§ 20. Металлы IА- и IIА-групп

Определения и обозначения

Металлы IА-группы — элементы с внешней электронной конфигурацией ns¹, обычно образующие ионы M⁺. Обозначение ns¹ показывает, что на внешнем уровне один электрон, который атом сравнительно легко отдаёт. Это помогает предсказывать типичные формулы соединений, например NaCl и Na₂O.

Металлы IIА-группы — элементы с внешней конфигурацией ns², обычно образующие ионы M²⁺. Их атомы отдают два внешних электрона, поэтому заряд катиона обычно равен +2. Зная его, можно составить формулы соединений, например MgCl₂ и CaO.

Щелочные металлы — Li, Na, K, Rb, Cs и Fr; их оксиды и гидроксиды проявляют основные свойства. При взаимодействии гидроксидов с кислотами образуются соль и вода, а растворимые гидроксиды создают щелочную среду. Водород расположен в той же группе, но к щелочным металлам не относится.

Щелочноземельными металлами обычно называют Ca, Sr, Ba и Ra; их соединения образуют щелочные или малорастворимые основания. Так, Ca(OH)₂ малорастворим, а гидроксиды более тяжёлых элементов группы растворяются лучше. Название напоминает об историческом выделении этих металлов из природных минералов, называвшихся землями.

Как это устроено

Число электронов внешнего уровня задаёт типичное поведение атома в реакции. Атом с конфигурацией ns¹ теряет один электрон и получает устойчивый положительный заряд +1; атом ns² обычно теряет оба внешних электрона и становится M²⁺. Поэтому для металлов этих групп характерны степени окисления соответственно +1 и +2, хотя конкретные соединения и условия тоже нужно учитывать.

Вниз по группе каждый следующий элемент имеет дополнительный электронный слой. Внешний электрон располагается дальше от ядра, а внутренние электроны частично ослабляют притяжение ядра к нему; в результате атомный радиус увеличивается. Отдать внешний электрон становится легче, поэтому энергия ионизации в целом уменьшается; электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны — тоже обычно снижается.

Металл, отдавая электроны, выступает восстановителем: он сам окисляется, а другое вещество восстанавливается. Поскольку внешний электрон вниз по группе удерживается слабее, восстановительная активность обычно растёт. Литий — исключение при сравнении по стандартным электродным потенциалам в воде: его очень малая частица сильно гидратируется, и этот эффект делает Li особенно сильным восстановителем; бериллий, напротив, удерживает электроны крепче и заметно менее активен.

В металлической решётке положительные частицы связаны с общими подвижными электронами, которые могут перемещаться по всему кристаллу. Эти электроны обеспечивают высокую электропроводность щелочных металлов. Связь в их решётке сравнительно слабая: атомы легко смещаются, поэтому металлы мягкие, а температуры плавления у них обычно невысокие, особенно по сравнению со многими другими металлами.

С водой щелочные металлы дают гидроксид и водород, например 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; кальций образует Ca(OH)₂ и H₂. С кислородом возможны оксиды, пероксиды или супероксиды: состав зависит от размера катиона и условий, поэтому натрий при горении обычно даёт Na₂O₂, а кальций — CaO. С галогенами металлы образуют соли: NaCl и CaCl₂; формулы определяются зарядами катионов +1 или +2 и анионов −1.

Сравнение металлов IА- и IIА-групп

Сначала сравнивай элементы по столбцу «Свойство», а затем проверяй, как положение в группе влияет на эту характеристику. Таблица показывает общие тенденции, а не заменяет сведения о конкретном металле: особенно заметны исключения у лития и бериллия. При составлении формул ориентируйся на типичный заряд катиона, а не только на сходство названий групп.

Разбор задач

Задача 1. Расположить Li, Na, K и Mg по возрастанию восстановительной активности и объяснить порядок. Сравниваем сначала элементы одной группы: вниз от Li к Na и K радиус растёт, а внешний электрон отдать легче. Магний расположен во IIА-группе и обычно уступает щелочным металлам того же периода по активности.

1. Восстановитель отдаёт электроны, значит, чем легче металл их теряет, тем он активнее как восстановитель.
2. Для школьного сравнения по общей тенденции получаем порядок Mg, Li, Na, K: магний менее активен, а активность щелочных металлов возрастает вниз группы.
3. Уточнение: при строгом сравнении в водных растворах по стандартным потенциалам литий оказывается сильнее натрия и калия из-за гидратации Li⁺. Поэтому при ответе важно следовать критерию сравнения, указанному в условии.

Ответ: по общему ряду активности — Mg < Li < Na < K; для стандартной восстановительной способности в воде положение лития требует оговорки.

Задача 2. Составить уравнения реакций натрия и кальция с водой, кислородом и хлором, указав продукты и условия. Натрий образует Na⁺, кальций — Ca²⁺, поэтому сначала выбираем формулы продуктов с учётом заряда. Для воды учитываем образование гидроксида и выделение водорода, для хлора — хлоридов.

1. С водой: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; кальций реагирует с холодной водой: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.
2. С кислородом при горении: 2Na + O₂ → Na₂O₂; натрий обычно образует пероксид. Кальций при горении даёт оксид: 2Ca + O₂ → 2CaO.
3. С хлором при взаимодействии металлов с газом: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; Ca + Cl₂ → CaCl₂. Коэффициенты проверяем по числу атомов каждого элемента.

Ответ: продукты — NaOH, Ca(OH)₂, Na₂O₂, CaO, NaCl и CaCl₂. Реакции с кислородом и хлором проводят при непосредственном контакте, при необходимости нагревая металл; натрий с водой реагирует уже при обычных условиях.

Задача 3. Смесь натрия и кальция массой 4,6 г полностью прореагировала с водой, выделив 2,24 л H₂ при н. у. Найти массы металлов. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль, поэтому количество водорода можно найти из объёма. Затем связываем количества Na и Ca с массой смеси и количеством выделившегося газа.

1. n(H₂) = 2,24 / 22,4 = 0,10 моль. Обозначим количества Na и Ca через x и y моль.
2. Из уравнений реакций следует, что 2 моль Na дают 1 моль H₂, а 1 моль Ca — 1 моль H₂. Поэтому 0,5x + y = 0,10.
3. Уравнение по массе: 23x + 40y = 4,6. Из первого уравнения x = 0,20 − 2y; подстановка во второе даёт 4,6 − 6y = 4,6, откуда y = 0 и x = 0,20.

Ответ: m(Na) = 4,6 г, m(Ca) = 0 г. Полученные данные соответствуют чистому натрию, а не смеси двух металлов; значит, условие о смеси противоречит указанным числам, если оба металла должны присутствовать.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все элементы IА-группы щелочными металлами. Так делают, опираясь только на положение в таблице, но водород — неметалл и имеет газообразное простое вещество. Проверка: в перечне щелочных металлов должны быть Li, Na, K, Rb, Cs и Fr, без водорода.

Ошибка: приписывать металлам IIА-группы степень окисления +1. Это механическое перенесение свойства IА-группы, хотя у атомов IIА-группы два внешних электрона. Проверяй конфигурацию ns² и заряд катиона M²⁺, а затем подбирай индексы в формуле соединения.

Ошибка: утверждать, что металлы становятся менее активными вниз группы, потому что уменьшается энергия ионизации. Здесь путают энергетическую характеристику с лёгкостью отдачи электрона: меньшая энергия ионизации обычно означает более лёгкое образование катиона. Чтобы проверить вывод, свяжи радиус и удерживание внешнего электрона: радиус вниз группы растёт, а восстановительная активность в целом усиливается.

Ошибка: записывать одинаковую реакцию с водой для всех металлов IIА-группы. Бериллий с водой практически не реагирует из-за защитной оксидной плёнки, кальций реагирует с холодной водой, а для некоторых металлов нужны более жёсткие условия; кроме того, гидроксиды различаются по растворимости. Проверяй активность конкретного металла и условия, не выводи скорость реакции только из общей формулы M(OH)₂.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома, электронные конфигурации и периодический закон: они объясняют, почему элементы отдают один или два электрона. Степени окисления и окислительно-восстановительные реакции помогают определять, кто окисляется и какие продукты образуются. Металлическая связь объясняет свойства простых веществ, а электрохимический ряд напряжений — сравнение активности. Эти знания пригодятся при изучении оснований, электролиза расплавов, получения металлов и качественных реакций на ионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Ba²⁺.

Что запомнить

• Металлы IА-группы имеют внешнюю конфигурацию ns¹ и обычно образуют ионы M⁺.
• Металлы IIА-группы имеют внешнюю конфигурацию ns² и обычно образуют ионы M²⁺.
• Восстановительная активность металлов в обеих группах в целом возрастает сверху вниз.
• Щелочные металлы мягкие и очень активно реагируют с водой.
• Активность металлов IIА-группы обычно ниже, чем активность металлов IА-группы соответствующего периода.
• Основные свойства оксидов и гидроксидов в группах в целом усиливаются сверху вниз.
• При составлении уравнений учитывай типичный заряд катиона и активность конкретного металла.