"Химия", Габриелян О.С.
Щелочные металлы — литий, натрий, калий и элементы той же группы, которые находятся в главной подгруппе I группы периодической системы. Их атомы имеют один электрон на внешнем уровне, поэтому они легко вступают в реакции и проявляют сильные восстановительные свойства. Металлы мягкие, лёгкие и активность их возрастает сверху вниз. При взаимодействии с водой образуются щёлочь и водород.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Название связано с тем, что их гидроксиды растворяются в воде и образуют щёлочи. Знание состава группы помогает предсказывать сходство свойств элементов.
Электронная конфигурация — распределение электронов по энергетическим уровням атома. У щелочных металлов на внешнем уровне находится один валентный электрон, что обозначают общей записью ns¹. Эта запись объясняет их типичные реакции и положение в периодической системе.
Щёлочь — растворимое в воде основание, которое может образоваться при взаимодействии щелочного металла с водой. Например, NaOH и KOH окрашивают индикаторы так же, как другие растворимые основания. По формуле щёлочи можно определить продукт реакции металла с водой.
Степень окисления — условный заряд атома элемента в соединении. Для щелочных металлов характерна степень окисления +1, потому что атом отдаёт один внешний электрон. Это правило используют при составлении формул оксидов, гидроксидов и солей.
Щелочные металлы расположены в главной подгруппе I группы периодической системы, причём каждый следующий элемент находится ниже предыдущего. Принадлежность к одной группе означает одинаковое число электронов на внешнем уровне — один. Поэтому литий, натрий и калий имеют сходные химические свойства, хотя их атомы различаются числом электронных слоёв.
Внешний электрон притягивается к ядру слабее, чем внутренние электроны, потому что находится дальше от ядра и экранируется внутренними слоями. Для его удаления требуется сравнительно мало энергии. Отдавая электрон, атом превращается в положительный ион, поэтому щелочные металлы легко вступают в реакции и являются сильными восстановителями: они отдают электроны другим частицам.
Сверху вниз атомный радиус увеличивается, поскольку у каждого следующего элемента появляется новый электронный слой. Внешний электрон удаляется от ядра, и притяжение к нему ослабевает. Поэтому химическая активность возрастает в ряду Li < Na < K < Rb < Cs < Fr, а температуры плавления в целом уменьшаются, хотя зависимость не является идеально равномерной.
Щелочные металлы имеют металлический блеск и хорошо проводят электрический ток. Они мягкие, потому что связь между частицами в их кристаллической решётке сравнительно слабая, поэтому многие из них можно резать ножом. Их плотность невелика, а температуры плавления ниже, чем у большинства других металлов; франций изучен хуже, и его свойства во многом оценивают расчётами.
С кислородом щелочные металлы образуют кислородсодержащие соединения: литий обычно даёт оксид Li₂O, натрий может образовывать пероксид Na₂O₂, а более тяжёлые металлы — пероксиды и супероксиды. С водой идёт реакция замещения: 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂. Например, 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂, а более активный калий реагирует ещё энергичнее.
| Свойство | Литий | Натрий | Калий | Рубидий | Цезий | Франций |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | 2 период, I группа | 3 период, I группа | 4 период, I группа | 5 период, I группа | 6 период, I группа | 7 период, I группа |
| Число электронных слоёв | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Число электронов на внешнем слое | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Электронная конфигурация внешнего слоя | 2s¹ | 3s¹ | 4s¹ | 5s¹ | 6s¹ | 7s¹ |
| Типичная степень окисления | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 |
| Относительная атомная масса | ≈7 | ≈23 | ≈39 | ≈85,5 | ≈133 | ≈223 |
| Плотность и агрегатное состояние | 0,53 г/см³, твёрдое | 0,97 г/см³, твёрдое | 0,86 г/см³, твёрдое | 1,53 г/см³, твёрдое | 1,90 г/см³, твёрдое | ≈1,9 г/см³, твёрдое |
| Температура плавления | ≈181 °C | ≈98 °C | ≈64 °C | ≈39 °C | ≈28 °C | ≈27 °C |
| Изменение химической активности в ряду | Возрастает от лития к францию | |||||
| Продукт взаимодействия с водой | LiOH и H₂ | NaOH и H₂ | KOH и H₂ | RbOH и H₂ | CsOH и H₂ | FrOH и H₂ |
Таблицу удобно читать по столбцам, сравнивая элементы одной группы. По строке с электронной конфигурацией можно проверить число внешних электронов. Для решения задач особенно полезны строки со степенью окисления и продуктами реакции с водой.
Определим элемент по конфигурации внешнего слоя 3s¹. Число 3 показывает третий энергетический уровень, а один электрон s — принадлежность к главной подгруппе I группы. Нужно назвать высший оксид и гидроксид этого элемента.
Ответ: это натрий; его высший оксид — Na₂O, гидроксид — NaOH.
Составим уравнения реакций натрия и калия с водой. Оба металла вытесняют водород из воды, но калий реагирует быстрее и опаснее. Общая схема реакции имеет вид 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂.
Ответ: реакции уравнены; натрий образует NaOH, калий — KOH, в обоих случаях выделяется H₂.
Натрий массой 4,6 г реагирует с избытком воды. Требуется найти массу NaOH и объём H₂ при нормальных условиях. Используем уравнение 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
Ответ: образуются 8 г NaOH и 2,24 л H₂.
Ошибка — считать все элементы I группы щелочными металлами, включая водород. Её допускают из-за смешения номера группы с названием семейства. Проверка простая: водород — неметалл, а к щелочным металлам относят Li, Na, K, Rb, Cs и Fr.
Ошибка — приписывать щелочным металлам разные типичные степени окисления. Причина — перенос правила о переменной степени окисления других элементов на эту группу. Проверьте число внешних электронов: один электрон обычно отдаётся, поэтому степень окисления равна +1.
Ошибка — записывать оксид как продукт реакции металла с водой. В этой реакции непосредственно образуются гидроксид металла и водород, например NaOH и H₂. Чтобы проверить себя, используйте общую схему 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂.
Ошибка — считать, что активность уменьшается сверху вниз. На самом деле радиус атома увеличивается, а притяжение внешнего электрона ослабевает. Значит, его легче отдать и активность возрастает от лития к францию.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках, периодическом законе, группах и периодах. Они позволяют связать положение элемента с числом внешних электронов. Без этого трудно объяснить сходство и различие свойств металлов.
Тема помогает изучать классы неорганических соединений, основания, реакции замещения и закономерности изменения свойств элементов в группах. Формулы NaOH и KOH связывают её с темой растворимых оснований. Уравнения реакций показывают общий принцип замещения водорода.
Практическое значение связано с хранением активных металлов и правилами техники безопасности. Соединения натрия и калия широко применяются в промышленности. Их свойства объясняют, почему контакт металлов с водой и воздухом необходимо исключать.
Почему металлы называют щелочными?
При взаимодействии с водой они образуют растворимые основания — щёлочи. Например, натрий даёт гидроксид натрия NaOH, а калий — гидроксид калия KOH.
Почему щелочные металлы нельзя хранить на воздухе?
Они быстро реагируют с кислородом и влагой воздуха. Поэтому металлы хранят под слоем керосина или другого вещества, которое не допускает контакта с воздухом и водой.
Почему активность металлов возрастает от лития к цезию?
Сверху вниз увеличивается радиус атома, а внешний электрон оказывается дальше от ядра. Притяжение ослабевает, поэтому электрон легче отдать в химической реакции.
Почему щелочные металлы имеют степень окисления +1?
На внешнем уровне у них находится один электрон. Отдавая его, атом приобретает устойчивую электронную оболочку, поэтому в соединениях обычно имеет заряд и степень окисления +1.
Почему реакция калия с водой опаснее реакции натрия с водой?
Калий активнее натрия и реагирует с водой быстрее, выделяя больше теплоты за короткое время. Водород может воспламениться, а расплавленный калий способен вызвать вспышку или взрыв.
§ 14. Щелочные металлы
