Главная / Неорганическая химия / Металлы / Щелочные металлы

Щелочные металлы

Химия элементов IА группы: от Лития до Франция

🧠

Вызов для любознательных!

В самом конце этой страницы мы подготовили для вас необычное задание — увлекательную околоолимпиадную цепочку превращений со сложной схемой. Дочитайте теорию до конца и проверьте свою химическую логику!

Важно для ЕГЭ

Щелочные металлы — самые активные металлы. В соединениях они всегда проявляют постоянную степень окисления +1. Их гидроксиды являются растворимыми в воде сильными основаниями (щелочами).

1. Общая характеристика элементов IA группы

К щелочным металлам относятся элементы главной подгруппы I группы Периодической системы:

Строение атома

Все эти элементы имеют сходное строение внешнего электронного уровня:

ns1

На внешнем уровне находится всего один валентный s-электрон, который они легко отдают в химических реакциях, проявляя свойства сильных восстановителей.

Закономерности в группе (Li → Fr)

Закономерности в группе (Li → Fr)
Рис. 1. Закономерности в группе (Li → Fr)

Физические свойства

Физические свойства
Рис. 2. Физические свойства (Li → Fr)

Щелочные металлы — это мягкие вещества серебристо-белого цвета (на свежем срезе). Их можно резать ножом

Демонстрация
Демонстрация
. Обладают характерным металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью. Имеют низкие температуры плавления и низкую плотность (литий, натрий и калий легче воды).

Из-за высокой химической активности их хранят под слоем керосина или в запаянных ампулах (чтобы исключить контакт с кислородом и влагой воздуха).

Вопрос 1: Закономерности изменения свойств

Проверка

Расположите следующие щелочные металлы в порядке увеличения их восстановительной активности в водных растворах: Натрий, Литий, Калий. Какое исключение из общей тенденции здесь наблюдается?

Ответ: Натрий → Калий → Литий.

Пояснение: Обычно восстановительная способность в группе увеличивается сверху вниз (Na < K). Однако в водном растворе литий является сильнейшим восстановителем за счет аномально высокой энергии гидратации его маленького катиона $Li^+$.

Вопрос 2: Хранение щелочных металлов

Проверка

Почему металлический литий нельзя хранить под слоем керосина, как это делают с натрием и калием?

Ответ: Литий слишком легкий и всплывает на поверхность керосина.

Пояснение: Плотность лития составляет всего 0.534 г/см³, что значительно меньше плотности керосина (~0.8 г/см³). Он просто всплывет на поверхность и окислится на воздухе. Поэтому литий хранят в вазелине или парафине.

2. Нахождение в природе

Ввиду своей исключительной активности, в свободном виде щелочные металлы в природе не встречаются. Они существуют только в виде соединений (солей).

Название минералаФормула / Химическое название
Каменная соль (Галит)
Формула: NaCl

Химическое название: Хлорид натрия
Сильвин
Формула: KCl

Химическое название: Хлорид калия
Сильвинит
Формула: NaCl · KCl

Химическое название: Смешанный хлорид натрия-калия
Глауберова соль (Мирабилит)
Формула: Na2SO4 · 10H2O

Химическое название: Декагидрат сульфата натрия
Селитра чилийская
Формула: NaNO3

Химическое название: Нитрат натрия

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Установите соответствие между названием минерала и его химической формулой:
1) Сильвин
2) Галит (каменная соль)
3) Чилийская селитра

А) $NaCl$
Б) $NaNO_3$
В) $KCl$

Ответ: 1 - В, 2 - А, 3 - Б.

Пояснение: Сильвин — это хлорид калия ($KCl$), галит — хлорид натрия ($NaCl$), а чилийская селитра — нитрат натрия ($NaNO_3$).

3. Способы получения

Основной промышленный метод получения щелочных металлов — электролиз расплавов их солей (чаще всего хлоридов).

Способ / Металл Описание процесса и уравнения реакций
Электролиз расплава
(Li, Na)
Электролитическое получение щелочных металлов осуществляют исключительно из расплавов солей (чаще всего хлоридов), так как в водных растворах из-за активности металлов на катоде будет восстанавливаться водород:
2NaCl(расплав) → 2Na + Cl2↑
Катод (-): Na+ + e- → Na0
Анод (+): 2Cl- - 2e- → Cl20
Примечание: Аналогично получают литий из расплава LiCl.
Термохимическое восстановление
(K, Rb, Cs)
Более тяжелые металлы (K, Rb, Cs) технически сложно получать электролизом. Их получают металлотермически или вакуумтермически — вытесняют из расплавов хлоридов парами более активного натрия, либо восстанавливают кальцием или цирконием:
KCl + Na t°⇄ NaCl + K↑
2CsCl + Ca t°→ CaCl2 + 2Cs↑

Вопрос 1: Получение щелочных металлов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций получения щелочных металлов и расставьте коэффициенты:

  1. $NaCl(расплав) \xrightarrow{эл. ток} \dots + \dots$
  2. $KCl + Na \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
  3. $CsCl + Ca \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $2NaCl \xrightarrow{эл. ток} 2Na + Cl_2\uparrow$
  2. $KCl + Na \xrightarrow{t^\circ} NaCl + K\uparrow$
  3. $2CsCl + Ca \xrightarrow{t^\circ} CaCl_2 + 2Cs\uparrow$

Пояснение: Натрий и литий получают электролизом расплавов хлоридов. В водных растворах на катоде выделяется водород. Тяжелые щелочные металлы получают вытеснением из расплавов хлоридов парами более летучего и легкого натрия, либо кальцием.

4. Химические свойства простых веществ (Металлов)

Щелочные металлы — сильнейшие восстановители. Они легко отдают единственный внешний электрон, превращаясь в положительно заряженные ионы M+.

Реагент Описание процесса и уравнения реакций
С галогенами
Щелочные металлы самовоспламеняются в атмосфере галогенов уже при комнатной температуре. Образуются прочные ионные соли-галогениды:
2Na + Cl2 → 2NaCl
Демонстрация

2K + I2 → 2KI
2Cs + F2 → 2CsF
Демонстрация
С серой
Реакция с расплавленной серой носит взрывной характер. Калий и рубидий способны реагировать с серой даже при механическом растирании:
2Na + S t°→ Na2S
Реакция натрия с серой
2Rb + S t°→ Rb2S
Демонстрация
С фосфором
Реакция требует нагревания, после чего идет с сильным выделением теплоты. Образуются фосфиды:
3K + P t°→ K3P
Реакция калия с фосфором
С водородом
При нагревании присоединяют водород, образуя солеобразные (ионные) гидриды. Гидриды — мощные восстановители и бурно реагируют с водой:
2Na + H2 t°→ 2NaH
С азотом
Только литий способен медленно связывать азот при комнатной температуре благодаря огромной энергии решетки нитрида лития. Остальные металлы образуют нитриды только при сильном нагревании или электрическом разряде:
6Li + N2 → 2Li3N
Реакция лития с азотом
С кислородом

Важное различие

Реакция с кислородом специфична. Маленький ион лития образует устойчивый нормальный оксид. Более крупные образуют пероксиды или надпероксиды:
• Литий образует нормальный оксид: 4Li + O2 → 2Li2O
Демонстрация

• Натрий образует пероксид: 2Na + O2 → Na2O2
• Калий, Рубидий, Цезий образуют надпероксиды: K + O2 → KO2
Демонстрация
Демонстрация
Цезий на воздухе самовозгорается мгновенно.
С водой
Взаимодействие с водой идет исключительно активно. Литий реагирует спокойно, натрий плавится и бегает по поверхности, калий воспламеняет водород фиолетовым пламенем, а тяжелые металлы реагируют со взрывом:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
Демонстрация
Демонстрация
Демонстрация
Демонстрация
Демонстрация
С кислотами
Бурно растворяются в кислотах с выделением водорода или глубоких продуктов восстановления кислоты-окислителя. Реакция часто сопровождается взрывом выделяющейся газовой смеси:
С HCl: 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑
Демонстрация
Демонстрация

С конц. H2SO4 (возможно образование H2S и S):
8Na + 5H2SO4(конц.) → 4Na2SO4 + H2S + 4H2O

С азотной кислотой (HNO3):
Демонстрация

С концентрированной (образуется N2O):
8Na + 10HNO3(конц.) → 8NaNO3 + N2O↑ + 5H2O
С разбавленной (образуется N2):
10Na + 12HNO3(разб.) → 10NaNO3 + N2↑ + 6H2O
С очень разбавленной (образуется NH4NO3):
8Na + 10HNO3(оч. разб.) → 8NaNO3 + NH4NO3 + 3H2O

Взаимодействие с органическими веществами

Щелочные металлы способны замещать водород в соединениях, обладающих даже очень слабыми кислотными свойствами:

Реагент Описание процесса и уравнения реакций
Со спиртами
образование алкоголятов
2CH3OH + 2Na → 2CH3ONa + H2↑
Демонстрация
С фенолом
образование фенолятов
2C6H5OH + 2Na → 2C6H5ONa + H2↑
Реакция фенола с натрием
С алкинами
с концевой тройной связью
HC≡CH + 2Na → NaC≡CNa + H2↑
С галогеналканами
реакция Вюрца
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl

Щелочные металлы способны замещать водород в соединениях, обладающих даже очень слабыми кислотными свойствами:

Вопрос 1: Реакции простых веществ с кислородом (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций горения щелочных металлов в кислороде:

  1. $Li + O_2 \rightarrow \dots$
  2. $Na + O_2 \rightarrow \dots$
  3. $K + O_2 \rightarrow \dots$

Ответ:

  1. $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$ (нормальный оксид)
  2. $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$ (пероксид)
  3. $K + O_2 \rightarrow KO_2$ (надпероксид)

Пояснение: Это важнейшая особенность свойств элементов IA группы, которую очень часто проверяют на экзаменах!

Вопрос 2: Реакции простого вещества (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения химических свойств щелочных металлов и расставьте коэффициенты:

  1. $Li + N_2 \rightarrow \dots$ (без нагревания)
  2. $Na + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  3. $Na + H_2SO_4(конц.) \rightarrow Na_2SO_4 + H_2S\uparrow + \dots$
  4. $K + HNO_3(разб.) \rightarrow \dots + N_2O\uparrow + \dots$
  5. $Na + CH_3OH \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  6. $Na + HC\equiv CH \rightarrow \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$
  2. $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$
  3. $8Na + 5H_2SO_4(конц.) \rightarrow 4Na_2SO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O$
  4. $8K + 10HNO_3(разб.) \rightarrow 8KNO_3 + N_2O\uparrow + 5H_2O$
  5. $2Na + 2CH_3OH \rightarrow 2CH_3ONa + H_2\uparrow$
  6. $2Na + 2HC\equiv CH \rightarrow 2NaC\equiv CH + H_2\uparrow$

Пояснение: Щелочные металлы — сильнейшие восстановители. Они восстанавливают кислоты-окислители до самых глубоких степеней (сероводород, $N_2O$, $N_2$, $NH_4^+$) и способны вытеснять водород из воды, спиртов и терминальных алкинов.

5.1. Оксиды щелочных металлов (M2O)

Оксиды (например, Na2O, K2O) — это твердые вещества, проявляющие ярко выраженные основные свойства.

Получение: Прямым окислением можно получить только Li2O. Оксиды других металлов получают косвенно:

Способ / Условие Описание процесса и уравнения реакций
Прямое окисление
Прямым окислением кислородом можно получить только оксид лития. Оксиды других металлов получают косвенно.
Нагревание пероксида с металлом
Оксид натрия получают косвенным путем: сплавлением пероксида натрия с металлическим натрием в отсутствие кислорода (иначе натрий сгорит до пероксида):
Na2O2 + 2Na → 2Na2O
Нагревание нитрата с металлом
Нитраты щелочных металлов являются сильными окислителями при нагревании. Металлический натрий восстанавливает азот из нитрата до молекулярного азота, сам окисляясь до оксида:
2NaNO3 + 10Na → 6Na2O + N2↑
Взаимодействие металла с расплавом щелочи
Расплавы щелочей также могут быть восстановлены избытком чистого щелочного металла с образованием оксида и выделением газообразного водорода:
2Na + 2NaOH → 2Na2O + H2↑
Разложение гидроксида
Из-за малого радиуса иона лития его гидроксид наименее термически устойчив среди щелочных. Он разлагается при прокаливании до оксида и воды. Остальные щелочи плавятся и кипят без разложения:
2LiOH t°→ Li2O + H2O

Химические свойства:

Свойство / Реагент Описание процесса и уравнения реакций
С водой
Оксиды щелочных металлов являются типичными сильноосновными оксидами. Они экзотермично взаимодействуют с водой, образуя растворимые щелочи:
Na2O + H2O → 2NaOH
Растворение оксида натрия в воде
С кислотными оксидами
Легко вступают во взаимодействие с кислотными оксидами с образованием средних солей:
Na2O + CO2 → Na2CO3
С амфотерными оксидами и гидроксидами (при сплавлении)
При сплавлении (твердофазная реакция) основные оксиды реагируют с амфотерными. При этом образуются безводные соли — алюминаты, цинкаты и т.д.:
Na2O + Al2O3 t°→ 2NaAlO2 (метаалюминат натрия)
K2O + Zn(OH)2 t°→ K2ZnO2 + H2O (цинкат калия)
Сплавление оксида калия с гидроксидом цинка
С кислотами
Типичная реакция нейтрализации основного оксида кислотой, приводящая к образованию соли и воды:
K2O + 2HCl → 2KCl + H2O
Окисление кислородом
Оксиды натрия, калия и более тяжелых щелочных металлов способны присоединять кислород при нагревании, переходя в более богатые кислородом пероксиды и надпероксиды. Оксид лития не переходит в пероксид прямым окислением:
2Na2O + O2 → 2Na2O2

Вопрос 1: Свойства оксидов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций основных оксидов и расставьте коэффициенты:

  1. $Na_2O_2 + Na \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  2. $K_2O + H_2O \rightarrow \dots$
  3. $Li_2O + CO_2 \rightarrow \dots$
  4. $Na_2O + Al_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  5. $K_2O + P_2O_5 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  6. $Na_2O + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$

Ответ:

  1. $Na_2O_2 + 2Na \xrightarrow{t^\circ} 2Na_2O$ (способ получения оксида натрия)
  2. $K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$
  3. $Li_2O + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3$
  4. $Na_2O + Al_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 2NaAlO_2$
  5. $3K_2O + P_2O_5 \xrightarrow{t^\circ} 2K_3PO_4$
  6. $2Na_2O + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Na_2O_2$

Пояснение: Основные оксиды щелочных металлов активно реагируют с водой, кислотными и амфотерными оксидами (при сплавлении).

5.2. Пероксиды щелочных металлов (M2O2)

Содержат кислород в степени окисления -1 (группа -O-O-). Пероксид натрия Na2O2 — желтоватый порошок.

Свойства:

Свойство / Реагент Описание процесса и уравнения реакций
Реакция с водой (гидролиз) На холоде:
Na2O2 + 2H2O → 2NaOH + H2O2

При нагревании (диспропорционирование):
2Na2O2 + 2H2O → 4NaOH + O2↑
Пероксид натрия в горячей воде
С углекислым газом
Регенерация воздуха на подводных лодках:
2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2↑
С минеральными кислотами На холоде (обменная реакция):
Na2O2 + 2HCl → 2NaCl + H2O2

При нагревании (диспропорционирование):
2Na2O2 + 2H2SO4(разб.гор.) → 2Na2SO4 + 2H2O + O2↑
Термическое разложение 2Na2O2 t°→ 2Na2O + O2↑
Окислительные свойства (с восстановителями) С угарным газом: Na2O2 + CO → Na2CO3
С сернистым газом: Na2O2 + SO2 → Na2SO4
С серой: 2Na2O2 + S → Na2SO3 + Na2O
С иодидами в кислой среде:
Na2O2 + 2H2SO4 + 2NaI → I2 + 2Na2SO4 + 2H2O
Образование йода
С солями железа (II):
Na2O2 + 2H2SO4 + 2FeSO4 → Fe2(SO4)3 + Na2SO4 + 2H2O
С солями хрома (III) в щелочной среде:
3Na2O2 + 2Na3[Cr(OH)6] → 2Na2CrO4 + 8NaOH + 2H2O
Восстановительные свойства
С сильными окислителями (например, с перманганатом калия в кислой среде выделяется кислород):
5Na2O2 + 2KMnO4 + 8H2SO4 → 5O2↑ + 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 8H2O
Обесцвечивание перманганата

Вопрос 1: Реакции пероксидов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций пероксида натрия и расставьте коэффициенты:

  1. $Na_2O_2 + H_2O(холод) \rightarrow \dots + \dots$
  2. $Na_2O_2 + H_2O \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
  3. $Na_2O_2 + CO_2 \rightarrow \dots + \dots\uparrow$ (регенерация воздуха)
  4. $Na_2O_2 + KI + H_2SO_4 \rightarrow \dots + I_2\downarrow + \dots$
  5. $Na_2O_2 + CO \rightarrow \dots$

Ответ:

  1. $Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2$
  2. $2Na_2O_2 + 2H_2O \xrightarrow{t^\circ} 4NaOH + O_2\uparrow$
  3. $2Na_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2Na_2CO_3 + O_2\uparrow$
  4. $Na_2O_2 + 2KI + 2H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + I_2\downarrow + K_2SO_4 + 2H_2O$
  5. $Na_2O_2 + CO \rightarrow Na_2CO_3$

Пояснение: Пероксиды диспропорционируют при нагревании в воде и при реакции с углекислым газом. В присутствии восстановителей (угарный газ, иодид-ионы) пероксид выступает типичным окислителем за счет кислорода со степенью окисления -1.

5.3. Гидроксиды (Щелочи)

Гидроксиды щелочных металлов (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH) — твердые белые вещества, гигроскопичные, прекрасно растворимые в воде. Являются сильными основаниями (щелочами).

Тривиальные названия: NaOH — едкий натр (каустическая сода), KOH — едкое кали.

Способы получения:

Способ / Метод Описание процесса и уравнения реакций
Электролиз растворов хлоридов
Основной промышленный способ:
2NaCl + 2H2O эл.→ 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
Гидратация (взаимодействие с водой) Металлы: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
Оксиды: Na2O + H2O → 2NaOH
Пероксиды: Na2O2 + H2O → 2NaOH + H2O2
Гидриды: 2NaH + 2H2O → 2NaOH + H2↑
Обменные реакции (каустификация)
Взаимодействие растворимых солей щелочных металлов с гидроксидами кальция (известковым молоком) или бария. Реакция идет до конца за счет выпадения нерастворимого карбоната/сульфата кальция или бария, оставляя в растворе щелочь:
K2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2KOH

Химические свойства:

Реагент / Условие Описание процесса и уравнения реакций
Диссоциация
Сильные электролиты, диссоциируют нацело.
NaOH ⇄ Na+ + OH-
Среда щелочная, изменяют окраску индикаторов (лакмус — синий, фенолфталеин — малиновый, метилоранж — желтый).
С кислотами (любыми)
Реакция нейтрализации: щелочи бурно, с выделением тепла, реагируют и с сильными, и со слабыми кислотами. В зависимости от соотношения щелочи (избыток/недостаток) и основности кислоты образуются средние или кислые соли:
3KOH + H3PO4 → K3PO4 + 3H2O (избыток щелочи)
2KOH + H3PO4 → K2HPO4 + 2H2O
KOH + H3PO4 → KH2PO4 + H2O (избыток кислоты)
С кислотными оксидами
Растворимые щелочи легко поглощают кислотные оксиды (CO₂, SO₂, NO₂). Избыток щелочи дает среднюю соль (карбонат), а избыток газа — кислую (гидрокарбонат). Оксид NO₂ диспропорционирует во влажной среде, давая смесь нитрита и нитрата:
2NaOH(изб.) + CO2 → Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2(изб.) → NaHCO3

С оксидом NO2 (диспропорционирование):
2NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O
В присутствии O2:
4NO2 + 4KOH + O2 → 4KNO3 + 2H2O
С амфотерными оксидами и гидроксидами
Щелочи реагируют с амфотерными соединениями с проявлением кислотных свойств последних. Условия реакции определяют состав соли: в растворах за счет избытка воды и координационного числа образуются гидроксокомплексы, а при сплавлении (без воды) — безводные алюминаты, цинкаты и др.:
В расплаве:
2NaOH + Al2O3 t°→ 2NaAlO2 + H2O

В растворе (образуются комплексные соли):
2NaOH + Al2O3 + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
NaOH + Al(OH)3 → Na[Al(OH)4]
С амфотерными металлами (Zn, Al, Be)
Важное свойство щелочей: они способны растворять металлы, оксиды которых амфотерны. Водород выделяется за счет того, что щелочь способствует окислению металла водой с последующим переходом гидроксида металла в комплекс в растворе (или алюминат в расплаве):
В расплаве:
2KOH + Zn t°→ K2ZnO2 + H2↑

В растворе:
2NaOH + 2Al + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
С кислыми солями
Щелочь нейтрализует ("донейтрализует") кислые соли, содержащие протоны, превращая их в средние соли с образованием воды:
KOH + KHCO3 → K2CO3 + H2O
С растворимыми солями
Реакционные среды обмениваются ионами (реакция обмена). Она протекает до конца, только если продукт реакции уходит из среды — выпадает в осадок (нерастворимые гидроксиды переходных металлов) или выделяется газ (аммиак при нагревании солей аммония со щелочами):
CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl (осадок)
Осадок гидроксида меди(II)
NH4Cl + NaOH t°→ NaCl + NH3↑ + H2O (газ)
Выделение аммиака
С неметаллами
Щелочи активно взаимодействуют с неметаллами: кремний растворяется с выделением водорода (щелочь снимает гидроксидную пленку). Фтор является более сильным окислителем, окисляя кислород щелочи до фторида кислорода (II). Фосфор, сера и галогены (от Cl до I) диспропорционируют (самоокисляются-самовосстанавливаются) в растворах щелочей, давая соли разных степеней окисления:
Si (окисляется):
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2↑

Растворение кремния в щелочи
F2 (окисляет щелочь):
2F2 + 2NaOH → 2NaF + OF2↑ + H2O (также возможно выделение O2)

P, S, Cl2, Br2, I2 (диспропорционируют):
4P + 3KOH + 3H2O → 3KH2PO2 + PH3↑
3S + 6NaOH t°→ 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O
Растворение серы в щелочи
Cl2 + 2KOH(хол.) → KCl + KClO + H2O
3Cl2 + 6KOH(гор.) → 5KCl + KClO3 + 3H2O
Термическая устойчивость
Плавится без разложения (NaOH, KOH).
Исключение: LiOH разлагается:
2LiOH 600°C→ Li2O + H2O
Электролиз расплава 4NaOH эл.→ 4Na + O2↑ + 2H2O

Вопрос 1: Свойства щелочей (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций гидроксидов щелочных металлов и расставьте коэффициенты:

  1. $KOH + Cl_2 \rightarrow \dots + \dots + H_2O$ (на холоде)
  2. $KOH + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots + H_2O$ (при нагревании)
  3. $NaOH + Al + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  4. $NaOH + P_4 + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  5. $K_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow \dots\downarrow + \dots$
  6. $NaOH(тв) + ZnO \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $2KOH + Cl_2 \rightarrow KCl + KClO + H_2O$ (образование гипохлорита)
  2. $6KOH + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 5KCl + KClO_3 + 3H_2O$ (образование хлората)
  3. $2NaOH + 2Al + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$
  4. $3NaOH + P_4 + 3H_2O \rightarrow 3NaH_2PO_2 + PH_3\uparrow$ (диспропорционирование фосфора)
  5. $K_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2KOH$ (каустификация)
  6. $2NaOH(тв) + ZnO \xrightarrow{t^\circ} Na_2ZnO_2 + H_2O\uparrow$

5.4. Соли щелочных металлов

Почти все соли щелочных металлов растворимы в воде. Особый интерес представляет термическое разложение нитратов.

Разложение нитратов при нагревании

1. Нитрат лития (как и нитраты магния, меди) разлагается до оксида:

4LiNO3 → 2Li2O + 4NO2 + O2

2. Нитраты остальных щелочных металлов (Na, K, Rb, Cs) разлагаются до нитритов:

2NaNO3 → 2NaNO2 + O2

2KNO3 → 2KNO2 + O2

Вопрос 1: Взаимные превращения и разложение солей (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций солей щелочных металлов:

  1. $NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow + \dots$
  2. $Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow \dots$
  3. $KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
  4. $LiNO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow + \dots\uparrow$
  5. $NaHCO_3 + NaOH \rightarrow \dots + \dots$

Ответ:

  1. $2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$
  2. $Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3$
  3. $2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2\uparrow$
  4. $4LiNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Li_2O + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ (литий разлагается иначе!)
  5. $NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Пояснение: Кислые соли переходят в средние при добавлении щелочи или при нагревании. Средние соли переходят в кислые при пропускании избытка кислотного оксида. Нитраты щелочных металлов разлагаются до нитритов, кроме нитрата лития.

6. Качественные реакции (Окрашивание пламени)

Ионы щелочных металлов окрашивают пламя горелки в характерные цвета, что используется для их качественного обнаружения.

Окрашивание пламени
Рис. 3. Окрашивание пламени (Li → Cs)

Вопрос 1: Качественные реакции

Проверка

Как визуально отличить соли лития, натрия и калия, не проводя химических реакций в растворе?

Ответ: По окрашиванию пламени горелки.

Пояснение: Ионы щелочных металлов летучи в пламени и окрашивают его в характерные цвета: соли лития — в карминово-красный, натрия — в ярко-желтый, калия — в фиолетовый.

7. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с щелочными металлами на канале Thoisoi:

Олимпиадная задача

Известен металл X, который настолько мягкий, что легко режется ножом, и настолько активный, что хранится под слоем минерального масла или керосина.

При сжигании X в избытке кислорода образуется желтоватое вещество A, содержащее $58,97\%$ металла по массе (реакция 1).

При взаимодействии вещества A с углекислым газом образуется белое твердое вещество B и выделяется газ, поддерживающий горение (реакция 2). Вещество B широко используется в быту и стекольной промышленности. Массовая доля щелочного металла в B составляет $43,40\%$. При пропускании через водный раствор B избытка углекислого газа образуется вещество C, которое есть на кухне у каждой хозяйки (реакция 3). Если вещество C прокалить, оно снова превращается в B (реакция 4).

С другой стороны, при взаимодействии металла X с водой бурно (иногда с воспламенением) выделяется водород и образуется раствор вещества D (массовая доля кислорода в котором ровно $40,00\%$) (реакция 5).

При пропускании через раствор D хлора «на холоду» ($0^\circ C$) образуются две соли E и F (причем E не содержит кислорода) (реакция 6). При взаимодействии D с избытком углекислого газа также образуется вещество B (реакция 7). При добавлении к раствору B известковой воды выпадает осадок и образуется раствор D (реакция 8).

Схема превращений:

+ O₂ + CO₂ + CO₂, H₂O t° + H₂O + CO₂ (изб) + Ca(OH)₂ + Cl₂, 0°C X A B C D E F

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1. Расшифровка веществ.

Металл X, режущийся ножом и хранящийся под керосином — это щелочной металл, скорее всего натрий или калий. Проверим натрий ($M = 23$ г/моль).

При сжигании натрия образуется пероксид $Na_2O_2$ (вещество A).
Рассчитаем массовую долю натрия в $Na_2O_2$:
$M(Na_2O_2) = 23 \cdot 2 + 16 \cdot 2 = 46 + 32 = 78$ г/моль.
$\omega(Na) = \frac{46}{78} \cdot 100\% \approx 58,97\%$. Все сходится!

Проверим массовые доли остальных веществ:
Для вещества B (карбонат натрия, $Na_2CO_3$): $\omega(Me) = \frac{{23 \cdot 2}}{{106}} \cdot 100\% \approx 43,40\%$. Совпадает.
Для вещества D (гидроксид натрия, $NaOH$): $\omega(O) = \frac{{16}}{{40}} \cdot 100\% = 40,00\%$. Совпадает.

Дальнейшая расшифровка:

  • X = Na (натрий)
  • A = $Na_2O_2$ (пероксид натрия)
  • B = $Na_2CO_3$ (карбонат натрия, кальцинированная сода)
  • C = $NaHCO_3$ (гидрокарбонат натрия, пищевая сода)
  • D = $NaOH$ (гидроксид натрия)
  • E = $NaCl$ (хлорид натрия)
  • F = $NaClO$ (гипохлорит натрия)

Шаг 2. Уравнения реакций:

  1. $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$
  2. $2Na_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2Na_2CO_3 + O_2\uparrow$
  3. $Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3$
  4. $2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$
  5. $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$
  6. $2NaOH + Cl_2 \xrightarrow{0^\circ C} NaCl + NaClO + H_2O$
  7. $2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$ (в схеме D → B)
  8. $Na_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaOH$ (в схеме B → D)
📝
Практика по неорганической химии
Проверь свои знания. Задания в формате ЕГЭ с подробными решениями.
📋 Зад. 5 — Классификация ⚗️ Зад. 6 — Свойства 🔬 Зад. 7 — Свойства (2) 🧪 Зад. 8 — Свойства (3) 🔗 Зад. 9 — Цепочки ✍️ Зад. 31 — Уравнения