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).
- Один внешний электрон: электронная конфигурация заканчивается на ns¹ (Na: 2, 8, 1).
- Они легко отдают этот электрон и образуют ионы M⁺, поэтому их соединения ионные.
- Мягкие: натрий можно резать ножом. Свежий срез блестит, но на воздухе быстро тускнеет.
- Малая плотность: Li, Na и K плавают на воде.
- Низкие температуры плавления, которые уменьшаются сверху вниз по группе.
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
- Медленно, при комнатной температуре: 4Na + O₂ → 2Na₂O (оксид натрия, белый).
- При горении в избытке воздуха: 2Na + O₂ → Na₂O₂ (пероксид натрия, бледно-жёлтый).
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) | |
|---|---|---|
| Растворимость | Растворяется лучше | Растворяется хуже |
| Раствор | Довольно сильно щелочной | Слабо щелочной |
| При нагревании | Не разлагается | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ |
| С кислотой | Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ | NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (быстрее) |
| Применение | Стекло, мыло, смягчение жёсткой воды | Выпечка, 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.
- Li: карминово-красный · Na: ярко-жёлтый · K: фиолетовый (смотри через синее кобальтовое стекло, чтобы скрыть жёлтый цвет натрия) · Ca: кирпично-красный · Ba: бледно-зелёный · Cu: сине-зелёный.
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
- 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ (M = Li, Na, K…)
- 4Na + O₂ → 2Na₂O; 2Na + O₂ → Na₂O₂
- 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
- 2NaHCO₃ →(нагрев) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
- Цвета пламени: Li красный, Na жёлтый, K фиолетовый, Ca кирпично-красный, Ba зелёный, Cu сине-зелёный
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
- Писать, что при реакции натрия с водой получается Na₂O. Продукты это NaOH и H₂.
- Путать Na₂O (оксид, O²⁻) и Na₂O₂ (пероксид, O₂²⁻). Пероксид образуется, когда натрий горит в избытке воздуха.
- Говорить, что Na₂CO₃ при нагревании выделяет CO₂. Разлагается только NaHCO₃.
- Думать, что активность уменьшается вниз по 1 группе. У металлов она растёт, потому что внешний электрон отдаётся легче.