"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Щелочные металлы — элементы 1-й группы: литий, натрий, калий и другие. Их атомы имеют один внешний электрон, поэтому легко отдают его и проявляют высокую химическую активность. В параграфе главное — понять связь положения элемента в периодической системе с его свойствами, научиться составлять уравнения реакций с водой, кислородом и галогенами, а также различать основания и щёлочи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Щелочные металлы — элементы 1-й группы главной подгруппы, атомы которых имеют один электрон на внешнем энергетическом уровне. К ним относят литий Li, натрий Na, калий K и другие элементы группы, кроме водорода. Это определение помогает сразу предсказать многие свойства металлов.
Щёлочь — растворимое в воде основание. Щёлочами являются гидроксиды щелочных металлов, например NaOH и KOH, потому что они растворяются в воде и образуют щелочные растворы. Так понятие «щёлочь» связывает состав вещества с его растворимостью.
Гидроксид щелочного металла — соединение вида MeOH, состоящее из катиона металла Me⁺ и гидроксид-иона OH⁻. Например, NaOH состоит из ионов Na⁺ и OH⁻. Запись MeOH позволяет составлять формулы гидроксидов всех щелочных металлов.
Активность металла — способность его атомов отдавать электроны. Чем легче атом теряет внешний электрон, тем активнее металл и тем сильнее его восстановительные свойства. Щелочные металлы сравнивают по тому, насколько энергично они реагируют с водой, кислородом и другими веществами.
Щелочные металлы находятся в 1-й группе, потому что на внешнем энергетическом уровне у каждого из них один электрон. Внутренние уровни заполнены, а внешний электрон обозначает строение, характерное для всей группы. Отдавая его, атом приобретает устойчивую конфигурацию предыдущего благородного газа, поэтому типичная степень окисления металла равна +1.
Внешний электрон удалён от ядра сильнее, чем электроны внутренних уровней, и экранируется ими. Поэтому притяжение между ядром и этим электроном сравнительно слабое, а небольшая энергия нужна для его удаления. После потери электрона атом превращается в положительно заряженный ион и выступает восстановителем, отдавая электроны другим частицам.
От лития к цезию число электронных слоёв увеличивается, поэтому радиус атома становится больше. Внешний электрон удаляется от ядра и сильнее экранируется внутренними электронами. Притяжение ослабевает, электрон отдаётся легче, и химическая активность металлов возрастает сверху вниз по группе.
Щелочные металлы хранят под слоем керосина, потому что на воздухе они соприкасаются сразу с кислородом и влагой. Эти вещества быстро окисляют металл или реагируют с ним с образованием гидроксида и водорода. По той же причине в природе не встречаются самородные литий, натрий и калий: активные металлы существуют только в составе соединений.
С водой щелочные металлы образуют гидроксид и водород: 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂↑. С кислородом продукты зависят от металла: литий даёт оксид Li₂O, натрий может образовывать пероксид Na₂O₂, а калий — надпероксид KO₂. С галогенами реакция приводит к солям: 2Me + Cl₂ → 2MeCl.
| Свойство | Литий (Li) | Натрий (Na) | Калий (K) | Общая закономерность |
|---|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе и электронная конфигурация | 2-й период; 2, 1 | 3-й период; 2, 8, 1 | 4-й период; 2, 8, 8, 1 | 1-я группа; один внешний электрон |
| Внешний электрон и типичная степень окисления | 1; +1 | 1; +1 | 1; +1 | Электрон легко отдаётся |
| Агрегатное состояние, цвет и плотность | Твёрдый, серебристый; 0,53 г/см³ | Твёрдый, серебристый; 0,97 г/см³ | Твёрдый, серебристый; 0,86 г/см³ | Мягкие лёгкие металлы |
| Температура плавления и твёрдость | 180 °C; мягкий | 98 °C; очень мягкий | 64 °C; ещё мягче | Вниз по группе температура плавления и твёрдость уменьшаются |
| Реакция с водой и продукты реакции | Медленно; LiOH и H₂ | Быстро; NaOH и H₂ | Очень бурно; KOH и H₂ | Активность реакции возрастает вниз по группе |
| Реакция с кислородом | Li₂O | Na₂O₂ | KO₂ | Образуются оксиды, пероксиды или надпероксиды |
| Реакция с галогенами | LiCl и другие соли | NaCl и другие соли | KCl и другие соли | 2Me + X₂ → 2MeX |
| Формула и характер гидроксида | LiOH, щёлочь | NaOH, щёлочь | KOH, щёлочь | MeOH; растворимое сильное основание |
| Изменение химической активности сверху вниз по группе | Наименьшая из трёх | Выше, чем у Li | Выше, чем у Na | Активность увеличивается |
Таблицу удобно читать сначала по строкам: так сравниваются литий, натрий и калий по одному признаку. При решении задач особенно полезны строки о внешнем электроне, гидроксиде и реакции с водой. Стрелка изменения свойств показывает общую закономерность группы, а не случайное отличие одного вещества.
Условие: определить положение элемента с электронной конфигурацией 2, 8, 1, назвать его и указать формулу образуемого гидроксида. Число электронных слоёв подсказывает период, а число электронов на внешнем уровне — группу. Один внешний электрон означает степень окисления +1.
Ответ: натрий, 3-й период, 1-я группа; гидроксид — NaOH.
Условие: составить уравнение реакции 4,6 г натрия с водой и найти массу образовавшегося NaOH. Сначала нужно установить количество натрия, затем использовать соотношение веществ из уравнения. Уравнение реакции: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
Ответ: образуется 8 г гидроксида натрия.
Условие: составить цепочку натрий → гидроксид натрия → хлорид натрия и определить массу соли из заданной массы натрия. Для численного примера возьмём 4,6 г Na, как в предыдущей задаче. Вторая реакция является нейтрализацией щёлочи кислотой.
Ответ: цепочка записывается двумя уравнениями, из 4,6 г натрия получится 11,7 г NaCl. Для другой массы натрия сначала находят n(Na) = m/23, а затем умножают количество вещества соли на 58,5 г/моль.
Нельзя называть щелочными все элементы 1-й группы, включая водород. Водород находится в этой группе, но является неметаллом; проверить себя можно по его физическим и химическим свойствам.
При реакции металла с водой нельзя записывать оксид как единственный продукт. Правильная схема: щелочной металл + вода → гидроксид металла + водород; после записи нужно проверить число атомов каждого элемента.
Иногда считают, что активность сверху вниз уменьшается, потому что атомы становятся крупнее. На самом деле внешний электрон удаляется дальше от ядра и легче отдаётся, поэтому активность возрастает.
Неправильно составлять формулы гидроксидов и солей, забывая заряд +1. У щелочного металла один катион соединяется с одним OH⁻ или одним однозарядным анионом: NaOH, KCl; формулу проверяют по сумме зарядов.
Для изучения темы нужны знания о строении атома, электронных уровнях, периодическом законе и таблице Менделеева. Также необходимо уметь определять валентность и степень окисления, составлять формулы и уравнивать реакции. Эти навыки пригодятся при изучении оснований, электролитической диссоциации, окислительно-восстановительных реакций и электрохимии.
Почему щелочные металлы нельзя хранить на воздухе?
Они быстро реагируют с кислородом и водяным паром воздуха. При этом образуются оксиды или пероксиды, а иногда и щёлочь, поэтому металлы хранят под слоем керосина.
Почему калий активнее натрия?
У атома калия внешний электрон находится дальше от ядра, чем у атома натрия. Связь с ядром слабее, поэтому калий легче отдаёт электрон.
Почему реакция натрия с водой сопровождается выделением тепла?
При образовании новых веществ и разрушении старых связей выделяется энергия. Реакция идёт быстро, поэтому вода и натрий заметно нагреваются, а выделившийся водород может воспламениться.
Чем щёлочь отличается от любого основания?
Щёлочь — это основание, растворимое в воде. Например, NaOH и KOH являются щёлочами, а нерастворимые гидроксиды к щёлочам не относятся.
Почему щелочные металлы не встречаются в природе в свободном виде?
Это очень активные восстановители, поэтому они легко вступают в реакции с водой, кислородом и другими веществами. В природе они находятся только в составе соединений, например солей.
§ 24. Щелочные металлы .
