§ 48. Общая характеристика элементов IA-группы

Определения и обозначения

В IA-группу входят водород H, литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Водород помещён сюда потому, что его атом имеет один электрон на внешнем уровне. Но по физическим и химическим свойствам он неметалл, поэтому к щелочным металлам не относится.

Щелочными металлами называют литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. При взаимодействии с водой они образуют растворимые основания — щёлочи, откуда и происходит название. Это понятие помогает отличать металлическую часть IA-группы от водорода.

Запись ns¹ означает, что внешний энергетический уровень имеет номер n и содержит один электрон. Буква s обозначает тип подуровня, а единица — число электронов на нём. Такое строение является общей электронной особенностью элементов IA-группы.

Степень окисления +1 означает условный заряд атома в соединении, если связь рассматривают как полностью ионную. Щелочной металл отдаёт единственный внешний электрон и превращается в катион M⁺. Поэтому для его соединений характерна степень окисления +1.

Как это устроено

Номер периода показывает число занятых электронных слоёв, а порядковый номер элемента — заряд его ядра и число электронов в нейтральном атоме. У всех элементов IA-группы последний электрон попадает на внешний s-подуровень, поэтому конфигурация заканчивается на ns¹. При переходе вниз группы ядро становится более заряженным, но одновременно добавляются новые электронные слои.

Внешний электрон щелочного металла находится далеко от ядра и экранируется внутренними электронами. Поэтому притяжение ядра к нему сравнительно слабое, и атому выгодно отдать этот электрон, чем принять ещё несколько. После отдачи возникает катион M⁺ с устойчивой конфигурацией предыдущего уровня, а сам металл проявляет восстановительные свойства, то есть отдаёт электроны другим частицам.

Сверху вниз радиус атома увеличивается: каждый следующий элемент получает новый электронный слой. Энергия ионизации — минимальная энергия отрыва электрона от свободного атома — в общем случае уменьшается. В результате внешний электрон всё легче удалить, поэтому химическая активность и восстановительная способность щелочных металлов усиливаются от лития к цезию.

Щелочные металлы имеют металлический блеск, хорошо проводят тепло и электрический ток, но отличаются мягкостью и сравнительно низкими температурами плавления. В группе обычно увеличивается плотность, хотя общая тенденция может нарушаться, а температуры плавления в целом уменьшаются. Эти свойства связаны с особенностями металлической связи и наличием одного электрона, участвующего в образовании кристаллической решётки.

Высокая активность определяет правила обращения с металлами: их хранят под керосином или минеральным маслом, чтобы исключить контакт с водой и кислородом. С водой щелочной металл образует гидроксид и водород, причём реакция становится энергичнее вниз по группе. На воздухе металлы окисляются, поэтому их обычно используют после удаления защитного слоя непосредственно перед опытом.

Сравнение элементов IA-группы и тенденций свойств сверху вниз

Таблицу удобно читать по столбцам, сравнивая конкретные элементы, и по строкам, прослеживая изменение одного свойства. Водород нужно рассматривать отдельно: одинаковое строение внешнего уровня ещё не означает одинаковые свойства. Главная тенденция для металлов — рост радиуса и активности при движении сверху вниз.

Разбор задач

Задача 1. Определение элемента по порядковому номеру

Условие: по положению элемента в IA-группе определить элемент с Z = 11, записать его электронную конфигурацию и указать типичный заряд иона. Порядковый номер равен заряду ядра и числу электронов нейтрального атома. Нужно связать это число с распределением электронов по уровням.

1. Находим в периодической системе элемент с Z = 11: это натрий Na.
2. Распределяем 11 электронов по уровням: 2, 8, 1; полная запись имеет вид 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.
3. Последний электрон находится на третьем s-подуровне, поэтому внешняя конфигурация равна 3s¹. При отдаче этого электрона натрий образует ион Na⁺.

Ответ: элемент — натрий, его конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, или 2, 8, 1 по уровням. Типичный заряд иона натрия равен +1. Он соответствует характерной степени окисления натрия в соединениях.

Задача 2. Сравнение лития и калия

Условие: сравнить Li и K по атомному радиусу, энергии ионизации и способности отдавать внешний электрон. Оба элемента имеют конфигурацию внешнего уровня ns¹, но находятся в разных периодах. Значит, нужно учесть число электронных слоёв и экранирование ядра.

1. Литий находится во втором периоде, а калий — в четвёртом, поэтому у калия больше электронных слоёв и больше атомный радиус.
2. Внешний электрон калия дальше от ядра и сильнее экранирован внутренними электронами. Поэтому энергия ионизации калия ниже, чем у лития.
3. Отдать электрон калию легче, следовательно, его восстановительная способность и химическая активность в обычном сравнении выше.

Ответ: r(K) > r(Li), энергия ионизации K меньше энергии ионизации Li. Калий легче отдаёт внешний электрон и является более активным восстановителем. Сравнение основано на общей закономерности изменения свойств сверху вниз.

Задача 3. Реакции натрия и калия с водой

Условие: составить и уравнять реакции натрия и калия с водой, затем сравнить активность металлов. При реакции образуются гидроксид металла и водород. Формулу продукта определяем по заряду катиона M⁺ и гидроксид-иона OH⁻.

1. Для натрия записываем Na + H₂O → NaOH + H₂ и подбираем коэффициенты: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
2. Для калия используем такую же схему: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑.
3. Сравниваем элементы в группе: калий расположен ниже натрия, имеет больший радиус и меньшую энергию ионизации. Поэтому его реакция с водой протекает обычно интенсивнее.

Ответ: уравнения — 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ и 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. Калий активнее натрия, поэтому выделение тепла и водорода при его взаимодействии с водой выражено сильнее. Опыт проводят только в безопасных условиях из-за высокой реакционной способности металлов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать водород щелочным металлом только из-за его положения в IA-группе. Так поступают, когда учитывают лишь число внешних электронов и забывают о свойствах вещества. Проверка проста: водород — газообразный неметалл, а щелочные металлы являются твёрдыми металлами.

Ошибка: путать один внешний электрон с зарядом атома +1. Нейтральный атом имеет суммарный заряд 0, а +1 появляется только после отдачи электрона. Проверяйте, идёт ли речь об атоме M или о катионе M⁺.

Ошибка: утверждать, что активность металлов уменьшается сверху вниз. Причина ошибки — механическое перенесение правила для некоторых других свойств без анализа радиуса и энергии ионизации. Если внешний электрон дальше от ядра и слабее удерживается, отдавать его легче, а активность обычно возрастает.

Ошибка: переносить свойства одного металла на всю группу без оговорок. Общие закономерности показывают направление изменений, но не означают полного совпадения температур плавления, плотностей и скорости реакций. Проверяйте конкретный элемент и учитывайте, что водород вообще не является щелочным металлом.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе. Также пригодятся понятия атомного радиуса и энергии ионизации, потому что они объясняют изменение активности.

Эти закономерности используются при изучении реакций металлов с водой и кислородом, а также свойств щелочей и солей щелочных металлов. По положению элемента можно заранее предположить заряд его иона и характер реакции.

Тема связана с общими законами изменения свойств элементов в периодах и группах. IA-группа особенно наглядно показывает, как увеличение числа электронных слоёв ослабляет удерживание внешнего электрона.

Что запомнить

• У щелочных металлов на внешнем уровне один электрон: ns¹.
• Щелочные металлы образуют катионы с зарядом +1.
• Водород находится в IA-группе, но к щелочным металлам не относится.
• Атомный радиус в группе сверху вниз увеличивается.
• Энергия ионизации в группе сверху вниз в общем случае уменьшается.
• Химическая активность щелочных металлов усиливается сверху вниз.
• Щелочные металлы — сильные восстановители и требуют осторожного обращения.