Щелочные и щелочноземельные металлы – список, взаимодействие соединений

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 1214.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 1214.

Наиболее активными среди металлической группы являются щелочные и щелочноземельные металлы. Это мягкие лёгкие металлы, вступающие в реакции с простыми и сложными веществами.

Общее описание

Активные металлы занимают первую и вторую группы периодической таблицы Менделеева. Полный список щелочных и щелочноземельных металлов:

литий (Li);
натрий (Na);
калий (K);
рубидий (Rb);
цезий (Cs);
франций (Fr);
бериллий (Be);
магний (Mg);
кальций (Ca);
стронций (Sr);
барий (Ba);
радий (Ra).

Рис. 1. Щелочные и щелочноземельные металлы в таблице Менделеева.
Электронная конфигурация щелочных металлов – ns1, щелочноземельных металлов – ns2.

Соответственно, постоянная валентность щелочных металлов – I, щелочноземельных – II. За счёт небольшого количества валентных электронов на внешнем энергетическом уровне активные металлы проявляют мощные свойства восстановителя, отдавая внешние электроны в реакциях. Чем больше энергетических уровней, тем меньше связь с внешних электронов с ядром атома. Поэтому металлические свойства возрастают в группах сверху вниз.

Из-за активности металлы I и II групп находятся в природе только в составе горных пород. Чистые металлы выделяют с помощью электролиза, прокаливания, реакции замещения.

Устаревшая и новая нумерация группы

По устаревшей системе нумерации щелочные металлы, занимающие крайний слева вертикальный столбец таблицы Менделеева, относятся к I-А группе. В 1989 году в качестве основного Международный химический союз (IUPAC) предложил иной вариант (длиннопериодный). Щелочные металлы в соответствии с новой классификацией и сплошной нумерацией относятся к 1-й группе. Открывает эту совокупность представитель 2-го периода — литий, завершает ее радиоактивный элемент 7-го периода — франций. У всех металлов 1-й группы во внешней оболочке атомов содержится один s-электрон, который они легко отдают (восстанавливаются).

Физические свойства

Щелочные металлы имеют серебристо-белый цвет с металлическим блеском. Цезий – серебристо-жёлтый металл. Это наиболее активные и мягкие металлы. Натрий, калий, рубидий, цезий режутся ножом. По мягкости напоминают воск.

Рис. 2. Разрезание натрия ножом.

Щелочноземельные металлы имеют серый цвет. По сравнению со щелочными металлами являются более твёрдыми, плотными веществами. Ножом можно разрезать только стронций. Самый плотный металл – радий (5,5 г/см3).

Наиболее лёгкими металлами являются литий, натрий и калий. Они плавают на поверхности воды.

Где используются

Промышленники оценили утилитарные свойства щелочных металлов. Они легкоплавки, пластичны (раскатываются до фольги), хорошо куются, пропускают тепло и электричество.

Самый известный продукт – поваренная соль (формула NaCl). Ее дополняют кальцинированная сода с едким натром (карбонат, гидроксид натрия), марганцовка (перманганат калия).

Их производят миллионами тонн:

Каустическая сода (в просторечии едкий натр) – ингредиент при варке мыла, производстве алюминия, искусственных волокон.
Кальцинированная сода – сырье для получения мыла, стекла, заменитель хозяйственного мыла.

Каустическая и кальцинированная сода, глауберова соль несъедобны. Только столовая сода и поваренная соль.

Пищевая сода нашла применение как домашнее средство для устранения ангины, обязательный ингредиент выпечки, натуральный консервант.

Альбит и ортоклаз классифицируются как коллекционный и декоративно-поделочный материал.

Химические свойства

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с простыми веществами и сложными соединениями, образуя соли, оксиды, щёлочи. Основные свойства активных металлов описаны в таблице.

Взаимодействие	Щелочные металлы	Щелочноземельные металлы
С кислородом	Самовоспламеняются на воздухе. Образуют надпероксиды (RO2), кроме лития и натрия. Литий образует оксид при нагревании выше 200°C. Натрий образует смесь пероксида и оксида. Примеры: – 4Li + O2 → 2Li2O; – 2Na + О2 → Na2O2; – Rb + O2 → RbO2	На воздухе быстро образуются защитные оксидные плёнки. При нагревании до 500°С самовоспламеняются. Примеры: – 2Mg + O2 → 2MgO; – 2Ca + O2 → 2CaO
С неметаллами	Реагируют при нагревании с серой, водородом, фосфором: – 2K + S → K2S; – 2Na + H2 → 2NaH; – 2Cs + 5P → Cs2P5. Читайте также: Каким сверлом сверлить под евровинт С азотом реагирует только литий, с углеродом – литий и натрий: – 6Li + N2 → 2Li3N; – 2Na + 2C → Li2C2	Реагируют при нагревании: – Ca + Br2 → CaBr2; – Be + Cl2 → BeCl2; – Mg + S → MgS; – 3Ca + 2P → Ca3P2; – Sr + H2 → SrH2
С галогенами	Бурно реагируют с образованием галогенидов: 2Na + Cl2→ 2NaCl
С водой	Образуются щёлочи. Чем ниже металл расположен в группе, тем более активно протекает реакция. Литий взаимодействует спокойно, натрий горит жёлтым пламенем, калий – со вспышкой, цезий и рубидий взрываются. Примеры: – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑; – 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2↑	Менее активно, чем щелочные металлы, реагируют при комнатной температуре: – Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
С кислотами	Со слабыми и разбавленными кислотами реагируют с взрывом. С органическими кислотами образуют соли. Примеры: – 8K + 10HNO3 (конц) → 8KNO3 + N2O + 5H2O; – 8Na + 5H2SO4 (конц) → 4Na2SO4 + H2S↑ + 4H2O; – 10Na + 12HNO3 (разб) → N2 + 10NaNO3 + 6H2O; – 2Na + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2↑	Образуют соли: – 4Sr + 5HNO3 (конц) → 4Sr(NO3)2 + N2O +4H2O; – 4Ca + 10H2SO4 (конц) → 4CaSO4 + H2S↑ + 5H2O
Со щелочами	–	Из всех металлов реагирует только бериллий: Be + 2NaOH + 2H2O → Na2[Be(OH)4] + H2
С оксидами	–	Вступают в реакцию все металлы, кроме бериллия. Замещают менее активные металлы: 2Mg + ZrO2 → Zr + 2MgO

Рис. 3. Реакция калия с водой.
Щелочные и щелочноземельные металлы можно обнаружить с помощью качественной реакции. При горении металлы окрашиваются в определённый цвет. Например, натрий горит жёлтым пламенем, калий – фиолетовым, барий – светло-зелёным, кальций – тёмно-оранжевым.

Последовательность открытия щелочных металлов

Британский химик и физик Г. Дэви в 1807 году провел электролиз расплавов щелочей, впервые получив натрий и калий в свободном виде. В 1817 году шведский ученый Иоганн Арфведсон открыл элемент литий в минералах, а в 1825-м Г. Дэви выделил чистый металл. Рубидий был впервые обнаружен в 1861 году Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Немецкие исследователи анализировали состав алюмосиликатов и получили в спектре красную линию, соответствующую новому элементу. В 1939 году сотрудница Парижского института радиоактивности Маргарита Пере установила существование изотопа франция. Она же дала название элементу в честь своей родины. Унуненний (эка-франций) — предварительное название нового вида атомов с порядковым номером 119. Временно используется химический символ Uue. Исследователи с 1985 года предпринимают попытки синтеза нового элемента, который станет первым в 8-м периоде, седьмым в 1-й группе.

Что мы узнали?

Щелочные и щелочноземельные – наиболее активные металлы. Это мягкие простые вещества серого или серебристого цвета с небольшой плотностью. Литий, натрий, калий плавают на поверхности воды. Щелочноземельные металлы более твёрдые и плотные, чем щелочные. На воздухе быстро окисляются. Щелочные металлы образуют надпероксиды и пероксиды, оксид образует только литий. Бурно реагируют с водой при комнатной температуре. С неметаллами реагируют при нагревании. Щелочноземельные металлы вступают в реакцию с оксидами, вытесняя менее активные металлы. Со щелочами реагирует только бериллий .

Технология получения

Щелочные металлы получают несколькими способами:

Электролиз. Материалом служат расплавы их хлоридов (или других галогенидов) либо гидроксиды. Растворы солей как исходник не годятся: конечным продуктом становятся водород и щелочи.
Восстановление из бромида, хромата либо хлорида. Восстановителями выступают магний, цирконий, кальций, кремний. Процесс получения протекает в вакууме при температурах под 1000°С, образующийся металл периодически отгоняется.

Натрий восстанавливают из карбоната. Ингредиенты: уголь, известняк, температура 990°C. Для промышленных нужд синтезируют гидроксид из крепкого раствора поваренной соли.

Тест по теме

/10
Вопрос 1 из 10
Какой элемент не относится к активным металлам?
Начать тест

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Светлана-Анатольевна Мамахай
9/10
Ахмед Магомедов
7/10
Veronika Nechaeva
9/10
Лидия Маслова
10/10
Сергей Ефремов
8/10

Соли

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2CO3. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века. Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26—30 °C. При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой:

{\mathsf {NaCl+\ NH_{3}+\ CO_{2}+\ H_{2}O\longrightarrow \ NaHCO_{3}\downarrow +\ NH_{4}Cl)) Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO3−, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:

{\mathsf {2\ NH_{4}Cl+\ Ca(OH)_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}\uparrow +\ CaCl_{2}+2\ H_{2}O)) Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

При прокаливании гидрокарбоната натрия получается кальцинированная, или стиральная, сода Na2CO3 и диоксид углерода, используемый в процессе получения гидрокарбоната натрия:

{\mathsf {2\ NaHCO_{3}\longrightarrow \ Na_{2}CO_{3}+\ CO_{2}\uparrow +\ H_{2}O)) Основной потребитель соды — стекольная промышленность.

В отличие от малорастворимой кислой соли NaHCO3, гидрокарбонат калия KHCO3 хорошо растворим в воде, поэтому карбонат калия, или поташ, K2CO3 получают действием углекислого газа на раствор гидроксида калия:

{\mathsf {2\ KOH+\ CO_{2}\longrightarrow \ K_{2}CO_{3}+\ H_{2}O)) Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

Литий — единственный щелочной металл, для которого не получен гидрокарбонат. Причина этого явления в очень маленьком радиусе иона лития, который не позволяет ему удерживать довольно крупный ион HCO− 3.

Качественные реакции

Обнаружение катионов лития

Обнаружить ионы металлов в соли можно с помощью качественной реакции.

Для обнаружения катионов лития используют фосфорную кислоту. Получившийся белый фосфат лития растворим только в концентрированной азотной кислоте и солях аммония:

3Li+ + PO43- = Li 3РО 4↓

В растворимых солях литий можно обнаружить с помощью фторида аммония. При реакции образуется белый нерастворимый осадок фторида лития:

Li+ + F- = LiF↓

Обнаружение катиона натрия

Ионы натрия можно обнаружить реакцией с комплексной солью гексагидроксостибатом (V). При низких температурах и в нейтральной среде образуется мелкокристаллическая белая соль натрия:

Na+ + – = Na[Sb(OH)6] ↓

Эту реакцию проводят на предметном стекле. За образованием и формой кристаллов наблюдают под микроскопом или бинокуляром.

Обнаружение катиона калия

В кислой и нейтральной среде ионы калия образуют двойную комплексную соль с гексанитрокабальтатом натрия (III). Эта соль нерастворима в воде и имеет желтый цвет:

2K+ + Na3[Co(NO2)6] = NaK2[Co(NO2)6] ↓+ 2Na+

Особенность реакции в ее медленном течении. Реакционную смесь оставляют на несколько часов. Для ускорения реакции можно тереть стеклянной палочкой по стенке пробирки. Это приводит к формированию статического электричества, что усиливает притяжение ионов друг к другу.

Еще одним способом обнаружения катионов калия служит реакция с гидротартратом натрия NaHC4H4O6. В этом случае образуется соль белого цвета. Реакцию можно ускорить потиранием стеклянной палочной о поверхность пробирки:

K+ + NaHC4H406= KHC4H4O6↓ + Na+.

Обнаружение катионов рубидия, цезия

Катионы рубидия и цезия – высокоактивные ионы, поэтому не обнаруживаются качественными реакциями. Все соединения прозрачные и хорошо растворимы в воде. Основными способами их обнаружения в составе соли служит осаждение органическими ароматическими растворами. Способа разделения цезия и рубидия из смеси в настоящее время нет.