Металлы IA группы

На этой странице вы узнаете

• «Неорганический фотосинтез» — миф или реальность?
• Почему щелочные металлы не берут в реакции с кислотами?
• Как можно распознать катионы щелочных металлов?

Общая характеристика металлов IA группы.

Металлы IA группы — щелочные металлы: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.  

Щелочные металлы — химически активные серебристо-белые металлы (за исключением цезия, имеющего серебристо-желтую окраску). Щелочные металлы обладают относительно невысокой плотностью, литий, натрий и калий легче воды, кроме того эти металлы очень мягкие, их можно нарезать ножом или раскатать в блин с помощью скалки. 

Атомы щелочных металлов содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне, электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня можно отразить как ns¹ (на картинке представлена электронно-графическая схема лития, для остальных щелочных металлов она аналогична). 

Возможная валентность: I

Возможные степени окисления: 0, +1

Единственный электрон на внешнем энергетическом уровне атомов щелочных металлов может быть легко оторван, в таком состоянии электронная оболочка атома щелочного металла станет такой же, как у благородного газа, предшествующего ему в периодической системе.

Щелочные металлы в соединениях проявляют постоянную валентность и степень окисления I и +1 соответственно.

Способы получения металлов IA группы

Из-за высокой химической активности щелочные металлы на встречаются в свободном виде, в природе они распространены преимущественно в виде солей. Таким образом, для получения щелочного металла нужно восстановить его из соли, однако поскольку щелочные металлы — очень активные металлы, восстановить их из солей чисто химическим путем задача крайне сложная, поэтому для получения щелочных металлов используют электролиз расплавов их солей или гидроксидов:

Химические свойства металлов IA группы

Щелочные металлы — очень активные металлы, обладают выраженными восстановительными свойствами, легко вступают в реакции с большинством неметаллов, водой и кислотами.

1. Взаимодействие с неметаллами

Как типичные восстановители, щелочные металлы могут взаимодействовать со своими противоположностями — неметаллами.  

Продукты взаимодействия щелочных металлов с водородом — гидриды металлов, являются представителями редкой группы веществ, в которых водород находится в степени окисления -1, легко подвергаются гидролизу, образуя щелочь и водород, а в присутствии кислот — соль и водород.

NaH + H₂O = NaOH + H₂
NaH + HCl = NaCl + H₂

Несмотря на то, что при повышенной температуре с азотом способны взаимодействовать все щелочные металлы, легко эта реакция протекает лишь с литием (даже при комнатной температуре): 

6Li + N₂ = 2Li₃N

Кроме того, щелочные металлы ведут себя «необычно» при взаимодействии с кислородом — в зависимости от того, какой именно из металлов вступает в реакции, образуются различные продукты.

• Литий, как и подавляющее большинство металлов, образует оксид:

2Li + O₂ = 2Li₂O

• Натрий образует пероксид — соединение с кислородом, проявляющим степень окисления -1:

2Na + O₂ = Na₂O₂

• Калий и все нижестоящие металлы образуют надпероксиды (супероксиды) — соединения, содержащие кислород, степень окисления которого условно составляет -1/2:

K + O₂ = KO₂

Подробнее со свойствами пероксидов можно ознакомиться в статье «Элементы VIA группы. Кислород», однако про одно свойство вспомним здесь.

«Неорганический фотосинтез» — миф или реальность? Пероксиды щелочных металлов вступают в реакцию с углекислым газом, выделяя кислород: 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 Иногда этот процесс называют «неорганическим фотосинтезом», поскольку в ходе реакции поглощается углекислый газ и выделяется кислород, но, конечно, с настоящим фотосинтезом он не имеет ничего общего. Эта реакция находит применение, когда нужно в экстренных условиях «регенерировать» воздух — понизить концентрацию углекислого газа и повысить концентрацию кислорода, например, при авариях на подводных лодках.

2. Взаимодействие с водой 

Щелочные металлы относятся к активным металлам и взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород.

Реакция щелочных металлов с водой протекает очень бурно и может сопровождаться взрывом.

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Почему щелочные металлы не берут в реакции с кислотами? При взаимодействии с растворами кислот щелочные металлы легко вступают во взаимодействии не только с растворенной кислотой (соляной, например), но и с молекулами воды: 2Na + H2O = 2NaOH + H2 2Na + 2HCl = 2NaCl + H2 Реакция протекает очень бурно, сопровождается взрывом, а кто хочет, чтобы при взрыве его еще и раствором кислоты обрызгало… Кстати, щелочь, образующаяся при взаимодействии щелочного металла с водой (если вам удалось не расплескать реакционную смесь), вступает в реакцию с растворенной кислотой, образуя соль и воду, так что конечным продуктом при взаимодействии щелочных металлов с растворами кислот, все равно будут соль и водород. NaOH + HCl = NaCl + H2O

3. Взаимодействие с аммиаком

Кроме того, что щелочные металлы способны к взаимодействию с водой, они могут вступать в реакции и с аммиаком, в состав которого, как и в состав воды, входят атомы водорода в степени окисления +1. При взаимодействии щелочных металлов с аммиаком образуются соответствующие амиды и водород.

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂

Образующиеся в ходе реакции амиды подвержены гидролизу:

NaNH₂ + H₂O = NaOH + NH₃
NaNH₂ + 2HCl = NaCl + NH₄Cl

4. Взаимодействие с оксидами и галогенидов металлов

Щелочные металлы способны восстанавливать менее активные металлы из их оксидов и галогенидов при нагревании.

2Na + CuO = Cu + Na₂O
3K + AlCl₃ = Al + 3KCl

Применим полученные знания на практике — разберем задание №9 из ЕГЭ.

Задание.
Задана следующая схема превращений.

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

1. Na₂C₂
2. Na₂CO₃
3. NaHCO₃
4. FeO
5. O₂

Решение.
Оксид натрия нельзя получить прямым синтезом, но можно в ходе восстановления оксидов других металлов, тогда вещество X — FeO:

2Na + FeO = Na₂O + Fe

При действии избытка водного раствора углекислого газа на оксид натрия образуется кислая соль, а значит вещество Y — NaHCO₃:

Na₂O + 2CO₂ + H₂O = 2NaHCO₃

Ответ: 43

Как можно распознать катионы щелочных металлов? Как же можно отличить катионы щелочных металлов друг от друга? Самый простой и распространенный метод — по окраске цвета пламени! Соединения этих металлов придают пламени характерные цвета, которые приведены в таблице. Кстати, это свойство используют в пиротехнике при изготовлении смесей для салютов и фейерверков.

Применение щелочных металлов

Литий и его соединения имеют довольно широкое применение: они используются для создания подшипниковых сплавов, применяются как катализаторы, используются в органической химии (например, алюмогидрид лития используется для синтеза спиртов из альдегидов), соли лития находят применение в медицине. Также многие из нас сталкивались с литий-ионными аккумуляторами — это самый популярный тип аккумуляторов в телефонах, камерах и ноутбуках.

Натрий применяется в медицине, газоразрядных лампах, фотоэлементах и огнетушителях, а также в ядерных реакторах. Но его роль огромна прежде всего в функционировании организмов. Натрий поддерживает осмотическое давление крови, задерживает в организме жидкость. Именно поэтому после употребления очень соленой пищи (а в составе поваренной соли NaCl как раз есть ионы натрия) возможно развитие отеков.

Соединения калия повсеместно используются как удобрения, а еще применяются в медицине. Калий, как и натрий, влияет на осмотическое давление. 

А еще избыток ионов натрия в тканях головного мозга может привести к состоянию депрессии, избыток ионов калия — к маниакальным состояниям (состояниям очень хорошего и импульсивного настроения), а соли лития регулируют и нормализуют скачки настроения.  

Наш разговор о щелочных металлах и их соединениях подошел к концу, мы познакомились с электронным строением их атомов, физическими и химическими свойствами простых веществ и важнейших соединений. Дальше стоит ознакомиться с материалом по двоюродным братьям щелочных металлов — щелочноземельным металлам, в статье «Металлы IIA группы».

Фактчек

• Атомы металлов IA группы имеют 1 электрон на внешнем энергетическом уровне, постоянная валентность щелочных металлов I, а в соединениях проявляют постоянную степень окисления — +1.
• Все щелочные металлы, за исключением цезия, — серебристо-белые твердые вещества.
• Основной способ получения щелочных металлов — электролиз расплавов солей.
• Простые вещества металлов IA группы — активные восстановители.

Проверь себя 

Задание 1.
Какой из щелочных металлов имеет самое большое число электронов? 

1. Литий
2. Натрий 
3. Калий
4. Рубидий

Задание 2.
Какая степень окисления характерна для щелочных металлов?

1. +1
2. +2 
3. +3
4. +4

Задание 3.
Какую степень окисления в гидридах щелочных металлов проявляет водород?

1. +1 
2. -1 
3. 0 
4. -2

Задание 4.
Какой продукт образуется при взаимодействии калия с кислородом?

1. Оксид калия
2. Пероксид калия
3. Супероксид калия
4. Озонид калия 

Задание 5.
Какую окраску приобретает пламя, при внесении в него солей натрия? 

1. Фиолетовую
2. Желтую
3. Небесно-голубую
4. Малиновую

Ответы:1. — 6; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3; 5. — 2.