§ 14. Щелочные металлы

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы первой группы Периодической системы, кроме водорода. Их объединяют, потому что у атомов этих элементов одинаковое число электронов на внешнем слое — один. Из-за сходного строения атомов у них сходны и важные химические свойства.

Внешний электронный слой — самый удалённый от ядра занятый слой электронов. У атомов щелочных металлов на нём находится один электрон. Это помогает предсказать, как атом будет вести себя в реакции: чаще всего он отдаёт именно этот электрон.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. Гидроксиды щелочных металлов, например NaOH и KOH, относятся к щелочам, потому что растворяются в воде. Это понятие позволяет различать сам металл и вещество, которое возникает при его взаимодействии с водой.

Степень окисления +1 — условный заряд атома в соединении, соответствующий отдаче одного электрона. Щелочные металлы обычно имеют такую степень окисления, поскольку им проще отдать единственный внешний электрон, чем принять несколько электронов. Это обозначение используют, чтобы составлять формулы веществ и уравнения реакций.

Как это устроено

Щелочные металлы стоят в первой группе Периодической системы, а их атомы имеют один электрон на внешнем слое. В химических реакциях именно внешние электроны особенно важны, потому что они участвуют во взаимодействии атомов. Одинаковое строение внешнего слоя и объясняет сходство химических свойств элементов группы.

Атом щелочного металла легко отдаёт единственный внешний электрон и превращается в положительный ион. Частица, которая отдаёт электроны, называется восстановителем: передавая электрон другому веществу, она вызывает его восстановление. Поэтому простые вещества щелочных металлов проявляют сильные восстановительные свойства.

Сверху вниз по группе увеличивается порядковый номер элемента и появляется больше электронных слоёв. Внешний электрон оказывается дальше от ядра, а внутренние электроны ослабляют притяжение ядра к нему. Поэтому электрон удерживается слабее, атому легче его отдать, и химическая активность в целом возрастает.

Щелочные металлы мягкие, имеют небольшую плотность и сравнительно низкие температуры плавления по сравнению со многими другими металлами. Эти свойства связаны с особенностями строения и взаимодействия атомов в металле. При движении вниз по группе температура плавления в целом уменьшается, поэтому физические свойства тоже меняются закономерно.

При реакции с водой щелочной металл вытесняет из неё водород, образуя гидроксид металла и водород. Для металла M общую схему можно записать так: 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑. Гидроксид растворяется в воде и образует щёлочь, а возрастающая вниз по группе активность делает реакцию всё более бурной.

Сравнение лития, натрия и калия

Сравнивайте элементы по строкам: так видно, какие свойства у них общие, а какие меняются сверху вниз по группе. Например, число внешних электронов одинаково, а относительная активность возрастает от лития к калию. В последней строке указаны продукты реакции с водой, но не её скорость и не степень бурности.

Разбор задач

1. Реакция натрия с водой

Условие. Запишите уравнение реакции натрия с водой и назовите продукты. Нужно применить общую схему взаимодействия щелочного металла с водой, а затем проверить, что число атомов каждого элемента одинаково слева и справа.

1. Записываем формулы реагентов: Na и H₂O. По общей схеме продуктами будут гидроксид натрия NaOH и водород H₂.
2. Уравниваем количество атомов. Чтобы получить целое число молекул водорода, ставим коэффициент 2 перед Na и H₂O, затем 2 перед NaOH: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
3. Проверяем: слева два атома натрия, четыре водорода и два кислорода; справа их столько же. Стрелка вверх показывает выделение газа.

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

2. Масса гидроксида натрия

Условие. Какую массу NaOH можно получить при реакции 4,6 г натрия с избытком воды? Избыток воды означает, что натрий полностью прореагирует, а количество продукта определяется количеством натрия.

1. Используем уравнение 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Коэффициенты перед Na и NaOH равны, значит, их количества вещества относятся как 1:1.
2. Находим количество натрия: n(Na) = m/M = 4,6 г / 23 г/моль = 0,2 моль. Следовательно, образуется n(NaOH) = 0,2 моль.
3. Молярная масса NaOH равна 23 + 16 + 1 = 40 г/моль. Тогда масса гидроксида: m = nM = 0,2 моль · 40 г/моль = 8 г.

Ответ: можно получить 8 г гидроксида натрия.

3. Состав смеси лития и натрия

Условие. Смесь лития и натрия имеет общую массу 3,5 г и количество вещества 0,5 моль. Требуется найти массу каждого металла; обозначим количества Li и Na через x и y. Проверим не только решение уравнений, но и согласованность результата с тем, что в условии названа смесь двух металлов.

1. Записываем баланс количества вещества: x + y = 0,5. Баланс массы: 7x + 23y = 3,5, поскольку молярные массы Li и Na равны соответственно 7 и 23 г/моль.
2. Из первого равенства x = 0,5 − y. Подставляем во второе: 7(0,5 − y) + 23y = 3,5, откуда 3,5 + 16y = 3,5 и y = 0.
3. Тогда x = 0,5 моль. Масса лития равна 0,5 · 7 = 3,5 г, масса натрия — 0 · 23 = 0 г.

Ответ: по приведённым данным получается 3,5 г лития и 0 г натрия. Значит, если подразумевается, что в смеси присутствуют оба металла, условие противоречиво: нужно проверить исходные числа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать водород щелочным металлом только потому, что он расположен над первой группой. Так можно решить, что положение в таблице автоматически определяет принадлежность к группе, но водород не является металлом и отличается по свойствам. Проверяйте формулировку: щелочные металлы — элементы первой группы, кроме водорода.

Ошибка: путать щелочной металл и щёлочь. Названия похожи, поэтому металл иногда называют щёлочью, хотя это разные вещества: натрий — простое вещество, NaOH — растворимое основание. Проверить себя можно по формуле и составу: металл обозначают символом элемента, а гидроксид содержит группу OH.

Ошибка: записывать оксид как продукт реакции с водой. В других реакциях металлов действительно могут образовываться оксиды, и это легко перенести на данный случай. Проверьте общую схему для щелочного металла: образуются гидроксид и водород, например 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.

Ошибка: считать, что активность уменьшается сверху вниз. Иногда направление изменения путают с другими свойствами элементов. Сопоставьте лёгкость отдачи электрона: вниз по группе внешний электрон удерживается слабее, поэтому активность в целом возрастает.

Связь с другими темами

Чтобы понять сходство щелочных металлов, нужно знать строение атома, электронные слои и устройство Периодической системы. Понятия об отдаче электронов и степени окисления понадобятся при изучении окислительно-восстановительных реакций. Гидроксиды и щёлочи связаны с темой оснований, а их свойства пригодятся при изучении реакций ионного обмена.

Что запомнить

• У атомов щелочных металлов один электрон на внешнем слое.
• Щелочные металлы обычно проявляют степень окисления +1.
• Щелочные металлы — сильные восстановители.
• Активность щелочных металлов в целом возрастает сверху вниз по группе.
• Щелочной металл реагирует с водой с образованием гидроксида и водорода.
• Щелочные металлы хранят без доступа воздуха и влаги, обычно под слоем керосина.