§ 26. Щелочные и щелочноземельные металлы

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы периодической системы, кроме водорода. К ним относятся, например, литий, натрий и калий; в соединениях они обычно имеют степень окисления +1. По положению элемента в таблице можно предсказать, сколько электронов его атом отдаёт в реакциях.

Щелочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы. Их характерная степень окисления в соединениях — +2, но активность разных элементов заметно различается: бериллий и магний реагируют не так, как кальций и металлы ниже него. Это определение помогает правильно записывать формулы соединений и сравнивать поведение элементов.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. Например, гидроксид натрия NaOH является щёлочью; при реакции щелочного металла с водой образуются гидроксид металла и водород. Понятие щёлочи позволяет отличить продукт этой реакции от оксида.

Как это устроено

Положение элемента в группе связано с устройством его атома: у щелочных металлов на внешнем уровне один электрон, а у щелочноземельных — два. В химической реакции атом может отдать внешний электрон или оба электрона, потому что так образуется более устойчивый положительный ион. Поэтому для этих металлов характерны степени окисления +1 и +2 соответственно.

Щелочные металлы очень активны, поскольку их единственный внешний электрон сравнительно легко отделяется от атома. При движении сверху вниз по группе внешний электрон находится дальше от ядра и слабее притягивается им, поэтому его легче отдать. Именно поэтому активность щелочных металлов в целом возрастает сверху вниз, а в природе они обычно входят в состав соединений, а не существуют свободными.

Щелочные металлы мягкие, их можно резать ножом, а плотность у многих из них сравнительно низкая. Эти свойства связаны с особенностями металлической связи и строения вещества, но не означают, что металл безопасен: свежий срез быстро реагирует с воздухом и влагой. Поэтому металлы хранят под слоем керосина или масла, которые отделяют их от окружающей среды.

При взаимодействии щелочного металла с водой образуются гидроксид и водород, например: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Щелочноземельные металлы ведут себя неодинаково: бериллий с водой не реагирует, магний реагирует слабо, а кальций и более активные металлы — заметнее. Это связано с различиями в способности атомов отдавать электроны; в целом активность группы возрастает сверху вниз.

С кислородом металлы образуют оксиды, а с галогенами — соли. Например, кальций реагирует с кислородом по уравнению 2Ca + O₂ → 2CaO, а с хлором — Ca + Cl₂ → CaCl₂. Формулу продукта нужно составлять с учётом типичной степени окисления металла и галогена, а затем проверять число атомов и расставлять коэффициенты.

Сравнение щелочных и щелочноземельных металлов

Сначала сравни положение элементов и число внешних электронов: это помогает определить типичные степени окисления. Затем по строкам о воде и активности проверь, можно ли переносить свойства одного металла на всю группу. Таблица также подсказывает, какие продукты ожидать, но формулы конкретных веществ нужно составлять с учётом валентности.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции натрия с водой и назовите образующиеся вещества. Начните с общей схемы: металл + вода → щёлочь + водород. Затем проверьте, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Записываем формулы веществ: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. Чтобы уравнять водород и натрий, ставим коэффициенты: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
3. Проверяем: по обе стороны два атома Na, четыре атома H и два атома O.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; образуются гидроксид натрия (щёлочь) и водород.

Задача 2. Составьте уравнения реакций кальция с кислородом и хлором. У кальция типичная степень окисления +2, у кислорода и хлора в соединениях — −2 и −1. Поэтому продукты имеют формулы CaO и CaCl₂, после чего остаётся уравнять реакции.

1. С кислородом: Ca + O₂ → CaO. Ставим коэффициенты: 2Ca + O₂ → 2CaO.
2. С хлором: Ca + Cl₂ → CaCl₂. Число атомов кальция и хлора уже совпадает с обеих сторон.
3. Проверяем балансы: в первом уравнении по два атома Ca и O, во втором — один Ca и два Cl.

Ответ: 2Ca + O₂ → 2CaO; Ca + Cl₂ → CaCl₂.

Задача 3. При взаимодействии 4,6 г натрия с избытком воды найдите объём водорода при н. у. Сначала вычислите количество натрия, а затем используйте соотношение веществ из уравнения реакции. При н. у. один моль газа занимает 22,4 л.

1. Уравнение реакции: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Молярная масса натрия M(Na) = 23 г/моль, поэтому n(Na) = 4,6 / 23 = 0,2 моль.
2. По коэффициентам два моля Na дают один моль H₂, значит n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
3. Вычисляем объём: V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л. Вода взята в избытке, поэтому натрий полностью прореагирует.

Ответ: объём водорода при н. у. равен 2,24 л.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы II группы одинаково реагируют с водой. Так думают, перенося свойства кальция на всю группу, но бериллий с водой не реагирует, а магний взаимодействует с ней слабо. Проверь себя: уточни, какой именно металл назван в условии, и только затем выбирай реакцию.

Ошибка: записывать оксид щелочного металла как продукт обычной реакции с водой. Её допускают, путая реакцию с водой с реакцией металла с кислородом; с водой образуются гидроксид и водород. Проверка проста: запиши схему «металл + вода → гидроксид + водород» и уравняй её.

Ошибка: составлять формулу соли, не учитывая степень окисления металла. Например, запись CaCl неверна, потому что ион кальция имеет заряд +2, а ион хлора — −1; для баланса нужны два атома хлора. Проверяй, чтобы суммарные положительный и отрицательный заряды формульной единицы были равны нулю.

Ошибка: считать, что активность металлов уменьшается сверху вниз по группе, как это происходит с некоторыми неметаллическими свойствами. Такое сравнение смешивает разные тенденции: рассматриваемые металлы в целом становятся активнее вниз по группе. Чтобы проверить вывод, вспомни, как меняется способность атома отдавать внешний электрон при увеличении числа электронных слоёв.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств металлов нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе: по ним определяют число внешних электронов. Составление уравнений опирается на понятия оксидов, оснований, кислот и солей, а также на умение расставлять коэффициенты. Эти знания пригодятся дальше при изучении свойств металлов, щелочей и солей, а также при сравнении химических свойств элементов по группам.

Что запомнить

• Щелочные металлы находятся в главной подгруппе I группы, щелочноземельные — в главной подгруппе II группы.
• Атомы щелочных металлов обычно отдают один внешний электрон, а щелочноземельных — два.
• Типичные степени окисления этих металлов в соединениях — +1 и +2 соответственно.
• При реакции щелочного металла с водой образуются щёлочь и водород.
• Активность металлов обеих групп в целом возрастает сверху вниз.
• Щелочные металлы хранят так, чтобы исключить контакт с воздухом и влагой.