"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Щелочные металлы — элементы первой группы периодической таблицы: литий, натрий, калий и другие. На внешнем уровне их атомы имеют по одному электрону, поэтому металлы легко его отдают и образуют ионы с зарядом +1. Этим объясняются их высокая химическая активность и сходство свойств. В природе щелочные металлы встречаются только в составе соединений, а сами металлы получают электролизом. Натрий и калий нужны живым организмам, а их соединения широко применяют в быту и промышленности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Щелочные металлы — элементы первой группы периодической таблицы: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Их называют щелочными, потому что при взаимодействии с водой образуются растворимые основания — щёлочи. Название помогает узнать общее свойство этой группы, но не означает, что металлы можно безопасно пробовать или трогать.
Внешний электронный слой — самый удалённый от ядра слой, в котором находятся электроны атома. У атомов щелочных металлов на нём один электрон, поэтому в реакциях они обычно отдают его и превращаются в положительно заряженные ионы M⁺. Обозначение M используют вместо символа любого металла этой группы; оно упрощает запись общих уравнений реакций.
Щёлочь — растворимое в воде основание, например гидроксид натрия NaOH. При растворении такие вещества образуют в растворе гидроксид-ионы OH⁻, поэтому раствор обладает характерными свойствами щелочной среды. Это понятие нужно, чтобы отличать продукты реакций металлов с водой от самих металлов и от нерастворимых оснований.
Электролиз расплава — разложение расплавленного вещества под действием электрического тока. Так получают щелочные металлы из их соединений: в расплаве ионы могут перемещаться к электродам, где превращаются в нейтральные частицы. Способ важен потому, что из водных растворов металл выделить нельзя: он сразу вступил бы в реакцию с водой.
Сходство щелочных металлов объясняется строением их атомов. Один электрон на внешнем уровне сравнительно легко покидает атом, и тот превращается в ион с зарядом +1. Поэтому для элементов группы характерны степень окисления +1 в соединениях и реакции, в которых металл выступает восстановителем, то есть отдаёт электроны другим частицам.
Вниз по группе электронные оболочки добавляются, а размер атома увеличивается. Внешний электрон оказывается дальше от положительно заряженного ядра и сильнее экранируется внутренними электронами, поэтому ядро удерживает его слабее. В результате электрон легче отдать и химическая активность металлов в общем случае возрастает от лития к цезию.
Свежий срез щелочного металла блестит, но на воздухе быстро тускнеет. Это происходит потому, что поверхность реагирует с кислородом и влагой, образуя соединения; скорость и продукты реакции зависят от конкретного металла. По той же причине металлы хранят под слоем керосина: он отделяет их от воздуха и воды.
При взаимодействии с водой щелочной металл вытесняет водород и образует гидроксид. Общее уравнение реакции: 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑. В ходе реакции выделяется тепло, а образовавшийся водород может воспламениться; с более активными металлами реакция идёт особенно бурно, поэтому её нельзя проводить самостоятельно.
С кислородом металлы также реагируют, но состав продукта зависит от металла и условий. Для натрия можно записать образование оксида: 4Na + O₂ → 2Na₂O. Для калия при взаимодействии с кислородом характерны также более сложные продукты, например пероксид или супероксид, поэтому нельзя считать, что все представители группы всегда образуют только оксиды.
Высокая активность объясняет, почему щелочные металлы не сохраняются в природе в свободном состоянии. Они входят в состав солей и минералов, а их получение требует отделить ион металла от других частиц. Электролиз расплава решает эту задачу без воды, которая иначе прореагировала бы с выделившимся металлом.
| Металл | Символ | Изменение свойств в группе | Пример особенности |
|---|---|---|---|
| Литий | Li | Наименее активен среди перечисленных | Самый лёгкий металл |
| Натрий | Na | Активнее лития | При реакции с водой образует NaOH и H₂ |
| Калий | K | Активнее натрия | При взаимодействии с кислородом возможны сложные оксиды |
| Цезий | Cs | Очень высокая активность | Реакции требуют особой осторожности |
Таблица помогает сравнить представителей одной группы и увидеть общую тенденцию: при движении вниз обычно растёт активность. При этом отдельные физические свойства и продукты реакций нужно проверять для конкретного металла, а не переносить автоматически на всю группу. Символ элемента пригодится при составлении уравнений и расчётах.
Задача. При взаимодействии 4,6 г натрия с избытком воды определить, какой объём водорода выделится при нормальных условиях. Сначала нужно выяснить, сколько вещества натрия вступило в реакцию, а затем использовать коэффициенты уравнения. Избыток воды означает, что натрий полностью прореагирует и именно его количество ограничивает количество продукта.
Запишем уравнение реакции: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Коэффициенты показывают, что из двух моль натрия образуется один моль водорода. Это соотношение задаёт ход расчёта.
Найдём количество натрия по формуле n = m / M. Молярная масса натрия M(Na) = 23 г/моль, поэтому n(Na) = 4,6 г / 23 г/моль = 0,2 моль. Единицы массы сокращаются, остаётся количество вещества в молях.
Используем соотношение коэффициентов: n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль. Делить нужно на два, потому что на одну молекулу H₂ по уравнению расходуются два атома натрия, то есть два моль Na дают один моль H₂.
При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(H₂) = n × Vₘ = 0,1 моль × 22,4 л/моль = 2,24 л. Проверка по уравнению подтверждает, что количество водорода вдвое меньше количества натрия.
Ответ: выделится 2,24 л водорода при нормальных условиях. Здесь важно не путать массу натрия с количеством вещества и учитывать коэффициенты реакции до вычисления объёма газа. Если бы вода не была дана в избытке, пришлось бы сначала определить, какое из веществ израсходуется полностью.
Ошибка: считать, что щелочные металлы имеют заряд +1 уже в виде простого вещества. Её допускают, смешивая атом металла и его ион: простое вещество Na состоит из нейтральных атомов, а Na⁺ — это частица после отдачи электрона. Проверь себя: у нейтрального атома число протонов равно числу электронов, а запись + указывает на заряд иона.
Ошибка: записывать для любой реакции металла с водой один и тот же результат без уравнивания. Из-за знакомого общего правила забывают проверить число атомов каждого элемента. Сначала запиши продукты и расставь коэффициенты, а затем пересчитай атомы слева и справа; для щелочного металла и воды подходит схема 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂.
Ошибка: объяснять рост активности вниз по группе только тем, что атом становится больше. Размер сам по себе не объясняет химическое поведение: нужно связать его с удержанием внешнего электрона. Проверь рассуждение: дальше от ядра и сильнее экранированный электрон легче отдать, поэтому активность возрастает.
Ошибка: считать, что все щелочные металлы при реакции с кислородом дают только оксиды. Так обобщают знакомый пример натрия, не учитывая различия в свойствах элементов и условиях. Чтобы избежать ошибки, уточняй металл и условия реакции, а формулу продукта проверяй по конкретному уравнению.
Строение атома объясняет, почему щелочные металлы отдают внешний электрон и образуют катионы. Периодический закон помогает проследить изменение радиуса и активности сверху вниз по группе. Связь с темой «Основания» видна в образовании гидроксидов при реакции с водой, а расчёты опираются на количество вещества, молярную массу и коэффициенты химического уравнения.
Почему щелочные металлы хранят под слоем керосина?
На воздухе они быстро реагируют с кислородом и влагой, а некоторые — и с другими веществами. Керосин изолирует металл от воздуха и воды, не вступая с ним в реакцию.
Почему щелочные металлы не встречаются в природе в свободном виде?
У их атомов один внешний электрон, который легко отдаётся при химических реакциях. Поэтому металлы быстро образуют соединения с другими элементами и сохраняются в природе в связанном виде.
Как меняется активность щелочных металлов сверху вниз?
В группе сверху вниз химическая активность возрастает. Внешний электрон находится всё дальше от ядра и слабее притягивается к нему, поэтому его легче отдать.
§ 43. Щелочные металлы
