1. Общие свойства металлов

Глав­ную под­груп­пу I груп­пы Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы Д.И. Мен­де­ле­е­ва со­став­ля­ют литий Li, на­трий Na, калий K, ру­би­дий Rb, цезий Cs и фран­ций Fr. Эле­мен­ты этой под­груп­пы от­но­сят к ме­тал­лам. Их общее на­зва­ние – ще­лоч­ные ме­тал­лы.

Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы на­хо­дят­ся в глав­ной под­груп­пе II груп­пы Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы Д.И. Мен­де­ле­е­ва. Это маг­ний Mg, каль­ций Ca, строн­ций Sr, барий Ba и радий Ra.

Ще­лоч­ные и ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы как ти­пич­ные ме­тал­лы про­яв­ля­ют ярко вы­ра­жен­ные вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства. У эле­мен­тов глав­ных под­групп ме­тал­ли­че­ские свой­ства с уве­ли­че­ни­ем ра­ди­у­са воз­рас­та­ют. Осо­бен­но силь­но вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства про­яв­ля­ют­ся у ще­лоч­ных ме­тал­лов. На­столь­ко силь­но, что прак­ти­че­ски невоз­мож­но про­во­дить их ре­ак­ции с раз­бав­лен­ны­ми вод­ны­ми рас­тво­ра­ми, так как в первую оче­редь будет идти ре­ак­ция вза­и­мо­дей­ствия их с водой. У ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов си­ту­а­ция ана­ло­гич­ная. Они тоже вза­и­мо­дей­ству­ют с водой, но го­раз­до менее ин­тен­сив­но, чем ще­лоч­ные ме­тал­лы.

Элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции ва­лент­но­го слоя ще­лоч­ных ме­тал­лов – ns¹ , где n – номер элек­трон­но­го слоя. Их от­но­сят к s-эле­мен­там. У ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов – ns² (s-эле­мен­ты). У алю­ми­ния ва­лент­ные элек­тро­ны …3s²3р¹ (p-эле­мент). Эти эле­мен­ты об­ра­зу­ют со­еди­не­ния с ион­ным типом связи. При об­ра­зо­ва­нии со­еди­не­ний для них сте­пень окис­ле­ния со­от­вет­ству­ет но­ме­ру груп­пы.

Об­на­ру­же­ние ионов ме­тал­ла в солях

Ионы ме­тал­лов легко опре­де­лить по из­ме­не­нию окрас­ки пла­ме­ни. Рис. 1.

Соли лития – кар­ми­но­во-крас­ная окрас­ка пла­ме­ни. Соли на­трия – жел­тый. Соли калия – фи­о­ле­то­вый через ко­баль­то­вое стек­ло. Ру­би­дия – крас­ный, цезия – фи­о­ле­то­во-си­ний.

Рис. 1 Определение ионов ме­тал­лов по из­ме­не­нию окрас­ки пла­ме­ни

Соли ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов: каль­ция – кир­пич­но-крас­ный, строн­ция – кар­ми­но­во-крас­ный и бария – жел­то­ва­то-зе­ле­ный. Соли алю­ми­ния окрас­ку пла­ме­ни не ме­ня­ют. Соли ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов ис­поль­зу­ют­ся для со­зда­ния фей­ер­вер­ков. И можно легко опре­де­лить по окрас­ке, соли ка­ко­го ме­тал­ла при­ме­ня­лись.

2. Щелочные металлы

Свой­ства ме­тал­лов

Ще­лоч­ные ме­тал­лы – это се­реб­ри­сто-бе­лые ве­ще­ства с ха­рак­тер­ным ме­тал­ли­че­ским блес­ком. Они быст­ро туск­не­ют на воз­ду­хе из-за окис­ле­ния. Это мяг­кие ме­тал­лы, по мяг­ко­сти Na, K, Rb, Cs по­доб­ны воску. Они легко ре­жут­ся ножом. Они лег­кие. Литий – самый лег­кий ме­талл с плот­но­стью 0,5 г/см³.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Из-за вы­со­ких вос­ста­но­ви­тель­ных свойств ще­лоч­ные ме­тал­лы бурно ре­а­ги­ру­ют с га­ло­ге­на­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем со­от­вет­ству­ю­ще­го га­ло­ге­ни­да. При на­гре­ва­нии ре­а­ги­ру­ют с серой, фос­фо­ром и во­до­ро­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем суль­фи­дов, гид­ри­дов, фос­фи­дов.

2Na + Cl₂→ 2NaCl

2Na + S  Na₂S

2Na + H₂ 2NaH

3Na + P  Na₃P

Литий – это един­ствен­ный ме­талл, ко­то­рый ре­а­ги­ру­ет с азо­том уже при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре.

6Li + N₂ = 2Li₃N, об­ра­зу­ю­щий­ся нит­рид лития под­вер­га­ет­ся необ­ра­ти­мо­му гид­ро­ли­зу.

Li₃N + 3H₂O → 3LiOH + NH₃↑

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

Толь­ко с ли­ти­ем сразу об­ра­зу­ет­ся оксид лития.

4Li + О₂ = 2Li₂О, а при вза­и­мо­дей­ствии кис­ло­ро­да с на­три­ем об­ра­зу­ет­ся пе­рок­сид на­трия.

2Na + О₂ = Na₂О₂. При го­ре­нии всех осталь­ных ме­тал­лов об­ра­зу­ют­ся над­пе­рок­си­ды.

К + О₂ = КО₂  

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

По ре­ак­ции с водой можно на­гляд­но уви­деть, как из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность этих ме­тал­лов в груп­пе свер­ху вниз. Литий и на­трий спо­кой­но вза­и­мо­дей­ству­ют с водой, калий – со вспыш­кой, а цезий – уже с взры­вом.

2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

8K + 10HNO₃ (конц) → 8KNO₃ + N₂O +5 H₂O

8Na + 5H₂SO₄ (конц) → 4Na₂SO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

По­лу­че­ние ще­лоч­ных ме­тал­лов

Из-за вы­со­кой ак­тив­но­сти ме­тал­лов, по­лу­чать их можно при по­мо­щи элек­тро­ли­за солей, чаще всего хло­ри­дов.

Со­еди­не­ния ще­лоч­ных ме­тал­лов на­хо­дят боль­шое при­ме­не­ние в раз­ных от­рас­лях про­мыш­лен­но­сти. См. Табл. 1. 

РАС­ПРО­СТРА­НЕН­НЫЕ СО­ЕДИ­НЕ­НИЯ ЩЕ­ЛОЧ­НЫХ МЕ­ТАЛ­ЛОВ
NaOH	Едкий натр (ка­у­сти­че­ская сода)
NaCl	По­ва­рен­ная соль
NaNO3	Чи­лий­ская се­лит­ра
Na2SO4∙10H2O	Глау­бе­ро­ва соль
Na2CO3∙10H2O	Сода кри­стал­ли­че­ская
KOH	Едкое кали
KCl	Хло­рид калия (силь­вин)
KNO3	Ин­дий­ская се­лит­ра
K2CO3	Поташ

3. Щелочноземельные металлы

Их на­зва­ние свя­за­но с тем, что гид­рок­си­ды этих ме­тал­лов яв­ля­ют­ся ще­ло­ча­ми, а ок­си­ды рань­ше на­зы­ва­ли «земли». На­при­мер, оксид бария BaO – ба­ри­е­вая земля. Бе­рил­лий и маг­ний чаще всего к ще­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лам не от­но­сят. Мы не будем рас­смат­ри­вать и радий, так как он ра­дио­ак­тив­ный.

Хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

Сa + Cl₂→ 2СaCl₂

Сa + S  СaS

Сa + H₂ СaH₂

3Сa + 2P  Сa₃ P_2-

2. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­ро­дом

2Сa + O₂ → 2CaO

3. Вза­и­мо­дей­ствие с водой

Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂↑, но вза­и­мо­дей­ствие более спо­кой­ное, чем с ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми.

4. Вза­и­мо­дей­ствие с кис­ло­та­ми – силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми

4Sr + 5HNO₃ (конц) → 4Sr(NO₃)₂ + N₂O +4H₂O

4Ca + 10H₂SO₄ (конц) → 4CaSO₄ + H₂S↑ + 5H₂O

По­лу­че­ние ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов

Ме­тал­ли­че­ский каль­ций и строн­ций по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­пла­ва солей, чаще всего хло­ри­дов.

CaCl₂  Сa + Cl₂

Барий вы­со­кой чи­сто­ты можно по­лу­чить алю­мо­тер­ми­че­ским спо­со­бом из ок­си­да бария

3BaO +2Al  3Ba + Al₂O₃

РАС­ПРО­СТРА­НЕН­НЫЕ СО­ЕДИ­НЕ­НИЯ ЩЕ­ЛОЧ­НО­ЗЕ­МЕЛЬ­НЫХ МЕ­ТАЛ­ЛОВ

Са­мы­ми из­вест­ны­ми со­еди­не­ни­я­ми ще­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лов яв­ля­ют­ся: CaО – нега­ше­ная из­весть. Ca(OH)₂ – га­ше­ная из­весть, или из­вест­ко­вая вода. При про­пус­ка­нии уг­ле­кис­ло­го газа через из­вест­ко­вую воду про­ис­хо­дит по­мут­не­ние, так как об­ра­зу­ет­ся нерас­тво­ри­мый кар­бо­нат каль­ция СаСО_3. Но надо пом­нить, что при даль­ней­шем про­пус­ка­нии уг­ле­кис­ло­го газа об­ра­зу­ет­ся уже рас­тво­ри­мый гид­ро­кар­бо­нат и оса­док ис­че­за­ет.

Рис. 2 Гипс и але­бастр ис­поль­зу­ют­ся в стро­и­тель­стве, в ме­ди­цине и для из­го­тов­ле­ния де­ко­ра­тив­ных из­де­лий

СaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂↑ → CaCO₃↓+ H₂O

CaCO₃↓+ H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Гипс – это CaSO₄∙2H₂O, але­бастр – CaSO₄∙0,5H₂O. Гипс и але­бастр ис­поль­зу­ют­ся в стро­и­тель­стве, в ме­ди­цине и для из­го­тов­ле­ния де­ко­ра­тив­ных из­де­лий. Рис. 2.

Кар­бо­нат каль­ция CaCO₃ об­ра­зу­ет мно­же­ство раз­лич­ных ми­не­ра­лов. Рис. 3.

Рис. 3 Кар­бо­нат каль­ция CaCO₃ об­ра­зу­ет мно­же­ство раз­лич­ных ми­не­ра­лов

Фос­фат каль­ция Ca₃(PO₄)₂  – фос­фо­рит, фос­фор­ная мука ис­поль­зу­ет­ся как ми­не­раль­ное удоб­ре­ние.

Чи­стый без­вод­ный хло­рид каль­ция CaCl₂ – это гиг­ро­ско­пич­ное ве­ще­ство, по­это­му ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в ла­бо­ра­то­ри­ях как осу­ши­тель.

Кар­бид каль­ция – CaC₂. Его можно по­лу­чить так:

СaO + 2C →CaC₂ +CO. Одно из его при­ме­не­ний – это по­лу­че­ние аце­ти­ле­на.

CaC₂ + 2H₂O →Ca(OH)₂ + C₂H₂↑

Суль­фат бария BaSO₄ – барит. Рис. 4. Ис­поль­зу­ет­ся как эта­лон бе­ло­го в неко­то­рых ис­сле­до­ва­ни­ях.

Рис. 4 Суль­фат бария BaSO₄ – барит

Жест­кость воды

В при­род­ной воде со­дер­жат­ся соли каль­ция и маг­ния. Если они со­дер­жат­ся в за­мет­ных кон­цен­тра­ци­ях, то  в такой воде не мы­лит­ся мыло из-за об­ра­зо­ва­ния нерас­тво­ри­мых сте­а­ра­тов. При её ки­пя­че­нии об­ра­зу­ет­ся на­кипь.

Вре­мен­ная жест­кость обу­слов­ле­на при­сут­стви­ем гид­ро­кар­бо­на­тов каль­ция и маг­ния Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Такую жест­кость воды можно устра­нить ки­пя­че­ни­ем.

Ca(HCO₃)₂  CaCO₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

По­сто­ян­ная жест­кость воды обу­слов­ле­на на­ли­чи­ем ка­ти­о­нов Ca²⁺., Mg²⁺ и ани­о­нов H₂PO₄^- ,Cl^-, NO₃^- и др. По­сто­ян­ная жест­кость воды устра­ня­ет­ся толь­ко бла­го­да­ря ре­ак­ци­ям ион­но­го об­ме­на, в ре­зуль­та­те ко­то­рых ионы маг­ния и каль­ция будут пе­ре­ве­де­ны в оса­док.

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl

4. Алюминий

Алю­ми­ний и его со­еди­не­ния

Алю­ми­ний за­ни­ма­ет 4-е место по рас­про­стра­нен­но­сти в зем­ной коре, усту­пая крем­нию, кис­ло­ро­ду и во­до­ро­ду. В при­ро­де он при­сут­ству­ет в виде алю­мо­си­ли­ка­тов, глин и бок­си­тов. Рис. 5.

Рис. 5 Алю­ми­ний

По своим хи­ми­че­ским свой­ствам он го­раз­до менее ак­ти­вен, чем ще­лоч­ные и ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы. Во мно­гом это свя­за­но с об­ра­зо­ва­ни­ем не его по­верх­но­сти тон­чай­шей плен­ки ок­си­да, ко­то­рая пре­пят­ству­ет или за­мед­ля­ет мно­гие хи­ми­че­ские ре­ак­ции.

Хи­ми­че­ские свой­ства алю­ми­ния

1. Ре­ак­ция с га­ло­ге­на­ми

2Al + 3I₂ 2AlI₃

2. Сго­ра­ет при на­гре­ва­нии с вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­че­ства теп­ло­ты

4Al + 3O₂ 2Al₂O₃ + Q . При этом может раз­ви­вать­ся тем­пе­ра­ту­ра до 3500⁰С.

3. Ре­ак­ция с неме­тал­ла­ми

2Al + 3S  Al₂S₃

2Al + N₂ 2AlN

4Al + 3С  Al₄С₃

4. Вза­и­мо­дей­ству­ет с водой

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ +3H₂↑ Если снять амаль­га­ми­ро­ва­ни­ем или ме­ха­ни­че­ски плен­ку.

Амаль­га­ми­ро­ва­ние – это на­не­се­ние на по­верх­ность неболь­шо­го ко­ли­че­ства ртути.

5. Алю­ми­ний ак­тив­но вос­ста­нав­ли­ва­ет ме­тал­лы из их ок­си­дов (алю­мо­тер­мия)

Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr; этот спо­соб ис­поль­зу­ет­ся при по­лу­че­нии мно­гих ме­тал­лов: Mn, Cr, V, W, Ba, Sr и др.

6. Вза­и­мо­дей­ству­ет с кис­ло­та­ми-неокис­ли­те­ля­ми

2Al + 6HCl →2AlCl₃ + 3H₂↑

Алю­ми­ний не ре­а­ги­ру­ет с кон­цен­три­ро­ван­ны­ми азот­ной и сер­ной кис­ло­та­ми из-за пас­си­ва­ции. С раз­бав­лен­ной сер­ной или азот­ной кис­ло­той вза­и­мо­дей­ству­ет

8Al + 30HNO₃ →8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

7. Вза­и­мо­дей­ствие со ще­ло­ча­ми. Al, Al₂O₃, Al(OH)₃ вза­и­мо­дей­ству­ют со ще­ло­ча­ми:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ (ам­фо­тер­ные свой­ства).

Al₂O₃ + 2NaOH  = 2NaAlO₂ + H₂O

8. Ре­а­ги­ру­ет с рас­тво­ра­ми солей

2Al + 3CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3Cu

При­ме­не­ние алю­ми­ния

Рис. 6 Алю­ми­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в быту и тех­ни­ке

Алю­ми­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в быту и тех­ни­ке, так как он до­воль­но легок, кор­ро­зи­он­но-устой­чив и неток­си­чен. См. Рис. 6. Часто ис­поль­зу­ют­ся спла­вы алю­ми­ния. Ос­нов­ной – это ду­ра­лю­мин (дю­ра­лю­ми­ний, дю­раль). Это сплав алю­ми­ния, со­дер­жа­щий медь (мас­со­вая доля – 1,4-13%) и неболь­шие ко­ли­че­ства маг­ния, мар­ган­ца и дру­гих ком­по­нен­тов. Ис­поль­зу­ет­ся как кон­струк­ци­он­ный ма­те­ри­ал в авиа- и ма­ши­но­стро­е­нии.

5. Смеси, регенерирующие кислород

Ок­си­ды и пе­рок­си­ды спо­соб­ны ре­а­ги­ро­вать с уг­ле­кис­лым газом, об­ра­зуя кар­бо­нат и кис­ло­род.

Na₂O₂ + CO₂ → Na₂CO₃ + 1/2O₂

KO₂ + CO₂ → K₂CO₃ +  3/2O₂

Если сло­жить эти 2 урав­не­ния ре­ак­ции, то по­лу­чит­ся смесь, вы­де­ля­ю­щая и 2 моль уг­ле­кис­ло­го газа, и 2 моль кис­ло­ро­да.

Na₂O_{2 +} 2KO₂ + 2 CO₂ → Na₂CO₃ + K₂CO₃ + 2О₂. Сум­мар­ный объём газа в левой и пра­вой части урав­не­ния будет оди­на­ков. По­сто­ян­ство объ­ё­ма газа очень важно, так как такие смеси при­ме­ня­ют­ся для уда­ле­ния CO₂ и пре­вра­ще­ния его в нуж­ный для ды­ха­ния кис­ло­род, на­при­мер, в под­вод­ных лод­ках или кос­ми­че­ских стан­ци­ях. Но там не долж­но про­ис­хо­дить пе­ре­па­да дав­ле­ния.

Под­ве­де­ние итога

Была рас­кры­та тема «Ме­тал­лы и их свой­ства. Ще­лоч­ные ме­тал­лы. Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы. Алю­ми­ний». Вы узна­ли общие свой­ства и за­ко­но­мер­но­сти ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных эле­мен­тов, изу­чи­ли по от­дель­но­сти хи­ми­че­ские свой­ства ще­лоч­ных и ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов и их со­еди­не­ния. С по­мо­щью хи­ми­че­ских урав­не­ний было рас­смот­ре­но такое по­ня­тие, как жест­кость воды. По­зна­ко­ми­лись с алю­ми­ни­ем, его свой­ства­ми и спла­ва­ми. Вы узна­ли, что такое смеси, ре­ге­не­ри­ру­ю­щие кис­ло­род, озо­ни­ды, пе­рок­сид бария и по­лу­че­ние кис­ло­ро­да.