Щелочные металлы расположены в IA группе ПСХЭ: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (франций не рассматриваем по причине его радиоактивности и редкости). На внешнем энергетическом уровне атомов этих химических элементов располагается 1 электрон, типичная степень окисления +1. Простые вещества щелочных металлов – очень сильные восстановители, обладающие низкой электроотрицательностью.
Литий Li
Натрий Na
Калий K
Рубидий Rb
Цезий Cs
В ряду щелочных металлов от Li к Fr: увеличивается атомный радиус, усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические, падает электроотрицательность, увеличивается основность оксидов и гидроксидов.
По физическим свойствам щелочные металлы проявляют типичные свойства металлов (тепло- и электропроводность, металлический блеск, серый цвет), но обладают низкой температурой плавления и плотностью и достаточно мягкие (щелочные металлы режутся ножом). Хранят в лаборатории под слоем керосина (литий в вазелине, в керосине всплывает), чтобы не допустить взаимодействия с кислородом воздуха.
Из-за высокой химической активности в природе щелочные металлы встречаются только в виде соединений. Как правило, это минералы, представляющие собой неорганические соли. Также встречаются в виде растворов: морская вода, буровые воды и т.д.
Галит, каменная соль – минерал, состоящий из хлорида натрия NaCl
Получают щелочные металлы из-за высокой активности обычно электролизом расплавов их соединений – солей и гидроксидов:
2NaCl → 2Na + Cl2
4KOH → 4K + O2 + 2H2O
Химические свойства
1. С кислородом щелочные металлы взаимодействуют до образования пероксидов или надпероксидов (кроме лития – до оксида):
4Li + O2 → 2Li2O – до оксида (с.о. О равна -2)
2Na + O2 → Na2O2 – до пероксида (с.о. О равна -1)
K + O2 → KO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)
Rb + O2 → RbO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)
Cs + O2 → CsO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)
2. Также щелочные металлы взаимодействуют с другими неметаллами:
С галогенами дают галогениды – фториды, хлориды, бромиды, иодиды:
2Na + F2 → 2NaF
2Na + Cl2 → 2NaCl
2Na + Br2 → 2NaBr
2Na + I2 → 2NaI
С водородом взаимодействуют до гидридов:
2K + H2 → 2KH
С серой реагируют до образования сульфидов:
2Li + S → Li2S
С фосфором взаимодействуют до фосфидов:
Также способны реагировать с углеродом до образования карбидов и с кремнием – до силицидов
3. Взаимодействие со сложными веществами
При взаимодействии с водой образуют растворимые основные гидроксиды – щёлочи (активность реакции повышается от лития к францию):
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
Могут взаимодействовать с кислотами с образованием солей, но реакция в растворах протекает в конкуренции с водой:
2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑
Взаимодействуют с кислотами-окислителями:
8K + 5H2SO4 (конц.) → 4K2SO4 + H2S↑ + 4H2O
8K + 10HNO3 (конц.) → N2O↑ + 8KNO3 + 5H2O – возможны и другие продукты с азотом
8K + 10HNO3 (разб.) → 8KNO3 + NH4NO3 + 3H2O – возможны и другие продукты с азотом
При реакции с аммиаком образуются амиды:
2Na + 2NH3 → 2NaNH2 + H2↑
Вытесняют в расплаве менее активные металлы из солей (в воде протекает конкурирующая реакция с водой):
3K + AlCl3 → 3KCl + Al
Соединения щелочных металлов окрашивают пламя в различные цвета:
Литий – карминово-красное окрашивание
Натрий – жёлтое окрашивание
Калий – фиолетовое окрашивание
Рубидий – буро-красное окрашивание
Цезий – голубое окрашивание
Щелочноземельные металлы расположены в IIА группе ПСХЭ: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (радий радиоактивен, а бериллий и магний относят к щелочноземельным номинально, т.к. они сильно отличаются от остальных металлов подгруппы). На внешнем энергетическом уровне атомов этих химических элементов располагается 2 электрона, типичная степень окисления +2. Простые вещества щелочных металлов – очень сильные восстановители (хоть и слабее щелочных), обладающие низкой электроотрицательностью.
Бериллий Be
Магний Mg
Кальций Ca
Стронций Sr
Барий Ba
Радий Ra
В ряду щелочных металлов от Be к Ra: увеличивается атомный радиус, усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические, падает электроотрицательность, увеличивается основность оксидов и гидроксидов.
По физическим свойствам щелочноземельные металлы проявляют типичные свойства металлов (тепло- и электропроводность, металлический блеск, серый цвет), обладают высокой температурой плавления, гораздо более твёрже щелочных. Кальций, стронций и барий хранят в лаборатории под слоем керосина, чтобы не допустить взаимодействия с кислородом воздуха.
Из-за высокой химической активности в природе щелочноземельные металлы встречаются только в виде соединений. Как правило, это минералы, представляющие собой неорганические соли. Также присутствуют в растворенном состоянии в воде.
Мрамор – минерал, состоящий из карбоната кальция CaCO3
Получают щелочноземельные металлы из-за высокой активности обычно электролизом расплавов их солей:
CaCl2 → Ca + Cl2
MgCl2 → Mg + Cl2
Химические свойства
1. Щелочноземельные металлы – достаточно активные простые вещества, которые взаимодействуют с неметаллами (в основном при нагревании):
С кислородом образуют оксиды:
2Mg + O2 → 2MgO
C галогенами образуют галогениды:
Be + Cl2 → BeCl2
С водородом (кроме бериллия) образуют гидриды:
Ca + H2 → CaH2
С серой образуют сульфиды:
Ca + S → CaS
С азотом образуют нитриды, а с фосфором фосфиды:
3Ca + N2 → Ca3N2
3Ca + 2P → Ca3P2
C углеродом образуют карбиды, а с кремнием силициды:
2Be + C → Be2C
Ca + 2C → CaC2
2Ca + Si → Ca2Si
2. Также щелочноземельные металлы могут взаимодействовать с сложными веществами:
С водой (все кроме бериллия) – магний реагирует при кипячении, остальные – при комнатной температуре:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
Могут взаимодействовать с обычными кислотами, а также с кислотами-окислителями:
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑
4Ca + 5H2SO4 (конц.) → 4CaSO4 + H2S↑ + 5H2O
4Ba + 10HNO3 (конц.) → N2O↑ + 4Ba(NO3)2 + 5H2O – возможны другие продукты с азотом
4Ba + 10HNO3 (разб.) → 4Ba(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O – возможны другие продукты с азотом
Могут взаимодействовать с оксидами при нагревании до восстановления металла или неметалла:
2Ca + SiO2 → 2CaO + Si
2Mg + CO2 → 2MgO + C
Mg + CuO → MgO + Cu
Могут замещать металлы из расплавов и растворов солей (в растворе у Ca, Sr, Ba протекает конкурирующая реакция с водой):
Mg + CuCl2 → CaCl2 + Cu↓
Бериллий отличается от остальных щелочноземельных металлов, он больше похож на алюминий по свойствам (это называется диагональным сходством); подобно алюминию может реагировать с щелочами в растворах и расплавах, а его оксид и гидроксид амфотерны:
Be + 2KOH → K2BeO2 + H2↑ – при сплавлении с щелочами образуется средняя соль – бериллат
Be + 2KOH + 2H2O → K2[Be(OH)4]+ H2↑ – при взаимодействии с раствором щёлочи образуется комплексная соль – тетрагидроксобериллат
Соединения щелочноземельных металлов окрашивают пламя в различные цвета:
Кальция – кирпично-красное окрашивание
Стронций – карминово-красное окрашивание
Барий – зелёное окрашивание
