"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Щелочные металлы — элементы первой группы периодической системы, кроме водорода: литий, натрий, калий и другие. Их атомы имеют один электрон на внешнем уровне и легко его отдают, поэтому в соединениях обычно образуют катионы +1 и выступают восстановителями. Сверху вниз по группе радиус атома и химическая активность увеличиваются. Высокая активность определяет свойства металлов, их хранение и нахождение в природе только в составе соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Щелочные металлы — элементы первой группы главной подгруппы периодической системы, кроме водорода. К ним относят литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Такое название связано с тем, что их гидроксиды растворяются в воде и образуют щёлочи.
Щёлочь — растворимое в воде основание, то есть вещество, содержащее гидроксид-ионы в водном растворе. Гидроксиды щелочных металлов, например NaOH и KOH, относятся к щёлочам. Это понятие помогает отличать простое вещество металл от его сложного соединения — гидроксида.
Восстановитель — частица, отдающая электроны другой частице в окислительно-восстановительной реакции. Атом щелочного металла легко отдаёт единственный внешний электрон, поэтому выступает восстановителем. После отдачи электрона он превращается в положительно заряженный ион.
Положение щелочных металлов в первой группе объясняется строением их атомов: на внешнем энергетическом уровне находится один электрон. Общая схема внешнего уровня — ns1, где n обозначает номер периода. Число внешних электронов определяет сходство элементов группы, потому что именно они участвуют в образовании связей и химических реакциях.
Внешний электрон щелочного металла сравнительно легко удаляется из атома. После его отдачи образуется катион M+, а атом приобретает более устойчивую электронную конфигурацию предыдущего уровня. Поэтому в соединениях для лития, натрия, калия и других щелочных металлов характерна степень окисления +1, а не набор обычных степеней окисления.
При движении сверху вниз по группе добавляются новые электронные слои, поэтому радиус атома увеличивается. Внешний электрон оказывается дальше от ядра и сильнее экранируется внутренними электронами. Притяжение к ядру ослабевает, электрон легче отдать, и химическая активность возрастает в ряду Li < Na < K < Rb < Cs.
Все щелочные металлы проявляют металлические свойства: проводят электрический ток, имеют металлический блеск и образуют положительные ионы. При этом они мягкие, поэтому их можно резать ножом, а температуры плавления у них сравнительно низкие. В целом при движении вниз по группе твёрдость и температуры плавления изменяются, причём калий мягче лития и плавится при более низкой температуре.
Лёгкая отдача электрона делает щелочные металлы очень активными веществами. Они реагируют с кислородом воздуха, а при контакте с водой образуют гидроксиды и водород, поэтому в природе не сохраняются в свободном виде. Хранение под слоем масла изолирует металл от воздуха и влаги и замедляет опасные реакции.
| Характеристика | Литий | Натрий | Калий | Изменение сверху вниз по группе |
|---|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | 2-й период, 1-я группа | 3-й период, 1-я группа | 4-й период, 1-я группа | Номер периода увеличивается |
| Число электронов на внешнем уровне | 1 | 1 | 1 | Не изменяется |
| Типичный заряд иона и степень окисления | Li+, +1 | Na+, +1 | K+, +1 | Характерное значение остаётся +1 |
| Относительная химическая активность | Ниже, чем у Na и K | Выше, чем у Li, ниже, чем у K | Выше, чем у Li и Na | Возрастает |
| Твёрдость и температура плавления | Мягкий металл, температура плавления выше, чем у Na и K | Мягкий металл, плавится легче Li | Очень мягкий металл, температура плавления ниже, чем у Li и Na | В целом мягкость увеличивается, температуры плавления снижаются |
| Хранение и нахождение в природе | Под маслом; только в соединениях | Под маслом; только в соединениях | Под маслом; только в соединениях | Из-за активности свободные металлы не встречаются |
Таблица позволяет одновременно сравнить постоянные признаки группы и закономерности их изменения. Сначала найдите строку, связанную с вопросом, а затем сопоставьте значения для Li, Na и K. Особенно важно отличать неизменное число внешних электронов от изменяющихся радиуса и активности.
Запишите электронную конфигурацию внешнего уровня атома натрия и укажите заряд наиболее характерного иона. Нужно использовать положение натрия в третьем периоде и первой группе. Затем связать число внешних электронов с его отдачей.
Ответ: внешняя конфигурация натрия — 3s1; наиболее характерный ион имеет заряд +1: Na+.
Сравните химическую активность лития, натрия и калия и расположите металлы в порядке её возрастания. Нужно не просто перечислить элементы, а объяснить причину различия. Для этого сравним расстояние внешнего электрона от ядра.
Ответ: химическая активность возрастает в порядке Li < Na < K.
Составьте уравнения реакций калия с водой и кислородом, определите продукты и объясните хранение металла под слоем масла. Калий переходит в степень окисления +1, поэтому в продуктах появляются KOH и соединение калия с положительным ионом K+. При взаимодействии с кислородом для калия характерно образование супероксида KO2.
Ответ: продукты реакций — гидроксид калия и водород, а также супероксид калия; калий хранят под маслом из-за его высокой активности.
Водород считают щелочным металлом. Его помещают в первую группу из-за одного электрона, но по свойствам он неметалл и не образует типичный ряд свойств Li, Na, K. Проверка: учитывайте не только положение элемента, но и его простое вещество.
Щелочным металлам приписывают несколько обычных степеней окисления. Ошибка возникает из-за сравнения с металлами переменной валентности. Проверка проста: в школьных соединениях для щелочных металлов обычно указывают только +1.
Металл путают с щёлочью. Натрий Na — простое вещество, а NaOH — его гидроксид и растворимое основание. Проверяйте состав: металл состоит из атомов одного элемента, а щёлочь содержит группу OH.
Считают, что активность уменьшается вниз по группе. Иногда это путают с уменьшением притяжения внешнего электрона к ядру. На самом деле вниз по группе электрон отдаётся легче, поэтому правильный ряд активности: Li < Na < K.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе. Также важно уметь различать катионы и степени окисления: это объясняет образование ионов M+. Без этих понятий трудно связать положение элемента с его химическими свойствами.
Тема понадобится при изучении ионной связи, оснований и солей. Она также помогает разбирать окислительно-восстановительные реакции, где щелочные металлы выступают восстановителями, и понимать закономерности изменения свойств элементов в группах.
Почему водород не относят к щелочным металлам, хотя он стоит в первой группе?
Водород действительно имеет один электрон, но это неметалл с особыми свойствами. Он образует молекулы H₂ и не проявляет типичных физических и химических свойств щелочных металлов.
Почему щелочные металлы легко отдают электрон?
На внешнем уровне у их атомов находится только один электрон, удалённый от ядра. Отдача этого электрона приводит к устойчивой конфигурации предыдущего энергетического уровня и образованию катиона +1.
Как меняется химическая активность щелочных металлов сверху вниз по группе?
Она возрастает: литий менее активен, чем натрий, а натрий менее активен, чем калий. Радиус атома увеличивается, поэтому притяжение внешнего электрона к ядру ослабевает.
Почему щелочные металлы нельзя хранить на воздухе?
Они быстро реагируют с кислородом и влагой воздуха. Поэтому металлы хранят под слоем масла или в других условиях, исключающих контакт с воздухом и водой.
Чем щелочной металл отличается от его гидроксида?
Щелочной металл — простое вещество, например натрий Na. Его гидроксид — сложное вещество NaOH; растворимые гидроксиды щелочных металлов называют щёлочами.
§ 40. Общая характеристика щелочных металлов
