Щелочные металлы — это элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Менделеева (ПСМ) (кроме водорода).
Задание 9.1. Назовите все щелочные металлы. Составьте схемы строения атомов натрия и калия. Укажите распределение их валентных электронов.
На внешнем уровне у атомов таких металлов находится по 1 электрону, но расстояние до ядра, а значит, и притяжение к нему, у этих электронов различно.
Вопрос. У какого элемента (натрия или калия) внешние электроны дальше от ядра?
Чем дальше электроны от ядра, тем слабее они притягиваются к нему, тем легче данный атом отдаёт электроны. А это означает, что металлические свойства выражены тем ярче, чем дальше валентные электроны от ядра (при прочих равных условиях). Поэтому сверху вниз в каждой главной подгруппе увеличивается число энергетических уровней в атомах, растёт металлическая активность элементов, т. е. способность их атомов отдавать электроны.
Вопрос. Какой металл более активный: натрий или калий?
Химия 9 класс (Урок№23 — Щелочные металлы. Физические и химические свойства. Оксиды и гидроксиды.)
Таким образом, активность щелочных металлов возрастает
Но поскольку на внешнем уровне любого щелочного металла находится один электрон, в любой химической реакции щелочные металлы могут отдать только один электрон. Значит, они имеют постоянную валентность I и образуют оксиды состава
Этот оксид растворяется в воде, реагирует с нею:
Полученное основание — щёлочь.
Вопрос. Что такое щёлочь? (См. урок 2.3.)
В подгруппе сверху вниз увеличивается и сила оснований, т. е. способность диссоциировать в водных растворах на ионы. Самой сильной щёлочью является CsOH.
Растворы щелочей мылкие на ощупь, разъедают кожу и ткани (щёлочи — едкие!), изменяют окраску индикаторов. Поскольку все металлы главной подгруппы I группы образуют щёлочи, — их называют «щелочные металлы».
Рассмотрим свойства щелочных металлов на примере натрия. При этом будем придерживаться схемы, изложенной начале второй части.
Строение атома Nа изображается схемой:
Имея один валентный электрон (…3s 1 ), натрий является активным металлом с постоянной валентностью I:
Простое вещество «натрий» — очень лёгкий (легче воды) серебристо-белый металл, который легко режется ножом. Натрий активно реагирует с кислородом, водородом, неметаллами, водой:
Вопрос. Почему атом серы присоединил 2 электрона?
Задание 9.2. Составьте уравнения реакций натрия с хлором Cl2, азотом N2 и водой (при затруднениях см. пояснения в уроке 7).
Даже небольшие кусочки натрия (величиной с горошину) при попадании в воду вызывают оглушительный взрыв — это взрывается водород (см. урок 12). Тот же эффект будет, если натрий опустить в раствор кислоты или соли. Кроме того, здесь возможны более сложные побочные процессы. Поэтому составлять уравнения реакций для щелочных металлов в качестве примеров процессов
- металл + раствор кислоты →
- металл + раствор соли →
Натрий образует основный оксид Nа2O, который реагирует с водой, с кислотами и кислотными оксидами (см. урок 2.1), например:
Задание 9.3. Составьте уравнения реакций оксида натрия с водой и с серной кислотой.
Гидроксид натрия NaOH (едкий натр, каустическая сода) проявляет все свойства щелочей: реагирует с кислотными оксидами, кислотами, растворами солей (см. урок 2.3), например:
Все соединения натрия окрашивают пламя в жёлтый цвет. Это качественная реакция на соединения натрия.
Задание 9.4. Составьте уравнения реакций гидроксида натрия с хлоридом железа III, фосфорной кислотой, оксидом серы IV. (При затруднениях см. урок 2.3.)
Задание 9.5. Опишите по разобранной схеме свойства калия и его соединений.
Многие соединения натрия нашли применение в быту и промышленности. Так, каустическая сода NаОН применяется для получения мыла, в производстве алюминия, искусственных волокон и др. Кальцинированная сода Na2CO3 также применяется при получении мыла, а также при варке стекла, стирке белья и др. Но в пищу эти «соды» не употребляются!
При приготовлении пищи используют питьевую соду NaHCO3 и поваренную соль NaCl. Питьевая сода используется при лечении простуды, её кладут в печенье, пирожки. Без соли NaCl почти любая еда покажется невкусной, без неё невозможно законсервировать мясо, овощи, грибы. Эти вещества применяются и в технических целях.
Щелочноземельные металлы
Металлы главной подгруппы II группы в отличие от щелочных металлов имеют довольно разные свойства.
- Сколько электронов на внешнем уровне атомов этих металлов?
- Какой металл более активен: натрий или магний? Почему?
Эти металлы имеют на внешнем уровне по 2 электрона, следовательно, они менее активны, чем их «соседи» — щелочные металлы, так как на отрыв двух электронов нужно затратить больше энергии, чем на отрыв одного электрона.
Вопрос. Как изменяется активность металлов в подгруппе сверху вниз? Почему?
В этой подгруппе, как и у щелочных металлов, сверху вниз увеличивается сила оснований, т. е. способность диссоциировать в водных растворах на ионы. Кроме того, увеличивается заряд иона, а значит, усиливается притяжение группы ОН в гидроксиде металла: ионы Na + и OH – притягиваются слабее, чем Са 2+ и ОН – .
Поэтому первые два элемента этой подгруппы не образуют щелочей:
Кальций уже образует сильное основание — щёлочь, а стронцию и барию соответствуют ещё более сильные основания.
Запомните: Ca, Sr, Ba — щелочноземельные* металлы, так как их оксиды проявляют щелочные свойства.
* «Земли» — устаревшее название оксидов металлов, так как эти оксиды входят в состав земли (почвы).
Несмотря на эти различия, перечисленные элементы имеют много сходного в свойствах.
Вопрос. Какую валентность проявляют эти химические элементы в соединениях?
Главное сходство химических элементов главной подгруппы II группы заключается в том, что они проявляют в соединениях постоянную валентность II, так как на внешнем уровне имеют по два электрона, а на предвнешнем уровне нет незавершённых подуровней.
Рассмотрим свойства химических элементов главной подгруппы II группы на примере кальция. Строение атома кальция изображается схемой:
Имея два валентных электрона: …4s 2 , кальций является активным металлом, поскольку оба электрона расположены на внешнем уровне. Его постоянная валентность равна двум:
Простое вещество «кальций» — довольно прочный, серебристо-белый умеренно твёрдый металл. Активно реагирует с кислородом, водородом, неметаллами, водой, растворами кислот:
Рассмотрим как происходит взаимодействие кальция с азотом:
Вопрос. Почему атом азота присоединяет три электрона?
Задание 9.6. Составьте уравнения реакций кальция с кислородом, хлором (Cl2), серой, водой, соляной кислотой.
Оксид кальция CaO (негашёная известь) очень активно реагирует с водой с выделением такого большого количества теплоты, что вода закипает:
Этот процесс называется «гашением извести», а систему называют «кипелкой».
Вопрос. С какими ещё веществами может реагировать оксид кальция?
Как основный оксид CaO реагирует с кислотными оксидами и с кислотами:
- CaO + SO2 → СаSO3
- CaO + НNO3 → … (закончить уравнение этой реакции).
Гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашёная известь) проявляет все свойства щелочей.
Вопрос. С какими веществами могут реагировать щелочи? (При затруднении см. урок 2.3.)
Задание 9.7. Составить уравнения реакций:
Прозрачный раствор гидроксида кальция в воде называется известковой водой. Она мутнеет при пропускании через неё углекислого газа:
Этот эффект реакции считают качественным признаком того, что в данном растворе присутствуют ионы кальция. Убедиться в этом поможет также реакция с пламенем: все соединения кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.
Задание 9.8. Опишите по предложенной схеме свойства магния и его соединений.
Многие соединения кальция играют заметную роль в нашей жизни. Достаточно сказать, что фосфат кальция, карбонат кальция составляют основу костей, зубов. Без ионов кальция не может свертываться кровь. Без соединений кальция невозможно построить дом, так как известь (гашёная и негашёная) обеспечивает скрепление строительных блоков друг с другом:
Образование в результате этих реакций прочных нерастворимых карбонатов и силикатов кальция надёжно скрепляет стены. Аналогичные реакции происходят при схватывании цемента.
Оксид кальция в больших количествах получают обжигом известняка:
Карбонат кальция СаСО3 составляет основу мела, мрамора, известняка. Из него состоят целые горы и пласты земной коры. Под действием воды и углекислого газа из воздуха карбонат кальция переходит в водорастворимое состояние — гидрокарбонат кальция:
Аналогичные процессы происходят и с карбонатами магния. В результате этих и других процессов в природной воде появляются ионы кальция и магния.
Вода, содержащая ионы кальция и магния, называется ЖЁСТКОЙ.
Этот термин возник из-за того, что некоторые овощи и плоды под действием такой воды становятся жёсткими: ионы кальция и магния вступают в реакцию с органическими компонентами плодов и овощей.
Чаще всего жёсткая вода приносит неприятности: долго развариваются продукты, плохо моет мыло (см. урок 24.4), на стенках котлов и труб появляется слой накипи, что может привести к авариям:
Накипь, конечно, можно растворить при помощи соляной кислоты:
Задание 9.10. Можно ли растворить накипь при помощи серной, азотной, фосфорной кислот? Ответ подтвердите ионно-молекулярными уравнениями реакций.
Но лучше всего в случаях, когда жёсткость воды повышена, а это нежелательно, умягчать воду. Для этого ионы кальция и магния нужно перевести в нерастворимое состояние.
Вопрос. Умягчается ли вода при кипячении?
Частично вода умягчается при кипячении, так как при этом растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты. Но некоторые соли кальция и магния (сульфаты, хлориды) при нагревании не изменяются. В этом случае в воду добавляют вещества, образующие с ионами кальция и магния осадки.
Задание 9.11. Какие из солей: кальцинированная сода, фосфат натрия, поваренная соль — устраняют жёсткость воды? Ответ подтвердить ионными уравнениями реакций, считая, что в состав воды входит сульфат кальция.
Чаще всего для умягчения воды используют кальцинированную соду Na2CO3:
Кальцинированная сода входит в состав стиральных порошков, которые также содержат и фосфаты. Эти вещества «автоматически» смягчают воду при стирке.
Выводы
Щелочные металлы — это простые вещества, которые образованы элементами главной подгруппы первой группы. Это очень активные металлы, которые образуют с водой сильные растворимые основания — щёлочи.
Щелочноземельные металлы — это простые вещества, которые образованы некоторыми элементами главной подгруппы второй группы Ca, Sr, Ba. Это очень активные металлы, которые образуют с водой щёлочи. Ионы кальция и магния делают воду жёсткой.
Источник: himi4ka.ru
Щелочные металлы
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов: ns 1 , на внешнем энергетическом уровне находится 1 s-электрон. Типичная степень окисления щелочных металлов в соединениях +1.
Физические свойства
Щелочные металлы — серебристого цвета , мягкие.
Нахождение в природе
В свободном виде не встречаются, в связи со своей высокой активностью. Присутствуют в виде минеральных солей.
Получение
В промышленности получают электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2
Электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция
Электролитом обычно служит смесь NaCl с NaF и КСl.
Электролизом расплавов солей или расплава гидроксида калия. Термохимическое восстановление из расплавов.
KCl + Na = K↑ + NaCl
KOH + Na = K↑ + NaOH
Нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl → 2Cs + CaCl2
Химические свойства
Щелочные металлы — сильные восстановители. Реагируют почти со всеми неметаллами.
1.+галоген
Реакция идет с образованием солей — галогенидов.
2. +S
Реакция идет с образованием солей-сульфидов.
Реакция идет c образованием фосфидов и гидридов.
Остальные щелочные металлы реагируют с азотом при нагревании, с образованием солей- нитридов.
5+C
Реакция с образованием карбидов.
6. + O2 (для каждого металла реакция индивидуальна)
Щелочные металлы реагируют бурно (со взрывом), с образованием щелочи. Литий реагирует бурно, но без взрыва.
2K 0 + H2 + O = 2K + OH + H2 0
8. + кислота
Щелочные металлы реагируют со взрывом и активным выделением водорода.
2Na + 2HCl = 2NaCl + H2↑
При взаимодействии щелочных металлов с концентрированной серной кислотой выделяется сероводород.
При взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуется оксид азота (I):
С разбавленной азотной кислотой образуется молекулярный азот:
При взаимодействии щелочных металлов с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
9. с веществами, проявляющими слабые кислотные свойства
Н ─ C ≡ С ─ Н + 2Na → Na ─ C≡C ─ Na + H2
10. + соль (в расплаве)
3Na + AlCl3 → 3NaCl + Al
11. Гидролиз
Источник: chemistforty.ru
80. Щелочные металлы. Их физические и химические свойства
Щелочные металлы расположены в главной подгруппе первой группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (или просто в 1 группе в длиннопериодной форме ПСХЭ). Это литий Li, натрий Na, калий K, цезий Cs, рубидий Rb и франций Fr.
Электронное строение щелочных металлов и основные свойства
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов: ns1, на внешнем энергетическом уровне находится 1 s-электрон. Следовательно, типичная степень окисления щелочных металлов в соединениях +1.
Рассмотрим некоторые закономерности изменения свойств щелочных металлов.
В ряду Li-Na-K-Rb-Cs-Fr, в соответствии с Периодическим законом, увеличивается атомный радиус, усиливаются металлические свойства, ослабевают неметаллические свойства, уменьшается электроотрица-тельность.
Все щелочные металлы — вещества мягкие, серебристого цвета. Свежесрезанная поверхность их обладает характерным блеском.
Кристаллическая решетка щелочных металлов в твёрдом состоянии — металлическая. Следовательно, щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Кипят и плавятся при низких температурах. Они имеют также небольшую плотность.
Нахождение в природе
Как правило, щелочные металлы в природе присутствуют в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов и др. Основные минералы, в которых присутствуют щелочные металлы:
Поваренная соль, каменная соль, галит — NaCl — хлорид натрия
Литий получают в промышленности электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl (расплав) → 2Na + Cl2
Электролитом обычно служит смесь NaCl с NaF и КСl (что позволяет проводить процесс при 610–650°С).
Калий получают также электролизом расплавов солей или расплава гидроксида калия. Также распространены методы термохимического восстановления: восстановление калия из расплавов хлоридов или гидроксидов. В качестве восстановителей используют пары натрия, карбид кальция, алюминий, кремний:
KCl + Na = K↑ + NaCl
KOH + Na = K↑ + NaOH
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl → 2Cs + CaCl2
В промышленности используют преимущественно физико-химические методы выделения чистого цезия: многократную ректификацию в вакууме.
Качественная реакция на щелочные металлы — окрашивание пламени солями щелочных металлов.
Цвет пламени: Li — карминно-красный Na — жѐлтый K — фиолетовый Rb — буро-красный Cs — фиолетово-красный
1. Щелочные металлы — сильные восстановители. Поэтому они реагируют почти со всеми неметаллами.
1.1. Щелочные металлы легко реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
1.2. Щелочные металлы реагируют с серой с образованием сульфидов:
1.3. Щелочные металлы активно реагируют с фосфором и водородом (очень активно). При этом образуются бинарные соединения — фосфиды и гидриды:
1.4. С азотом литий реагирует при комнатной температуре с образованием нитрида:
Остальные щелочные металлы реагируют с азотом при нагревании.
1.5. Щелочные металлы реагируют с углеродом с образованием карбидов, преимущественно ацетиленидов:
1.6. При взаимодействии с кислородом каждый щелочной металл проявляет свою индивидуальность: при горении на воздухе литий образует оксид, натрий – преимущественно пероксид, калий и остальные металлы – надпероксид.
Цезий самовозгорается на воздухе, поэтому его хранят в запаянных ампулах. Видеоопыт самовозгорания цезия на воздухе можно посмотреть здесь.
2. Щелочные металлы активно взаимодействуют со сложными веществами:
2.1. Щелочные металлы бурно (со взрывом) реагируют с водой. Взаимодействие щелочных металлов с водой приводит к образованию щелочи и водорода. Литий реагирует бурно, но без взрыва.
Например, калий реагирует с водой очень бурно:
2K0 + H2+O = 2K+OH + H20
Видеоопыт: взаимодействие щелочных металлов с водой можно посмотреть здесь.
2.2. Щелочные металлы взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой) со взрывом. При этом образуются соль и водород.
Например, натрий бурно реагирует с соляной кислотой:
2Na + 2HCl = 2NaCl + H2↑
2.3. При взаимодействии щелочных металлов с концентрированной серной кислотой выделяется сероводород.
Например, при взаимодействии натрия с концентрированной серной кислотой образуется сульфат натрия, сероводород и вода:
8Na + 5H2SO4(конц.) → 4Na2SO4 + H2S + 4H2O
2.4. Щелочные металлы реагируют с азотной кислотой. При взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуется оксид азота (I):
8Na + 10HNO3 (конц) → N2O + 8NaNO3 + 5H2O
С разбавленной азотной кислотой образуется молекулярный азот:
10Na + 12HNO3 (разб)→ N2 +10NaNO3 + 6H2O
При взаимодействии щелочных металлов с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
8Na + 10HNO3 = 8NaNO3 + NH4NO3 + 3H2O
2.5. Щелочные металлы могут реагировать даже с веществами, которые проявляют очень слабые кислотные свойства. Например, с аммиаком, ацетиленом (и прочими терминальными алкинами), спиртами, фенолом и органическими кислотами.
Например, при взаимодействии лития с аммиаком образуются амиды и водород:
2Li + 2NH3 = 2LiNH2 + H2 ↑
Ацетилен с натрием образует ацетиленид натрия и также водород:
Н ─ C ≡ С ─ Н + 2Na → Na ─ C≡C ─ Na + H2
Фенол с натрием реагирует с образованием фенолята натрия и водорода:
2C6H5OH + 2Na → 2C6H5ONa + H2↑
Метанол с натрием образуют метилат натрия и водород:
2СН3ОН + 2Na → 2 CH3ONa + H2↑
Уксусная кислота с литием образует ацетат лития и водород:
2СH3COOH + 2Li → 2CH3COOLi + H2↑
Щелочные металлы реагируют с галогеналканами (реакция Вюрца).
Например, хлорметан с натрием образует этан и хлорид натрия:
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
2.6. В расплаве щелочные металлы могут взаимодействовать с некоторыми солями. Обратите внимание! В растворе щелочные металлы будут взаимодействовать с водой, а не с солями других металлов.
Например, натрий взаимодействует в расплаве с хлоридом алюминия :
3Na + AlCl3 → 3NaCl + Al
Оксиды щелочных металлов
Оксиды щелочных металлов (кроме лития) можно получить только косвенными методами: взаимодействием натрия с окислителями в расплаве:
1. Оксид натрия можно получить взаимодействием натрия с нитратом натрия в расплаве:
10Na + 2NaNO3 → 6Na2O + N2 ↑
2. Взаимодействием натрия с пероксидом натрия:
2Na + Na2O2 → 2Na2O
3. Взаимодействием натрия с расплавом щелочи:
2Na + 2NaOН → 2Na2O + Н2↑
4. Оксид лития можно получить разложением гидроксида лития:
2LiOН → Li2O + Н2O
Оксиды щелочных металлов — типичные основные оксиды. Вступают в реакции с кислотными и амфотерными оксидами, кислотами, водой.
1. Оксиды щелочных металлов взаимодействуют с кислотными и амфотерными оксидами:
Например, оксид натрия взаимодействует с оксидом фосфора (V):
3Na2O + P2O5 → 2Na3PO4
Оксид натрия взаимодействует с амфотерным оксидом алюминия:
Na2O + Al2O3 → 2NaAlO2
2. Оксиды щелочных металлов взаимодействуют с кислотами с образованием средних и кислых солей (с многоосновными кислотами).
Например, оксид калия взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида калия и воды:
K2O + 2HCl → 2KCl + H2O
3. Оксиды щелочных металлов активно взаимодействуют с водой с образованием щелочей.
Например, оксид лития взаимодействует с водой с образованием гидроксида лития:
Li2O + H2O → 2LiOH
4. Оксиды щелочных металлов окисляются кислородом (кроме оксида лития): оксид натрия — до пероксида, оксиды калия, рубидия и цезия – до надпероксида.
Источник: studfile.net