📘 CodingMarble Learn

Щелочные металлы и соединения натрия

Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) стоят в 1 группе периодической таблицы. У каждого атома один внешний электрон, который он легко отдаёт, превращаясь в ион M⁺. Эти металлы мягкие, лёгкие и очень активные: с водой они дают водород и щёлочь, а на воздухе горят. Сверху вниз по группе активность растёт. Натрий образует Na₂O, Na₂O₂, Na₂CO₃ (кальцинированная сода) и NaHCO₃ (пищевая сода), а каждый металл по-своему окрашивает пламя.

🎬 История по шагам

  1. Это металлы 1 группы: Li, Na, K, Rb и Cs. Чем ниже по группе, тем больше атом по сравнению с тем, что выше.
  2. У каждого атома на внешнем слое всего один электрон (жёлтый). Он далеко от ядра и легко уходит. Атом становится ионом с зарядом +1.
  3. Брось натрий в воду. Он плавает, шипит и носится по поверхности. Выделяется водород, и образуется гидроксид натрия, то есть щёлочь. Калий реагирует ещё быстрее.
  4. Натрий горит на воздухе жёлтым пламенем. При избытке воздуха получается пероксид натрия Na₂O₂. Медленно, при комнатной температуре, получается оксид натрия Na₂O.
  5. Нагрей пищевую соду NaHCO₃. Выделяется углекислый газ, а остаётся кальцинированная сода Na₂CO₃. Сама Na₂CO₃ при нагревании не разлагается.
  6. Проба на окраску пламени: ион каждого металла окрашивает пламя по-своему. Выбери металл и посмотри на цвет. Так химики узнают металлы.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Почему их называют «щелочными» металлами?

При реакции с водой они образуют растворимые гидроксиды, например NaOH, а это щёлочи.

Почему единственный внешний электрон так легко отдаётся?

Он один на слое, далеко от ядра, и удерживается слабо. Отдав его, атом получает устойчивый заполненный слой.

Почему натрий плавает и бегает по воде?

Он легче воды, а пузырьки водорода толкают его, пока тепло реакции его плавит.

Почему образуются и Na₂O, и Na₂O₂?

При нехватке кислорода и комнатной температуре получается оксид; при горении в избытке кислорода получается пероксид.

Почему при нагревании шипит только пищевая сода?

Ион HCO₃⁻ распадается на CO₃²⁻, воду и CO₂; карбонат-ион устойчив при температуре горелки.

Почему разные металлы дают разные цвета пламени?

У каждого металла свои расстояния между энергетическими уровнями, поэтому его возбуждённые электроны излучают свет своего цвета.

1 группа: щелочные металлы

В 1 группе находятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb) и цезий (Cs). Их называют щелочными металлами, потому что при реакции с водой они образуют щёлочи (растворимые основания).

Закономерности сверху вниз

Размер атома растёт, поэтому внешний электрон дальше от ядра и удерживается слабее. Энергия ионизации (энергия, нужная, чтобы оторвать электрон) падает, а активность растёт: Li реагирует с водой спокойно, Na шипит, K загорается фиолетовым пламенем.

Так как они реагируют с воздухом и водой, Na и K хранят под керосином или парафиновым маслом.

Реакции натрия

С водой

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Натрий плавает, плавится в шарик (реакция идёт с выделением тепла), шипит и бегает по воде. Капля фенолфталеина становится малиновой, потому что NaOH это щёлочь.

С кислородом

Оба вещества реагируют с водой. Na₂O + H₂O → 2NaOH. Пероксид натрия при этом ещё выделяет кислород: 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑, а с углекислым газом: 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂. Поэтому Na₂O₂ применяли для получения кислорода на подводных лодках и в дыхательных аппаратах.

С хлором

2Na + Cl₂ → 2NaCl (поваренная соль), с яркой жёлтой вспышкой.

Карбонат натрия и гидрокарбонат натрия

Na₂CO₃ (в виде гидрата Na₂CO₃·10H₂O это стиральная, или кристаллическая, сода)NaHCO₃ (пищевая сода)
РастворимостьРастворяется лучшеРастворяется хуже
РастворДовольно сильно щелочнойСлабо щелочной
При нагреванииНе разлагается2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
С кислотойNa₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (быстрее)
ПрименениеСтекло, мыло, смягчение жёсткой водыВыпечка, средства от изжоги, огнетушители

Чтобы различить их, нагрей каждое твёрдое вещество и пропусти газ через известковую воду: помутнеет она только от NaHCO₃. Одно вещество можно превратить в другое: Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃.

Окраска пламени и соседи 1 группы

Окраска пламени

Опусти чистую платиновую или нихромовую проволоку в соль и внеси её в горячее, почти бесцветное пламя. Тепло поднимает электроны на более высокие уровни, а когда они возвращаются назад, то излучают свет определённого цвета.

Эти цвета используют в фейерверках.

Коротко о 2 группе и об алюминии

Магний и кальций (2 группа) имеют два внешних электрона, образуют ионы M²⁺ и менее активны, чем металлы 1 группы. Растворённые Ca²⁺ и Mg²⁺ делают воду жёсткой: в ней мыло образует налёт. Временную жёсткость (из-за гидрокарбонатов) убирают кипячением, а постоянную (сульфаты, хлориды) убирают стиральной содой или ионным обменом.

Алюминий (13 группа) образует Al³⁺. Его оксид и гидроксид амфотерны: они реагируют и с кислотами, и со щелочами, например Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O и Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

В живых организмах

Na⁺ и K⁺ передают нервные сигналы и регулируют водный баланс; Ca²⁺ строит кости и зубы; Mg²⁺ находится в центре молекулы хлорофилла. Бананы и кокосовая вода богаты калием.

Попробуй дома

Положи ложку пищевой соды в стакан, добавь лимонный сок или уксус и смотри, как шипит CO₂. Потом (вместе со взрослым) брось щепотку соли в пламя газовой горелки и найди жёлтый цвет натрия.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. Почему калий реагирует с водой бурнее, чем натрий?

У K на один электронный слой больше, чем у Na, поэтому его внешний электрон дальше от ядра и сильнее экранирован внутренними слоями. Он отдаётся легче, и K реагирует быстрее.

2. 4.6 г натрия полностью прореагировали с водой. Какая масса водорода образовалась? (Na = 23, H = 1)

2Na → H₂. Количество Na = 4.6 / 23 = 0.2 моль, значит, количество H₂ = 0.1 моль. Масса = 0.1 × 2 = 0.2 г.

3. 8.4 г NaHCO₃ полностью нагрели. Какой объём CO₂ образуется при н. у. (STP)? (NaHCO₃ = 84 г/моль, 22.4 л/моль)

2NaHCO₃ → CO₂. Количество NaHCO₃ = 0.1 моль, значит, CO₂ = 0.05 моль. Объём = 0.05 × 22.4 = 1.12 л.

4. Два белых порошка это Na₂CO₃ и NaHCO₃. Назови один простой способ их различить.

Нагреть каждый и пропустить газ через известковую воду. NaHCO₃ даёт CO₂, который мутит известковую воду; Na₂CO₃ газа не даёт.

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. Сколько электронов на внешнем слое у атома щелочного металла?
2. Какой газ выделяется при реакции натрия с водой?
3. При горении натрия в избытке воздуха в основном образуется:
4. Что разлагается при слабом нагревании?
5. Цвет пламени натрия:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Что такое щелочные металлы?

Это элементы 1 группы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Они мягкие, очень активные и имеют один внешний электрон.

Чем отличается кальцинированная сода от пищевой?

Кальцинированная (стиральная) сода это карбонат натрия (Na₂CO₃, в виде гидрата Na₂CO₃·10H₂O); пищевая сода это гидрокарбонат натрия (NaHCO₃). Пищевая сода при нагревании выделяет CO₂, а Na₂CO₃ нет.

Почему щелочные металлы хранят под маслом?

Они быстро реагируют с кислородом и влагой воздуха. Масло не пускает к ним воздух и воду.

Где это изучают

Ukraine11 класMetallic elements and compounds
China高一Ch.2 Sodium and chlorine

Сначала изучи

Дальше изучай

Похожие уроки

Все уроки: Chemistry