И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11/2007

ЗАНЯТИЕ 20
10-й класс (первый год обучения)

Щелочные металлы

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Краткая история открытия и происхождение названия.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Важнейшие соединения: оксиды, пероксиды, гидроксиды, соли.

6. Качественные реакции на катионы щелочных металлов.

7. Нахождение в природе.

8. Основные методы получения.

П о л о ж е н и е  в  т а б л и ц е  Д. И. М е н д е л е е в а,
с т р о е н и е  а т о м а

К щелочным металлам относят элементы Ia группы периодической системы Д.И.Менделеева: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Свое название эти металлы получили потому, что при взаимодействии с водой они и их оксиды образуют щелочи. Щелочные металлы относятся к s-элементам и имеют один валентный электрон на внешнем уровне (ns¹). Сверху вниз в подгруппе радиус атома увеличивается, энергия ионизации уменьшается, способность отдавать валентный электрон увеличивается, поэтому восстановительная способность также увеличивается. Самым активным из щелочных металлов является франций (радиоактивен). Все щелочные металлы хранят под слоем керосина или минерального масла из-за их высокой реакционной способности. В соединениях щелочные металлы всегда проявляют степень окисления +1, преобладающий тип связи – ионная.

К р а т к а я  и с т о р и я  о т к р ы т и я
и  п р о и с х о ж д е н и е  н а з в а н и я

Название лития произошло от греческого слова «камень», поскольку впервые он был обнаружен в виде гидроксида в составе минерала (камня). Название натрия происходит от древнеегипетского «натрон», так называли любую щелочь. Название калия происходит от арабского названия щелочей – «алкали», ранее калий называли «поташ», но это название не прижилось. Рубидий получил свое название из-за цвета спектральных линий (лат. «рубидус» – красный). Цезий также обязан своим названием цвету линии спектра – латинским словом «цезиус» (голубой, светло-серый) в древности обозначали голубизну ясного неба. Франций был назван французской исследовательницей М.Перей, открывшей этот элемент, в честь ее родины.

Ф и з и ч е с к и е  с в о й с т в а

Все щелочные металлы – мягкие серебристые вещества с характерным блеском на свежесрезанной поверхности. Они имеют низкие температуры плавления и кипения, хорошо проводят тепло и электрический ток. Литий, натрий и калий легче воды. Сверху вниз по подгруппе плотность металлов увеличивается, а температуры плавления уменьшаются.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Все щелочные металлы отличаются высокой реакционной способностью. Они реагируют с водородом, кислородом и другими неметаллами:

Щелочные металлы реагируют с водой, образуя щелочи:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂.

Натрий и другие щелочные металлы вытесняют водород из кислот-неокислителей:

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂.

C кислотами-окислителями образуются другие продукты восстановления:

8Na + 5H₂SO₄ (конц.) = 4Na₂SO₄ + H₂S + 4H₂O,

8Na + 10HNO₃ (конц.) = 8NaNO₃ + N₂O + 5H₂O,

8Na + 9HNO₃ (разб.) = 8NaNO₃ + NH₃ + 3H₂O,

8Na + 10HNO₃ (оч. разб.) = 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Металлический натрий вытесняет калий из расплава KCl при 450 °С:

KCl + Na = NaCl + K.

О к с и д ы  щ е л о ч н ы х  м е т а л л о в – твердые вещества белого (оксиды лития и натрия), желтого (оксиды калия и рубидия) и оранжевого (оксид цезия) цвета. Они обладают ярко выраженными основными свойствами. Эти оксиды реагируют с водой, кислотами, амфотерными и кислотными оксидами, кислородом:

Оксид лития получают прямым взаимодействием простых веществ, остальные оксиды получают другими способами – при нагревании смеси гидроксида, пероксида и надпероксида с избытком соответствующего металла в отсутствие кислорода, например:

П е р о к с и д ы  щ е л о ч н ы х  м е т а л л о в – желтовато-белые порошки. Они реагируют с водой, неметаллами, кислотами, угарным и углекислым газами. В ОВР пероксиды проявляют окислительно-восстановительную двойственность, например:

Г и д р о к с и д ы  щ е л о ч н ы х  м е т а л л о в – твердые белые вещества, хорошо растворимые в воде. Щелочи проявляют ярко выраженные основные свойства. При движении вниз по подгруппе от Li к Fr растворимость в воде их щелочей и сила оснований увеличиваются. Эти гидроксиды являются сильными электролитами, реагируют с кислотами, кислотными оксидами, некоторыми неметаллами, амфотерными оксидами и гидроксидами, солями:

Все гидроксиды щелочных металлов, кроме гидроксида лития, термически устойчивы. Гидроксид лития при прокаливании разлагается на оксид и воду:

Гидроксиды щелочных металлов можно получить электролизом водных растворов хлоридов, взаимодействием металла или его оксида с водой или некоторыми обменными реакциями:

Большинство с о л е й  щ е л о ч н ы х  м е т а л л о в хорошо растворимы в воде, исключение составляют некоторые соли лития. Растворы солей щелочных металлов, образованных слабыми кислотами, имеют щелочную реакцию среды вследствие гидролиза. Cоли, образованные сильными кислотами, не гидролизуются, например:

Соли и другие соединения щелочных металлов изменяют окраску пламени, что используется в химическом анализе. Ионы лития окрашивают пламя в карминово-красный цвет, ионы калия – в фиолетовый, ионы натрия – в желтый, ионы рубидия – в беловато-розовый, ионы цезия – в фиолетово-красный цвет.

В  п р и р о д е щелочные металлы встречаются только в виде соединений вследствие своей высокой химической активности. Важнейшие соединения: поваренная соль NaCl, сильвинит NaCl•KCl, мирабилит, или глауберова соль, Na₂SO₄•10H₂O, селитры – NaNO₃, KNO₃.

Щ е л о ч н ы е  м е т а л л ы  п о л у ч а ю т электролизом расплавов солей (чаще хлоридов) или щелочей, например:

Тривиальные названия распространенных солей: поваренная (каменная) соль NaCl, кальцинированная сода Na₂CO₃, каустическая сода NaOH, кристаллическая сода Na₂CO₃•10H₂O, питьевая сода NaHCO₃; марганцовка KMnO₄, бертолетова соль KClO₃, глауберова соль Na₂SO₄•10H₂O, калийная селитра KNO₃, поташ K₂CO₃, растворимое стекло или силикатный клей – смесь силикатов натрия, калия.

Тест по теме «щелочные металлы»

1. В промышленности металлический натрий может быть получен:

а) взаимодействием раствора хлорида натрия с металлическим калием;

б) электролизом расплава гидроксида натрия;

в) восстановлением оксида натрия водородом;

г) электролизом раствора гидроксида натрия.

2. Какой металл может плавать на поверхности воды? (возможно более одного варианта ответа.)

а) Осмий; б) алюминий;

в) литий; г) калий.

3. Из перечисленных солей выберите ту, которая гидролизуется с образованием раствора, имеющего рН > 7:

а) сульфид свинца; б) нитрит свинца;

в) йодид натрия; г) сульфид калия.

4. Ионы калия придают окраске пламени цвет:

а) желтый; б) фиолетовый;

в) карминово-красный; г) оранжевый.

5. При электролизе раствора фосфата калия образуются следующие продукты реакции:

а) на катоде – водород, на аноде – кислород, в растворе – фосфат калия;

б) на катоде – калий, на аноде – фосфорная кислота, в растворе – вода;

в) на катоде – водород, на аноде – фосфорная кислота, в растворе – гидроксид калия;

г) на катоде – калий и водород, на аноде – кислород, в растворе – фосфорная кислота.

6. Какой объем раствора хлорида натрия с молярной концентрацией 3 моль/л и плотностью 1,12 г/мл надо прилить к воде массой 200 г, чтобы получить раствор с массовой долей поваренной соли 10%?

а) 56,7 мл; б) 200 мл; в) 94,2 мл; г) 315 мл.

7. Сумма коэффициентов в реакции взаимодействия калия с избытком сильно разбавленного раствора азотной кислоты равна:

а) 30; б) 29; в) 7; г) 12.

8. При растворении 10,8 г гидрида щелочного металла в воде выделяется 10,08 л газа (н.у.). Металл, входящий в состав гидрида, – это:

а) литий; б) натрий;

в) калий; г) рубидий.

9. Коэффициент перед восстановителем в ОВР между нитритом калия и дихроматом калия в сернокислом растворе равен:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

10. Какое вещество является природным источником калия?

а) надпероксид калия; б) гидроксид калия;

в) нитрат калия; г) гидрид калия.

Ключ к тесту

Задачи и упражнения по теме «Щелочные металлы»

Цепочки превращений

1. Хлорид натрия карбонат натрия хлорид натрия гидроксид натрия натрий сульфат натрия хлорид натрия.

2. Калий гидроксид калия гидрокарбонат калия карбонат калия сульфат калия хлорид калия гидросульфат калия.

3. Хлорид натрия гидроксид натрия карбонат натрия гидрокарбонат натрия нитрат натрия.

4. Хлорид натрия гидроксид натрия карбонат натрия гидроксид натрия натрий нитрат натрия.

5. Гидроксид калия хлорид калия нитрат калия нитрит калия хлорид калия.

6. Натрий пероксид натрия оксид натрия гидроксид натрия хлорат натрия хлорид натрия нитрат натрия нитрит натрия.

7. Хлорид натрия натрий гидрид натрия гидроксид натрия гидросульфит натрия.

У р о в е н ь  А

1. Образец бинарного соединения натрия с элементом пятой группы содержит 4,14 г натрия и 4,5 г другого элемента. Назовите это соединение.

Ответ. Арсенид натрия Na₃As.

2. При действии избытка воды на 1,38 г металла выделился газ, занимающий при н.у. объем 672 мл. Определите металл.

m(M) = 1,38 г,

V(газа) = 0,672 л.

Найти:

M и A_r(M).

Решение

По закону эквивалентов:

где газ – водород, Э(М) – эквивалент металла.

Если валентность металла I, то A_r(M) = 23, металл – натрий Na.

Если валентность металла II, то A_r(M) = 46, такого металла нет.

Ответ. Натрий.

3. Найдите массу соли, образующейся при сжигании 11,2 г лития в 20 л хлора (н.у.).

Ответ. 68 г.

4. Через склянку, содержащую раствор гидроксида натрия массой 80 г, пропустили избыток углекислого газа, в результате чего масса раствора увеличилась на 8,8 г. Найдите массовую долю гидроксида натрия в исходном растворе.

Ответ. 10%.

5. Какая масса 40%-го раствора гидроксида натрия необходима для получения 212 г карбоната натрия, если доля выхода продукта реакции составляет 80% от теоретически возможного?

Ответ. 500 г.

6. При электролизе 400 г 20%-го раствора хлорида калия получен раствор гидроксида калия. Через этот раствор пропустили избыток углекислого газа. Найдите массу соли, образовавшейся в растворе, если доли выхода продуктов описанных реакций составляют 80% и 75% от теоретически возможного.

Ответ. 64,43 г.

У р о в е н ь  Б

1. Масса щелочного металла, необходимого для получения его бромида, в 1,395 раза больше, чем масса этого металла, необходимая для получения его йодида. Определите металл, если известно, что массы полученных галогенидов одинаковы.

Ответ. Калий.

2. Образец натрия массой 2,3 г опустили в 5%-й раствор гидроксида натрия. После окончания реакции массовая доля гидроксида натрия в растворе стала равна 10%. Найдите массу 5%-го раствора гидроксида натрия.

Ответ. 75,6 г.

3. При добавлении смеси лития с гидридом лития к 200 г 5%-го раствора гидроксида лития образовался 10%-й раствор гидроксида лития. Найдите массу смеси лития с гидридом лития, если известно, что количества веществ ее компонентов одинаковы.

Решение

200 г 5%-го раствора LiOH содержат m₀(LiOH) = 10 г и 190 г H₂O.

Уравнения протекающих реакций:

а) 2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂;

б) LiH + H₂O = LiOH + H₂.

Обозначим (Li) = (LiH) за x моль.

Массовая доля полученного раствора ₁(р-ра) = 10%, или 0,1; ₁(р-ра) = m₁(LiOH)/ m₀(р-ра).

Общая масса гидроксида лития: m₁(LiOH) = m₀(LiOH) (10 г) + m_a(LiOH) (в реакции а, 24х г) +
+ m_б(LiOH) (в реакции б, 24х г).

Масса нового раствора: m₁(р-ра) = m(Li) (7х г) + m(LiH) (8х г) + m₀(р-ра) (200 г) – m(Н₂)
(в реакции а, 0,5х г) – m(Н₂) (в реакции б, 0,5х г).

Отсюда х = 0,2146 моль.

m(Li) = •M(Li) = 0,2146•7 = 1,5 г,

m(LiH) = •M(LiH) = 0,2146•8 = 1,7 г.

Масса исходной смеси Li и LiH:

1,5 + 1,7 = 3,2 г.

Ответ. 3,2 г.

4. При действии избытка углекислого газа на 32,9 г неизвестного соединения металла с кислородом образовалось твердое вещество А и выделился газ В. Вещество А растворили в воде и добавили избыток раствора нитрата бария, при этом выпало 27,58 г осадка. Газ В пропустили через трубку с раскаленной медью, масса трубки при этом увеличилась на 6,72 г. Установите формулу исходного соединения.

Ответ. RbO₂.

Качественные задачи

1. В четырех пробирках находятся водные растворы сульфида, сульфита, сульфата и силиката натрия. Как с помощью одного реактива можно распознать содержимое каждой пробирки? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

Ответ. Реактив – кислота HCl.

2. Простое вещество, газ А желто-зеленого цвета с резким запахом реагирует с серебристо-белым металлом В, плотность которого меньше плотности воды. В результате образуется вещество С, окрашивающее пламя в коричнево-красный цвет. При действии на твердое вещество С концентрированной серной кислотой при нагревании выделяется бесцветный газ D с резким запахом, хорошо растворимый в воде. Определите вещества А, В, С, D, напишите уравнения перечисленных реакций.

Ответ. А – Cl₂, B – Li, C – LiCl, D – HCl.

3. В четырех пробирках находятся растворы веществ: техническая сода, растворимое стекло (или силикатный клей), каустическая сода, серная кислота. Предложите наиболее рациональный путь определения каждого из этих веществ.

Ответ. Определить среду растворов универсальным бумажным индикатором,
а затем к щелочным растворам добавить кислоту HCl.

4. С какими из данных веществ будет взаимодействовать оксид калия: сернистый газ, вода, ортофосфорная кислота, гидроксид натрия, сульфат железа(III), йодоводородная кислота. Напишите уравнения возможных реакций.

Ответ. Оксид K₂O реагирует с SO₂, H₂O, H₃PO₄ и HI.

5. Вещество А – мягкий серебристо-белый металл, легче воды. При взаимодействии вещества А с простым веществом В образуется соединение С, растворимое в воде с образованием щелочного раствора. При обработке вещества С соляной кислотой выделяется газ D с неприятным запахом и образуется соль, окрашивающая пламя горелки в фиолетовый цвет. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. А – K, B – S, C – K₂S, D – H₂S.

Печатается с продолжением