соотношении 1:1.

Сравнение лития, натрия и калия

Сравнивайте элементы по строкам: так видно, какие свойства у них общие, а какие меняются вниз по группе. Например, число внешних электронов и степень окисления одинаковы, но активность реакции с водой возрастает от лития к калию. Таблица помогает связать это изменение с положением элемента, а не заучивать три отдельных описания.

Разбор задач

1. Реакция натрия с водой

Задача. Запишите уравнение реакции натрия с водой и назовите образующиеся вещества. Сначала определяем тип реакции: щелочной металл вытесняет водород из воды, а металл входит в состав гидроксида. Затем проверяем, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.

1. Записываем формулы исходных веществ и продуктов: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. Уравниваем натрий и кислород, поставив коэффициент 2 перед Na, H₂O и NaOH.
3. Проверяем водород: слева четыре атома, справа два в 2NaOH и ещё два в H₂.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Образуются гидроксид натрия и водород.

2. Реакция калия с хлором

Задача. Составьте уравнение реакции калия с хлором и определите формулу продукта. Калий отдаёт один электрон и образует ион K⁺, а атом хлора принимает один электрон и образует ион Cl⁻. Заряды взаимно компенсируются в отношении один к одному, значит, формула соли — KCl.

1. Записываем схему реакции: K + Cl₂ → KCl.
2. Учитываем, что хлор существует в виде двухатомных молекул Cl₂, поэтому ставим 2 перед KCl.
3. Чтобы уравнять калий, ставим 2 перед K: 2K + Cl₂ → 2KCl.

Ответ: 2K + Cl₂ → 2KCl; продукт — хлорид калия.

3. Объём водорода при реакции натрия

Задача. Какой объём водорода при нормальных условиях выделится при реакции 4,6 г натрия с избытком воды? Избыток воды означает, что весь натрий может прореагировать, поэтому количество водорода определяем по количеству натрия. Используем уравнение реакции и молярный объём газа при нормальных условиях: 22,4 л/моль.

1. Записываем уравнение: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
2. Находим количество натрия: n(Na) = m/M = 4,6 г / 23 г/моль = 0,2 моль.
3. По коэффициентам 2 моль Na дают 1 моль H₂, значит, n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
4. Переводим количество водорода в объём: V(H₂) = n · 22,4 = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: при нормальных условиях выделится 2,24 л водорода.

Типичные ошибки

Ошибка — приписывать щелочным металлам разные положительные степени окисления, как у некоторых других металлов. Её допускают, перенося на них правила, изученные для элементов с несколькими внешними электронами. Проверьте себя по строению атома: щелочной металл отдаёт один электрон, поэтому в обычных соединениях имеет степень окисления +1.

Не путайте рост активности вниз по группе с увеличением числа внешних электронов. Электронов на внешнем слое всё равно один, но с каждым следующим элементом слой расположен дальше от ядра, и электрон удерживается слабее. Чтобы проверить ответ, сравните строение атомов и помните: меняется радиус, а не число внешних электронов.

Неверно записывать оксид как продукт реакции щелочного металла с водой. Такая ошибка возникает, если не различать реакции металла с водой и реакции с кислородом; в воде образуются гидроксид металла и водород. Проверьте формулу по общей схеме 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂ и убедитесь, что в продуктах есть H₂.

Оставлять металл на воздухе или брать его руками опасно: металл может быстро прореагировать с влагой и кислородом. Иногда забывают о хранении, потому что небольшой кусочек кажется безвредным, но высокая активность сохраняется и у малых образцов. Щелочные металлы держат под керосином или маслом и работают с ними только по правилам безопасности, используя подходящий инструмент.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать строение атома, электронные оболочки и устройство периодической системы: эти знания объясняют сходство элементов группы и изменение их активности. Также пригодится умение составлять формулы бинарных соединений и уравнивать реакции по числу атомов каждого элемента. Дальше свойства щелочных металлов помогут изучать основания и соли, а сравнение лития, натрия и калия покажет общую закономерность изменения свойств элементов в группе.

Что запомнить

• Щелочные металлы находятся в первой группе периодической системы.
• На внешнем электронном слое их атомов находится один электрон.
• В соединениях щелочные металлы обычно имеют степень окисления +1.
• Химическая активность щелочных металлов возрастает сверху вниз по группе.
• При реакции с водой образуются гидроксид металла и водород.
• Щелочные металлы хранят под слоем керосина или масла.