Щелочные металлы и их соединения

Щелочные металлы — элементы главной подгруппы I группы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и радиоактивный франций. У каждого на внешнем энергетическом уровне ровно один s-электрон, а под ним — устойчивая оболочка ближайшего благородного газа. Отдать этот электрон энергетически очень выгодно, поэтому во всех соединениях щелочные металлы проявляют единственную степень окисления +1.

Сверху вниз по группе растёт число уровней и атомный радиус, внешний электрон всё дальше от ядра и экранирован сильнее. Энергия ионизации падает, электроотрицательность падает — металлические и восстановительные свойства усиливаются от Li к Cs. Это ключевая закономерность задания 6.

• Все щелочные металлы — s-элементы, на внешнем уровне 1 электрон.
• Степень окисления в соединениях всегда +1, других не бывает.
• От Li к Cs растёт радиус и падает энергия ионизации — активность растёт.
• Простые вещества мягкие (режутся ножом), лёгкие и легкоплавкие; цезий плавится уже при 28 °C.

Самый популярный «капкан» задания 6: при горении на воздухе щелочные металлы дают разные продукты. Обычный оксид получается только у лития. Натрий сгорает до пероксида, а калий, рубидий и цезий — до надпероксида.

Оксиды Na₂O, K₂O нельзя получить прямым сжиганием — их готовят косвенно, например восстановлением пероксида избытком металла: Na₂O₂ + 2Na → 2Na₂O. Сами пероксид и надпероксид — сильные окислители, они реагируют с водой и с углекислым газом:

С водой все щелочные металлы реагируют одинаково по схеме — образуется щёлочь и водород, — но с резко разной бурностью. Литий «шипит» и не плавится, натрий плавится в шарик и бегает по поверхности, калий воспламеняется, а рубидий и цезий реагируют со взрывом.

С неметаллами щелочные металлы соединяются напрямую. Здесь важно не забыть про нитриды и гидриды и про особое поведение лития: он единственный реагирует с азотом уже при обычных условиях.

Гидриды и нитриды полностью гидролизуются водой — типовой вопрос второй части, но знать продукты полезно и для задания 6:

Летучие соли щелочных металлов окрашивают пламя горелки в характерный цвет: возбуждённые электроны, возвращаясь на нижние уровни, излучают свет строго определённой длины волны. Это простейший способ распознать катион.

Оксиды щелочных металлов — типичные основные оксиды: они реагируют с водой, кислотами и кислотными оксидами. Гидроксиды MeOH — щёлочи, растворимые сильные основания; их сила растёт от LiOH к CsOH. LiOH — самая слабая из щелочей и в воде растворим хуже остальных.

Соли щелочных металлов почти все растворимы. У нескольких есть тривиальные названия, которые обязательно нужно узнавать в тексте задания.

Карбонаты и гидрокарбонаты щелочных металлов дают щелочную среду за счёт гидролиза по аниону слабой кислоты. Гидрокарбонат натрия при нагревании разлагается — на этом основано его применение в выпечке и в порошковых огнетушителях:

Щелочные металлы — сильнейшие восстановители, поэтому в природе они встречаются только в виде соединений и получить их химическим восстановлением нельзя. Единственный промышленный способ — электролиз расплава (не раствора!) хлорида или гидроксида.

На воздухе щелочной металл мгновенно тускнеет: реагирует с кислородом и парами воды. Поэтому натрий и калий хранят под слоем керосина (или в запаянных ампулах): керосин не содержит воды и кислорода и не реагирует с металлом. Литий из-за малой плотности в керосине всплывает, его хранят в вазелине или под слоем парафина.

• Получение — только электролиз расплава солей или щелочей.
• Электролиз водного раствора NaCl даёт H₂, Cl₂ и NaOH, но не натрий.
• Хранят под керосином; на воздухе металл окисляется и покрывается коркой.
• Тушить горящий щелочной металл водой и углекислотным огнетушителем нельзя — только сухим песком.

• Внешний уровень ns¹, степень окисления только +1; активность растёт от Li к Cs.
• Горение: Li → Li₂O, Na → Na₂O₂, K/Rb/Cs → MeO₂ (надпероксид).
• С водой всегда 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂↑, бурность растёт вниз по группе.
• Только литий реагирует с азотом при обычных условиях: 6Li + N₂ → 2Li₃N.
• Пламя: Li — карминовый, Na — жёлтый, K — фиолетовый, Ca — кирпичный, Ba — зелёный.
• Тривиальные названия: Na₂CO₃ — кальцинированная сода, NaHCO₃ — питьевая, K₂CO₃ — поташ, KNO₃ — селитра.
• Получение — электролиз расплава; хранение — под слоем керосина.