35. Щелочные металлы и их соединения

Определения и обозначения

Щелочные металлы — элементы первой группы периодической системы, кроме водорода: литий, натрий, калий и другие. Они имеют один внешний электрон, легко его отдают и поэтому проявляют металлические и восстановительные свойства. Это определение помогает предсказать их активность и состав многих соединений.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. К щелочам относятся гидроксиды натрия NaOH и калия KOH: при растворении они образуют растворы с ионами OH⁻. Понятие щёлочи нужно, чтобы отличать растворимые основания от нерастворимых.

Гидроксид натрия NaOH — едкое твёрдое вещество, хорошо растворимое в воде. Он проявляет основные свойства, реагирует с кислотами и некоторыми солями, а также используется для производства мыла, бумаги и химических волокон. Из-за едкости NaOH нельзя брать руками.

Пероксид натрия Na₂O₂ — соединение натрия с кислородом. В отличие от оксида натрия Na₂O, он содержит два атома кислорода на два атома натрия и имеет пероксидную группу. Различие формул означает различие состава и химических свойств.

Как это устроено

На внешнем электронном слое атома щелочного металла находится один электрон. Для получения устойчивой электронной оболочки атому проще отдать его, чем принять несколько недостающих электронов. Поэтому в реакциях металлы образуют положительные ионы M⁺ и обычно имеют степень окисления +1.

Сходное строение внешнего слоя объясняет общие свойства всех щелочных металлов: мягкость, металлический блеск и высокую химическую активность. При движении сверху вниз по группе радиус атома увеличивается, а внешний электрон дальше находится от ядра и слабее с ним связан. Поэтому электрон отдаётся легче, и активность возрастает от лития к натрию и калию.

Щелочные металлы мягкие и лёгкие, но быстро окисляются кислородом и реагируют с влагой. На поверхности натрия или калия поэтому быстро появляются продукты окисления. Хранение под керосином или минеральным маслом изолирует металл от воздуха и воды.

С водой металл вытесняет водород из её состава, а оставшаяся часть образует гидроксид: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. В обоих уравнениях продукты одинаковы по типу, но калий реагирует энергичнее натрия и может воспламенять выделяющийся водород. Реакцию проводят осторожно, потому что выделяются тепло и газ.

При взаимодействии с кислородом натрий обычно образует пероксид: 2Na + O₂ → Na₂O₂. Пероксид натрия с водой даёт щёлочь и кислород: 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑, а с кислотой образует соль, воду и кислород: 2Na₂O₂ + 4HCl → 4NaCl + 2H₂O + O₂↑. Оксид натрия при взаимодействии с водой образует только гидроксид: Na₂O + H₂O → 2NaOH.

Щелочные металлы и важные соединения натрия

В таблице сначала указаны простые вещества, затем распространённые соединения натрия. Сравнивайте не только формулы, но и типичные реакции: они помогают отличить металл, оксид, пероксид, основание и соль.

Разбор задач

Задача 1

Составить уравнение реакции натрия с водой и определить коэффициенты. Продуктами должны быть гидроксид натрия и водород, потому что активный металл вытесняет водород из воды.

1. Записываем схему: Na + H₂O → NaOH + H₂↑.
2. Чтобы получить чётное число атомов водорода, ставим коэффициент 2 перед NaOH и перед H₂.
3. Для образования двух формульных единиц NaOH ставим 2 перед Na и 2 перед H₂O.
4. Проверяем атомы: слева Na₂H₄O₂, справа Na₂H₄O₂.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.

Задача 2

При реакции 4,6 г натрия с избытком воды определить объём водорода при н. у. Дано: m(Na) = 4,6 г, M(Na) = 23 г/моль, Vₘ = 22,4 л/моль.

1. Находим количество натрия: n(Na) = 4,6 : 23 = 0,2 моль.
2. Из уравнения 2Na : 1H₂ следует n(H₂) = 0,2 : 2 = 0,1 моль.
3. Рассчитываем объём: V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода.

Задача 3

К раствору после реакции 7,8 г калия с водой добавили соляную кислоту. Нужно найти массу соли KCl. Сначала образуется KOH, затем он нейтрализуется кислотой.

1. Уравнения: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑; KOH + HCl → KCl + H₂O.
2. n(K) = 7,8 : 39 = 0,2 моль. По первому уравнению n(KOH) = 0,2 моль.
3. По второму уравнению n(KCl) = 0,2 моль.
4. M(KCl) = 39 + 35,5 = 74,5 г/моль; m(KCl) = 0,2 · 74,5 = 14,9 г.

Ответ: образуется 14,9 г хлорида калия.

Типичные ошибки

Ошибка: считать водород щелочным металлом только из-за положения в первой группе. Так делают, потому что ориентируются лишь на номер группы, но свойства водорода неметаллические. Проверка: вспомните, что водород — газ, а щелочные металлы — мягкие твёрдые вещества.

Ошибка: считать, что все щелочные металлы одинаково реагируют с водой. Причина — одинаковое число внешних электронов, хотя радиусы атомов различаются. Проверка: активность возрастает сверху вниз, поэтому калий активнее натрия.

Ошибка: путать Na₂O и Na₂O₂. В формулах похожие символы, но в пероксиде на один атом натрия приходится два атома кислорода. Проверяйте индекс кислорода и уравнение реакции с водой.

Ошибка: записывать реакцию металла с водой без водорода или неверно расставлять коэффициенты. Такое происходит, если не учитывать продукты реакции и число атомов. Проверьте, что справа есть H₂↑, а количество атомов каждого элемента слева и справа совпадает.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе, валентности, степени окисления и общих свойствах металлов. Они объясняют, почему щелочные металлы легко отдают электрон и образуют ионы +1.

Эти сведения пригодятся при изучении оснований, солей и электролитической диссоциации. Реакции щелочных металлов и их соединений также помогают разбирать качественные реакции на ионы и расчёты по уравнениям.

Что запомнить

• Щелочные металлы — элементы первой группы, кроме водорода.
• На внешнем электронном слое атома щелочного металла находится один электрон.
• В соединениях щелочные металлы обычно имеют степень окисления +1.
• Химическая активность щелочных металлов возрастает сверху вниз по группе.
• При реакции щелочного металла с водой образуются щёлочь и водород.
• Натрий и калий хранят под слоем жидкости, защищающей их от воздуха и влаги.
• Na₂O и Na₂O₂ — разные соединения натрия с кислородом.