Металлы IA группы

Металлы первой группы главной подгруппы – это щелочные металлы:

• Литий Li;
• Натрий Na;
• Калий K;
• Рубидий Rb;
• Цезий Cs;
• Франций Fr – также известный как «сладкая булочка», так как обладает наименьшей электроотрицательностью.

Важные свойства щелочных металлов:

• Они все имеет конфигурацию валентного слоя ns¹, поэтому имеют две характерные степени окисления 0 и +1;
• Щелочные металлы имеют высокую восстановительную активность так как очень хотят кому-нибудь отдать свой электрон с ns¹ и получить конфигурацию ns⁰, становясь катионами;
• Такая высокая восстановительная активность обуславливает, как правило, высокую экзотермичность многих реакций с их участием, например щелочные металлы реагируют с водой со взрывом – из-за чего их приходится хранить под слоем органических растворителей (например, керосина);
• Соли щелочных металлов, помещённые в пламя горелки, окрашивают пламя в определённый цвет: для солей лития малиновая окраска, натрия – жёлтая, калия – фиолетовая, рубидия – тёмного красная, цезия — голубая.

Рассмотрим как формируется цвет пламени при внесении в него различных солей на примере сульфата меди (для солей других металлов это работает аналогично).  Высокая температура в пламени горелки даёт очень много теплоты (тепловой энергии), которая идёт на разрушение ионной решётки сульфата меди. Часть сульфата меди атомизуется и в пламени появляется немного атомов меди. Эти атомы меди и придают пламени зелёную окраску. Каким образом появляется эта зелёная окраска? Валентные электроны в атоме меди в основном электронном состоянии образуют конфигурацию 3d¹⁰ 4s¹, при нагревании тепловая энергия передаётся электронам – и происходит переход атома меди в возбуждённое состояние: для простоты пусть это будет конфигурация 3d⁹ 4s². Естественно, атомам меди невыгодно быть в такой конфигурации и они хотят вернуться назад, электроны возвращаются в исходную конфигурацию 3d¹⁰ 4s¹, а избыточная энергия при этом выделяется в виде зелёного света, который мы и видим в виде зелёных языков пламени.

Атомы меди переходят из основного состояния в возбуждённое за счёт тепловой энергии, затем возвращаются в основное состояние, выделяя избыточную энергию в виде зелёного света.

Окрашивание пламени в какой-либо цвет, скажем, щелочными металлами, работает ровно так же. Природа металла определяет цвет пламени, который будет зафиксирован нашими рецепторами в глазу.

Способы получения щелочных металлов

Поскольку щелочные металлы – очень активные, то их можно получить электролизом именно расплава соответствующих солей:

2NaCl (расплав) = 2Na + Cl₂

В то же время, в случае электролиза соответствующих растворов вместо осаждённого металла будет выделяться газообразный водород на катоде.

Химические свойства щелочных металлов

• Реакции с неметаллами

Щелочные металлы прекрасно реагируют с неметаллами за счёт своего хорошего восстановительного потенциала. Например, натрий в реакции с водородом легко даёт гидрид натрия:

2Na + H₂ = 2NaH

Литий реагирует с азотом, давая нитрид лития:

6Li + N₂ = 2Li₃N

По-особому идут реакции с неметаллами, литий с кислородом даёт оксид:

4Li + O₂ = 2Li₂O

Натрий даёт уже пероксид:

2Na + O₂ = Na₂O₂

А калий и оставшиеся щелочные металлы – надпероксиды:

K + O₂ = KO₂

Приведём в этом же разделе характерные особенности пероксидов.

• Реакции с водой, солями и кислотами

Щелочные металлы как активные металлы могут замещать менее активные металлы из солей, вытеснять водород из кислот и окисляться кислотами-окислителями типа азотной и концентрированной серной. Однако во всех этих реакциях есть одно затруднение, щелочные металлы будут преимущественно реагировать в начале с водой (реакция идёт с выделением большого количества теплоты и со взрывом):

2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂

Кстати, в ходе этой реакции образовалась щёлочь LiOH, перейдём к химическим свойствам щёлочей.

Химические свойства щёлочей

Щёлочи – в первую очередь основные гидроксиды, поэтому они готовы реагировать со всем кислотным (или тем, что проявляет кислотные свойства), то есть с кислотными оксидами, кислотами, амфотерными оксидами и гидроксидами:

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

NaOH + H₂SO₄ (избыток) = NaHSO₄ + H₂O

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

KOH + Al(OH)₃ = K[Al(OH)₄]

Ровно эти же свойства справедливы и для оксидов щелочных металлов (основных оксидов). Также щёлочи могут реагировать с солями аммония, выделяя аммиак:

NH₄Cl + KOH = KCl + NH₃ + H₂O

Это пример реакции ионного обмена, другие примеры:

2AgNO₃ + 2NaOH = Ag₂O (чёрный осадок) + 2NaNO₃ + H₂O

(в ходе этой реакции распадается неустойчивый гидроксид серебра(I))

NaH₂PO₄ + 2NaOH (избыток) = Na₃PO₄ + 2H₂O

NaH₂PO₄ + NaOH = Na₂HPO₄ + H₂O

Интересны реакции амфотерных металлов с щёлочью:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

Кремний окисляется щёлочами, а галогены, сера и фосфор в них диспропорционируют:

Резюме:

• Металлы первой группы главной подгруппы – щелочные металлы, для них характерные степени окисления 0, +1;
• Щелочные металлы обладают большой восстановительной способностью;
• Для гидроксидов и оксидов щелочных металлов характерны основные свойства.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №9 (тестовая часть)

Задана следующая цепочка превращений:

Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y:

1. соляная кислота
2. гидроксид калия
3. гидроксид натрия
4. карбонат натрия
5. поташ

Задание 2. Задача №31 (открытая часть)

Литий оставили в атмосфере азота. Полученный твёрдый остаток растворили в воде, наблюдая выделение двух разных по химической природе газов. Один из этих газов растворяется в соляной кислоте. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Задание 3. Задача №31 (открытая часть)

Расплав хлорида натрия подвергли электролизу на инертных электродах. Полученное твёрдое вещество сожгли в кислороде, продукт данной реакции растворили в горячей воде, затем к образовавшемуся раствору прилили сульфат меди(II), наблюдая образование синего осадка.

Определения:

1. Экзотермическая реакция – реакция, идущая с выделением теплоты.
2. Оксид – бинарное кислород-содержащее вещество, где степень окисления кислорода составляет -2.
3. Пероксид – бинарное кислород-содержащее вещество, где у кислорода степень окисления -1 и присутствует пероксидный мостик O-O.
4. Надпероксид (супероксид) – бинарное кислород-содержащее вещество, содержащее в своём составе анион O₂^—.
5. Щёлочь – растворимый в воде сильный основный гидроксид.