"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Металлы IА- и IIА-групп образуют оксиды, гидроксиды и соли, свойства которых связаны с зарядом иона металла и его положением в группе. Важно отличать обычные оксиды от пероксидов и супероксидов: при реакции щелочных металлов с кислородом возникают разные продукты. По ряду свойств заметна закономерность: вниз по группе меняются растворимость и сила оснований, а карбонаты становятся термически устойчивее. Эти правила помогают предсказывать формулы и продукты реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид металла — соединение металла с кислородом, в обычном оксиде кислород имеет степень окисления −2. Оксиды металлов IА- и IIА-групп чаще всего проявляют основные свойства: реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Это понятие помогает отличать их от пероксидов и предсказывать характерные реакции.
Пероксид — соединение, в котором содержится группа O₂²⁻ с ковалентной связью между атомами кислорода. В отличие от обычного оксида, пероксид содержит не отдельные ионы O²⁻, а кислородную группу; степень окисления каждого атома O в ней равна −1. Такое различие нужно учитывать при записи формул и уравнений реакций.
Супероксид содержит группу O₂⁻, в которой средняя степень окисления кислорода равна −½. Такие соединения характерны прежде всего для тяжёлых щелочных металлов, например калия и рубидия. Понятие позволяет понять, почему один и тот же металл может образовывать не только обычный оксид.
Гидроксид металла — соединение катиона металла с гидроксид-ионами OH⁻. Обычно гидроксиды металлов IА- и IIА-групп проявляют основные свойства, но растворимость и сила оснований меняются при движении вниз по группе. Учет положения металла помогает сравнивать вещества и предсказывать их поведение в растворе.
Заряд катиона определяет, сколько анионов нужно для электрической нейтральности формулы. Металл IА-группы образует ион M⁺, поэтому с O²⁻ получается M₂O, а с OH⁻ — MOH. Ион металла IIА-группы имеет заряд 2+, поэтому его обычный оксид имеет формулу MO, а гидроксид — M(OH)₂. Скобки в последней формуле показывают, что к одному катиону присоединены два гидроксид-иона.
Продукт реакции щелочного металла с кислородом зависит не только от его заряда, но и от размера катиона и устойчивости кислородных частиц. Литий обычно образует оксид Li₂O, натрий — пероксид Na₂O₂, а калий и более тяжёлые щелочные металлы преимущественно дают супероксиды. Поэтому нельзя составлять уравнение, просто подставив формулу обычного оксида для любого щелочного металла. В задачах нужно сначала определить металл и характерный продукт его реакции с кислородом.
Оксиды основных свойств нейтрализуют кислоты: продуктами становятся соль и вода. Некоторые из них реагируют также с водой, образуя соответствующий гидроксид, например Na₂O + H₂O → 2NaOH. Оксиды кальция, стронция и бария тоже дают гидроксиды с водой, тогда как MgO реагирует медленно, а BeO с водой не реагирует. Реакционная способность связана с природой оксида и металла, поэтому правило об образовании основания нельзя без оговорок применять ко всем оксидам группы.
Гидроксиды IА-группы, кроме литиевого в отдельных оценках растворимости, хорошо растворимы в воде. У гидроксидов IIА-группы растворимость в целом увеличивается сверху вниз: Mg(OH)₂ малорастворим, а Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ и Ba(OH)₂ растворяются лучше. Одновременно основные свойства гидроксидов IIА-группы в целом усиливаются вниз по группе. Это объясняется тем, что при увеличении размера атома связь металла с гидроксид-ионами становится более ионной, а гидроксид-ионы легче переходят в раствор.
При нагревании карбонаты металлов IIА-группы распадаются на оксид и углекислый газ: MCO₃ → MO + CO₂. Вниз по группе устойчивость карбонатов возрастает, поскольку крупный катион слабее поляризует карбонат-ион и меньше способствует его распаду. Карбонаты щелочных металлов, кроме Li₂CO₃, обычно термически устойчивы. Карбонат лития разлагается при нагревании по причине малого размера Li⁺, который сильнее воздействует на анион CO₃²⁻.
| Признак | Соединения металлов IА-группы | Соединения металлов IIА-группы |
|---|---|---|
| Типичные формулы оксидов и гидроксидов | M₂O; MOH | MO; M(OH)₂ |
| Продукты взаимодействия с кислородом | Li — оксид; Na — пероксид; тяжёлые металлы — супероксиды | В основном оксиды MO |
| Взаимодействие оксидов с водой | Оксиды дают гидроксиды | CaO, SrO, BaO дают гидроксиды; MgO реагирует медленно, BeO не реагирует |
| Растворимость гидроксидов и её изменение вниз по группе | В целом высокая; у LiOH ниже, чем у остальных | В целом возрастает вниз по группе |
| Основные свойства гидроксидов и их изменение вниз по группе | Выражены; у щелочей сильные | В целом усиливаются; Be(OH)₂ амфотерен |
| Термическое разложение карбонатов | Li₂CO₃ разлагается; остальные обычно устойчивы | Разлагаются на оксид и CO₂; устойчивость растёт вниз по группе |
Сначала по заряду катиона проверьте типичную формулу, а затем учитывайте исключения, связанные с природой конкретного металла. Таблица помогает сравнить тенденции, но слова «в целом» означают, что для точного ответа нужно помнить оговорки. При решении задач отдельно проверяйте, идёт ли реакция с водой и какой продукт ожидается.
Условие. Запишите уравнение реакции оксида натрия с водой и назовите образующееся вещество. Оксид натрия — основной оксид металла IА-группы. Поэтому при взаимодействии с водой он образует соответствующий гидроксид натрия.
Ответ. Na₂O + H₂O → 2NaOH; образуется гидроксид натрия.
Условие. Составьте уравнения реакций гидроксида кальция с соляной кислотой и углекислым газом. В первом случае основание нейтрализует кислоту, а во втором взаимодействует с кислотным оксидом. В обоих случаях нужно проверить, что уравнены все атомы и заряды ионов в формулах продуктов.
Ответ. Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O; Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
Условие. При нагревании карбоната металла IIА-группы выделилось 4,48 л CO₂ при н. у. Найдите количество исходного карбоната и запишите реакцию. Для таких карбонатов справедливо соотношение MCO₃ → MO + CO₂: один моль соли даёт один моль газа. Молярный объём газа при н. у. равен 22,4 л/моль.
Ответ. n(MCO₃) = 0,20 моль; MCO₃ → MO + CO₂↑.
Ошибка — считать, что все щелочные металлы дают с кислородом только оксиды. Так часто рассуждают по общей формуле M₂O, забывая, что продукты взаимодействия зависят от металла и условий. Перед записью реакции уточните, какой металл реагирует: Li обычно даёт оксид, Na — пероксид, тяжёлые щелочные металлы — супероксиды.
Оксид, пероксид и супероксид иногда смешивают, потому что во всех этих веществах есть кислород. Но в них разные анионы: O²⁻, O₂²⁻ и O₂⁻ соответственно, а значит, различаются и степени окисления кислорода. Проверьте формулу кислородной частицы и заряд катиона: сумма зарядов должна быть равна нулю.
Неверно считать, что гидроксиды IIА-группы растворяются одинаково. Обобщённое правило иногда запоминают без сравнения конкретных элементов, хотя растворимость в целом растёт вниз по группе. Для самопроверки расположите металлы по порядку Mg, Ca, Sr, Ba и сопоставьте растворимость гидроксидов; помните, что у Be(OH)₂ есть и отличие по свойствам.
Нельзя переносить правило об устойчивости карбонатов щелочных металлов на Li₂CO₃. Исключение легко упустить, если запомнить только общую тенденцию для Na₂CO₃ и более тяжёлых карбонатов. Проверяйте, какой катион указан в условии: карбонат лития при нагревании разлагается на Li₂O и CO₂, а карбонаты остальных щелочных металлов обычно устойчивы.
Для этой темы нужны знания о строении атома и периодическом законе: они помогают понять заряд ионов и изменение свойств элементов в группе. Также пригодятся понятия валентности, степени окисления и состава ионных соединений, а из химических свойств — реакции кислот, оснований и оксидов. Эти знания позволяют записывать формулы и уравнения без нарушения баланса зарядов и атомов. Позже они помогут разбирать качественные реакции на ионы, свойства солей и расчёты по уравнениям реакций.
Почему натрий образует пероксид, а калий — супероксид?
При взаимодействии с кислородом натрий преимущественно образует пероксид Na₂O₂, а калий — супероксид KO₂. С увеличением размера катиона тяжёлого щелочного металла становится устойчивее соединение с более крупным кислородным анионом O₂⁻.
Чем пероксид отличается от обычного оксида?
В обычном оксиде кислород входит в состав аниона O²⁻, где степень окисления каждого атома равна −2. В пероксиде есть группа O₂²⁻ с связью между атомами кислорода; степень окисления каждого из них равна −1.
Как меняются свойства гидроксидов металлов IIА-группы сверху вниз?
В целом вниз по группе гидроксиды становятся более растворимыми, а их основные свойства усиливаются. Гидроксид бериллия — исключение по характеру: он амфотерный, то есть реагирует и с кислотами, и со щелочами.
Почему карбонат лития разлагается при нагревании, а карбонаты остальных щелочных металлов обычно устойчивы?
Маленький ион Li⁺ сильнее воздействует на карбонат-ион и облегчает распад Li₂CO₃ на оксид и углекислый газ. У более крупных катионов щелочных металлов такое воздействие слабее, поэтому их карбонаты обычно выдерживают нагревание без разложения.
Какие продукты образуются при реакции основных оксидов с водой?
При взаимодействии растворимых основных оксидов щелочных металлов с водой образуются гидроксиды, например Na₂O + H₂O → 2NaOH. Оксиды кальция, стронция и бария также реагируют с водой с образованием гидроксидов, а MgO реагирует медленно и ограниченно; BeO с водой не реагирует.
20.3. Свойства соединений металлов IА- и IIА-групп
