7.4 Металлы главных подгрупп I и II групп

7.4.  Металлы главных подгрупп I и II групп. Жесткость воды

В периодической системе элементов металлы в основном располагаются в главных подгруппах I—Ill групп, а также в побочных подгруппах.

В IA группе у атомов элементов на внешнем энергетическом уровне находится 1 электрон в состоянии s¹, во IIA группе у атомов на внешнем ЭУ 2 электрона в состоянии s². Эти элементы относятся к s-элементам. В IIIA группе у всех элементов на внешнем ЭУ 3 электрона в состоянии s²p¹. Они относятся к p-элементам.

В IA группу входят щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, активность которых при движении сверху вниз увеличивается вследствие увеличения радиуса атомов, металлические свойства возрастают также, как и у щелочеземельных металлов IIA группы Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и металлов IIIA группы Al, Ga, In, Tl.

Оксиды типа R₂O характерны только для Li, для всех остальных щелочных металлов характерны пероксиды R₂O₂, которые являются сильными окислителями.

Все металлы этих групп образуют основные оксиды и гидроксиды, кроме Be и Al, которые проявляют амфотерные свойства.

Физические свойства

В свободном состоянии все металлы – серебристо-белые вещества. Магний и щелочноземельные металлы – ковкие и пластичные, довольно мягкие, хотя тверже щелочных. Бериллий отличается значительной твердостью и хрупкостью, барий при резком ударе раскалывается.

В кристаллическом состоянии при обычных условиях бериллий и магний имеют гексагональную кристаллическую решетку, кальций, стронций – кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, барий – кубическую объемоцентрированную кристаллическую решетку с металлическим типом химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность.

Металлы имеют температуры плавления и кипения выше, чем у щелочных металлов, причем с увеличением порядкового номера элемента температура плавления металла изменяется немонотонно, что связано с изменением типа кристаллической решетки.

Бериллий и магний покрыты прочной оксидной пленкой и не изменяются на воздухе. Щелочноземельные металлы очень активны, их хранят в запаянных ампулах, под слоем вазелинового масла или керосина.

Некоторые физические свойства бериллия, магния и щелочно-земельных металлов приведены в таблице.

Свойство	Be	Mg	Ca	Sr	Ba
Плотность, кг/м3	1850	1740	1540	2630	3760
Температура плавления,°С	1287	650	842	768	727
Температура кипения,°С	2507	1095	1495	1390	1640

Ще­лоч­ные ме­тал­лы – это се­реб­ри­сто-бе­лые ве­ще­ства с ха­рак­тер­ным ме­тал­ли­че­ским блес­ком. Они быст­ро туск­не­ют на воз­ду­хе из-за окис­ле­ния. Это мяг­кие ме­тал­лы, по мяг­ко­сти Na, K, Rb, Cs по­доб­ны воску. Они легко ре­жут­ся ножом. Они лег­кие. Литий – самый лег­кий ме­талл с плот­но­стью 0,5 г/см³.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Из-за вы­со­ких вос­ста­но­ви­тель­ных свойств ще­лоч­ные ме­тал­лы бурно ре­а­ги­ру­ют с га­ло­ге­на­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем со­от­вет­ству­ю­ще­го га­ло­ге­ни­да. При на­гре­ва­нии ре­а­ги­ру­ют с серой, фос­фо­ром и во­до­ро­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем суль­фи­дов, гид­ри­дов, фос­фи­дов.

2Na + Cl₂→ 2NaCl

2Na + S → Na₂S

2Na + H₂→ 2NaH

3Na + P → Na₃P

Литий – это един­ствен­ный ме­талл, ко­то­рый ре­а­ги­ру­ет с азо­том уже при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре.

6Li + N₂ = 2Li₃N, об­ра­зу­ю­щий­ся нит­рид лития под­вер­га­ет­ся необ­ра­ти­мо­му гид­ро­ли­зу.

Li₃N + 3H₂O → 3LiOH + NH₃↑

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

Толь­ко с ли­ти­ем сразу об­ра­зу­ет­ся оксид лития.

4Li + О₂ = 2Li₂О, а при вза­и­мо­дей­ствии кис­ло­ро­да с на­три­ем об­ра­зу­ет­ся пе­рок­сид на­трия.

2Na + О₂ = Na₂О₂. При го­ре­нии всех осталь­ных ме­тал­лов об­ра­зу­ют­ся над­пе­рок­си­ды.

К + О₂ = КО₂  

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

По ре­ак­ции с водой можно на­гляд­но уви­деть, как из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность этих ме­тал­лов в груп­пе свер­ху вниз. Литий и на­трий спо­кой­но вза­и­мо­дей­ству­ют с водой, калий – со вспыш­кой, а цезий – уже с взры­вом.

2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

8K + 10HNO₃ (конц) → 8KNO₃ + N₂O +5 H₂O

8Na + 5H₂SO₄ (конц) → 4Na₂SO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

По­лу­че­ние ще­лоч­ных ме­тал­лов

Из-за вы­со­кой ак­тив­но­сти ме­тал­лов, по­лу­чать их можно при по­мо­щи элек­тро­ли­за солей, чаще всего хло­ри­дов.

Со­еди­не­ния ще­лоч­ных ме­тал­лов на­хо­дят боль­шое при­ме­не­ние в раз­ных от­рас­лях про­мыш­лен­но­сти.

РАС­ПРО­СТРА­НЕН­НЫЕ СО­ЕДИ­НЕ­НИЯ ЩЕ­ЛОЧ­НЫХ МЕ­ТАЛ­ЛОВ
NaOH	Едкий натр (ка­у­сти­че­ская сода)
NaCl	По­ва­рен­ная соль
NaNO3	Чи­лий­ская се­лит­ра
Na2SO4∙10H2O	Глау­бе­ро­ва соль
Na2CO3∙10H2O	Сода кри­стал­ли­че­ская
KOH	Едкое кали
KCl	Хло­рид калия (силь­вин)
KNO3	Ин­дий­ская се­лит­ра
K2CO3	Поташ

 

  Щелочноземельные металлы

Их на­зва­ние свя­за­но с тем, что гид­рок­си­ды этих ме­тал­лов яв­ля­ют­ся ще­ло­ча­ми, а ок­си­ды рань­ше на­зы­ва­ли «земли». На­при­мер, оксид бария BaO – ба­ри­е­вая земля. Бе­рил­лий и маг­ний чаще всего к ще­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лам не от­но­сят. Мы не будем рас­смат­ри­вать и радий, так как он ра­дио­ак­тив­ный.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Сa + Cl₂→ 2СaCl₂

Сa + S → СaS

Сa + H₂→ СaH₂

3Сa + 2P → Сa₃ P_2-

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

2Сa + O₂ → 2CaO

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂↑, но вза­и­мо­дей­ствие более спо­кой­ное, чем с ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми.

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

4Sr + 5HNO₃ (конц) → 4Sr(NO₃)₂ + N₂O +4H₂O

4Ca + 10H₂SO₄ (конц) → 4CaSO₄ + H₂S↑ + 5H₂O

По­лу­че­ние ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

Ме­тал­ли­че­ский каль­ций и строн­ций по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­пла­ва солей, чаще всего хло­ри­дов.

CaCl₂  Сa + Cl₂

Барий вы­со­кой чи­сто­ты можно по­лу­чить алю­мо­тер­ми­че­ским спо­со­бом из ок­си­да бария

3BaO +2Al → 3Ba + Al₂O₃

Оксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов являются типичными основными оксидами, они обладают всеми свойствами основных оксидов. Оксидам соответствуют сильные основания, растворимые в воде (щелочи), они обладают всеми свойствами оснований.

Характеристика оксидов и гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов

Жест­кость воды

Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция Са²⁺ и магния Mg²⁺.

В при­род­ной воде со­дер­жат­ся соли каль­ция и маг­ния. Если они со­дер­жат­ся в за­мет­ных кон­цен­тра­ци­ях, то  в такой воде не мы­лит­ся мыло из-за об­ра­зо­ва­ния нерас­тво­ри­мых сте­а­ра­тов. При её ки­пя­че­нии об­ра­зу­ет­ся на­кипь.

Вре­мен­ная жест­кость обу­слов­ле­на при­сут­стви­ем гид­ро­кар­бо­на­тов каль­ция и маг­ния Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Такую жест­кость воды можно устра­нить ки­пя­че­ни­ем.

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

По­сто­ян­ная жест­кость воды обу­слов­ле­на на­ли­чи­ем ка­ти­о­нов Ca²⁺., Mg²⁺ и ани­о­нов H₂PO₄^- ,Cl^-, NO₃^- и др. По­сто­ян­ная жест­кость воды устра­ня­ет­ся толь­ко бла­го­да­ря ре­ак­ци­ям ион­но­го об­ме­на, в ре­зуль­та­те ко­то­рых ионы маг­ния и каль­ция будут пе­ре­ве­де­ны в оса­док.

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl

УПРАЖНЕНИЯ

1.      О физических свойствах какого металла идет речь: серебристо-белого цвета, режется ножом, легкоплавкий?
1) Кальций;
2) натрий.

Ответ. 2

_________________________________________________________________

2. Выберите уравнения, отражающие способы устранения постоянной жесткости воды:

а) СаSO₄ + Na₂СО₃ = СаСО₃ ↓ + Na₂SO₄;

б) Ca(НСО₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ ↓+ 2Н₂О;

в) Ca(НСО₃)₂ + Nа₂СO₃ = СаСО₃ ↓ + 2NаНСО₃;

г) MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgСО₃ ↓ + Na₂SO₄.

1) а, г;
2) в, г.

Ответ. 1

_________________________________________________________________

3. Какие из указанных реакций характеризуют восстановительные свойства кальция:

1) а, б, в, г;
2) только а и г.

Ответ. 1

_________________________________________________________________

4.Расставьте коэффициенты в следующих ниже уравнениях реакций методом электронного баланса. Охарактеризуйте свойства соединений хрома в данных реакциях:

Cr₂(SO₄)₃ + KMnO₄ + H₂O → K₂Cr₂O₇ + MnO₂ + H₂SO₄,

SO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + H₂O.

(Решение.

В зависимости от степени окисления
хром проявляет восстановительные
или окислительные свойства.)

_________________________________________________________________

5.Напишите уравнения реакций, позволяющих осу­ществить следующие превращения:

NаСl → Nа → NаН → NаОН → NаНSО₃.

Решени:

 Натрий образуется при электролизе расплава хлори­да натрия:

2NаСl = 2Nа + Сl₂↑.

Натрий реагирует с водородом:

2Nа + Н₂ = 2NаН.

Гидрид натрия полностью гидролизуется под действием воды:

NаН + Н₂О = NаОН + Н₂↑.

При пропускании избытка сернистого газа через раствор гидроксида натрия образуется гидросульфит натрия:

NаОН + SО₂ = NаНSО₃.

_________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     Какие химические свойства характерны для щелочных и щелочноземельных металлов.

2.     Какие оксиды образуют щелочные и щелочноземельные металлы и какие гидроксиды им соответствуют.

3.     Что такое жесткость воды? Чем она обусловлена.

4.     Какие вы знаете виды жесткости воды и способы их устранения.

5.     Сколько литров водорода (н.у.) образуется при взаимодействии 4,6 г натрия с водой.

6.     Какая масса хлорида натрия необходима для приготовления 5 л физиологического раствора (p = 1,01 г/см³).

7.     Определите молярную концентрацию физиологического раствора, если его плотность равна 1,01 г/см³.

8.     Сколько граммов кальция вступило в реакцию с водой, если в результате реакции получили 36 г гидроксида кальция.

9.     Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

10.                        Какую массу гидроксида кальция следует прибавить к 162 г 5%-го раствора гидрокарбоната кальция для получения средней соли.

ВИДЕО ОПЫТ

1.     Укажите характеристики, одинаковые для всех щелочных металлов:
а) число электронов на внешнем энергетическом уровне	б) основной характер оксидов
в) все ответы верны	г) степень окисления в соединениях
2.     Атомы калия и натрия различаются между собой:
а) числом энергетических уровней	б) все ответы верны
в) размерами	г) числом протонов в ядре
3.     Оксид кальция реагирует с:
а) хлоридом алюминия	б) гидроксидом калия
в) соляной кислотой	г) хлоридом натрия
4.     Известковой водой называется:
а) водная взвесь гашеной извести	б) водная взвесь карбоната кальция
в) водный раствор гашеной извести	г) водный раствор белильной (хлорной извести)
5.     При насыщении водного раствора Са(ОН)2 углекислым газом образуется:
а) оксид кальция	б) карбонат кальция
в) гидрокарбонат кальция	г) кальций
6.     Постоянную жесткость воды можно устранить:
а) кипячением	б) действием известкового молока
в) все ответы верны	г) с помощью ортофосфата натрия
7.     Временную жесткость воды можно устранить:
а) добавлением известкового молока	б) добавлением кальцинированной соды
в) кипячением	г) все ответы верны
8.     Какое соединение является основной составной частью гашеной извести:
а) оксид кальция	б) карбонат кальция
в) гидрокарбонат кальция	г) гидроксид кальция
9.     Укажите схему реакции «гашения» извести:
а) СаСО3 →	б) Са(ОН)2 + СО2 →
в) Са(ОН)2 + СО2 + Н2О →	г) СаО + Н2О →
10.                        Наиболее чистые натрий и кальций можно получить, используя в качестве восстановителя:
а) водород	б) кокс
в) алюминий	г) электрический ток на катоде при электролизе расплавов хлоридов натрия и кальция

Ответы:

1	в
2	б
3	в
4	в
5	в
6	г
7	г
8	г
9	г
10	г