§ 22. Металлы главных подгрупп

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы, кроме водорода: литий, натрий, калий и другие. Их атомы имеют один электрон на внешнем уровне и легко отдают его, поэтому металлы очень активны и обычно образуют ионы M⁺. Это объясняет их типичные реакции с водой и кислородом.

Щёлочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы, например магний, кальций и барий. Название связано с образованием щелочных гидроксидов и «земель» — малорастворимых оксидов, известных в старой химии. По сравнению со щелочными металлами они имеют два внешних электрона, обычно менее активны и образуют ионы M²⁺.

Амфотерность — способность вещества проявлять и кислотные, и основные свойства. Оксид и гидроксид алюминия реагируют с кислотами как основания, а со щелочами — как кислоты. Это понятие помогает правильно предсказывать реакции Al₂O₃ и Al(OH)₃.

Алюминотермия — получение металлов восстановлением их оксидов алюминием. Алюминий забирает кислород у оксида, потому что сам образует очень устойчивый Al₂O₃. Метод применяют для получения некоторых металлов, например железа, хрома и марганца.

Как это устроено

Металлы главных подгрупп расположены в разных группах, потому что их атомы имеют разное число электронов на внешнем уровне. У элементов I группы один такой электрон, у элементов II группы — два, у алюминия в III группе — три. При отдаче этих электронов формируются устойчивые положительные ионы, поэтому типичные степени окисления равны соответственно +1, +2 и +3.

Металлический характер в периоде слева направо обычно ослабевает: эффективный заряд ядра возрастает, и внешние электроны удерживаются сильнее. В группе сверху вниз атомный радиус увеличивается из-за появления новых электронных оболочек, а притяжение внешнего электрона к ядру ослабевает. Поэтому металлические свойства и способность отдавать электроны обычно усиливаются.

У щелочных металлов внешний электрон удалён от ядра и экранирован внутренними оболочками. Вниз по группе радиус растёт, а энергия, необходимая для отрыва электрона, уменьшается. Поэтому литий реагирует слабее натрия, натрий слабее калия, а активность щелочных металлов возрастает сверху вниз.

Высокая активность объясняет, почему щелочные и щёлочноземельные металлы редко встречаются в свободном виде: они соединяются с кислородом, водой, серой и другими веществами. Щелочные металлы хранят под керосином или другим защитным слоем, исключающим контакт с влагой и воздухом. Получают их обычно электролизом расплавов солей, поскольку из водных растворов металл восстановить нельзя: вместо него выделяется водород.

Щелочные металлы реагируют с водой с образованием растворимого гидроксида и водорода: 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂. Щёлочноземельные металлы дают основные оксиды при взаимодействии с кислородом, а магний с кислотами образует соль и водород: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Алюминий с кислородом образует Al₂O₃, а с кислотами — соль и водород, но его реакцию с водой при обычных условиях блокирует оксидная плёнка.

Сравнение металлов главных подгрупп I–III групп

Таблица позволяет сначала определить строение атома по группе, а затем вывести степень окисления и характер соединений. Для конкретной реакции нужно учитывать не только положение элемента, но и условия: температуру, растворимость веществ и наличие защитной плёнки.

Разбор задач

Задача 1. Реакция натрия с водой

Условие: запишите уравнение реакции натрия с водой и назовите продукты. Натрий — щелочной металл, поэтому нужно использовать общую схему M + H₂O → MOH + H₂. Затем расставим коэффициенты и проверим число атомов.

1. Записываем продукты: NaOH и H₂.
2. Уравниваем натрий и гидроксидные группы: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
3. Проверяем атомы: слева 2Na, 4H и 2O; справа столько же.

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

Задача 2. Магний и кислород, магний и соляная кислота

Условие: составьте уравнения реакций магния с O₂ и HCl и укажите степени окисления. Магний находится во II группе, поэтому в соединениях обычно имеет степень окисления +2, а кислород и хлор — −2 и −1 соответственно.

1. При соединении с кислородом образуется MgO: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg⁰ переходит в Mg⁺², O⁰ — в O⁻².
2. Соляная кислота даёт соль MgCl₂ и водород: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
3. В этой реакции Mg⁰ → Mg⁺², H⁺¹ → H⁰, а Cl остаётся со степенью окисления −1.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Магний окисляется и отдаёт два электрона.

Задача 3. Амфотерность Al₂O₃

Условие: составьте уравнения реакций Al₂O₃ с растворами HCl и NaOH и объясните амфотерность. С кислотой оксид ведёт себя как основание, поэтому образуются соль и вода. Со щёлочью он проявляет кислотные свойства и образует алюминат.

1. Для кислоты записываем: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.
2. Для щёлочи в школьной записи используем: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O.
3. Наличие двух реакций с веществами противоположного характера доказывает амфотерность оксида.

Ответ: Al₂O₃ реагирует и с HCl, и с NaOH, поэтому является амфотерным оксидом.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Водород считают щелочным металлом только из-за положения в I группе. Его атом имеет один электрон, но водород — неметалл с иными свойствами; проверить себя можно по способности образовывать H⁺ и H⁻.

Ошибка 2. Активность всех металлов приравнивают к активности щелочных. На самом деле она зависит от положения элемента и условий реакции, поэтому сравнивают конкретные металлы, а не только их принадлежность к главной подгруппе.

Ошибка 3. Для алюминия записывают реакцию с водой по аналогии с натрием. Плотная плёнка Al₂O₃ препятствует реакции при обычных условиях; наличие плёнки нужно учитывать перед составлением уравнения.

Ошибка 4. Al₂O₃ и Al(OH)₃ считают только основными. Реакция каждого вещества и с кислотой, и со щёлочью показывает амфотерность и служит проверкой правильности вывода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках, периодической системе и степени окисления. Эти представления позволяют выводить формулы и прогнозировать реакции металлов.

Типичные реакции металлов связаны с электролизом, коррозией, металлургией и свойствами солей. Например, активные металлы получают электролизом расплавов, а алюминотермия относится к восстановительным металлургическим процессам.

Что запомнить

• У щелочных металлов на внешнем уровне один электрон; для них характерна степень окисления +1.
• У щёлочноземельных металлов на внешнем уровне два электрона; для них характерна степень окисления +2.
• Вниз по главной подгруппе I группы химическая активность щелочных металлов возрастает.
• Щелочные металлы хранят без доступа воздуха и влаги из-за их высокой активности.
• Оксидная плёнка защищает алюминий от дальнейшего окисления на воздухе.
• Оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства.
• Металлы в природе обычно находятся в составе соединений, а не в свободном виде.