Самые активные металлы таблицы — и самый предсказуемый блок химии: одна валентность, одна логика, десятки реакций.
Щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs) отдают 1 электрон, щёлочноземельные (Ca, Sr, Ba) и магний — 2. Валентность/степень окисления у них всегда постоянна (+1 и +2 соответственно) — никаких исключений, никакой «химии хамелеона», как у переходных металлов. Это делает блок предсказуемым: одна логика реакций для всех 8 элементов.
Активность растёт вниз по группе (радиус растёт, электрон легче отдать): Li < Na < K < Rb < Cs и Be < Mg < Ca < Sr < Ba. Щелочные активнее щёлочноземельных того же периода.
| Неметалл | Продукт | Пример |
|---|---|---|
| Азот N₂ | нитрид | 6Li + N₂ → 2Li₃N (Li — при н.у.!) |
| Фосфор P | фосфид | 3Ca + 2P → Ca₃P₂ |
| Углерод C | ацетиленид (карбид) | 2Na + 2C → Na₂C₂ · Ca + 2C → CaC₂ |
| Кремний Si | силицид | 2Mg + Si → Mg₂Si |
| Водород H₂ | гидрид | Ca + H₂ → CaH₂ |
Литий — единственный металл, реагирующий с N₂ при комнатной температуре: 6Li + N₂ → 2Li₃N. Остальные требуют нагревания. Все эти бинарные соединения необратимо гидролизуются водой: нитрид → NH₃, фосфид → PH₃, ацетиленид → C₂H₂, гидрид → H₂, силицид → SiH₄. Пример: Ca₃P₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑.
Щелочные и щелочноземельные металлы настолько активны, что в водном растворе кислоты реагируют прежде всего с водой, а не с самой кислотой. Уравнения с N₂O, NH₄NO₃, H₂S записывают формально — так требует задание, но реально реакция идёт бурно и неселективно.
При горении натрия в избытке кислорода образуется не Na2O, а Na2O2 (пероксид, степень окисления кислорода −1). Обычный оксид Na2O можно получить лишь косвенно (недостаток кислорода или спец. синтез). Литий — исключение из щелочных металлов, он сразу даёт нормальный оксид Li2O.
Кислород в пероксиде находится в промежуточной степени окисления −1 (между 0 у O2 и −2 в обычном оксиде). Поэтому пероксиды способны и окисляться (до O20), и восстанавливаться (до O-2) — двойственная природа, как у серы в SO2. С кислотами Na2O2 даёт H2O2: Na₂O₂ + 2HCl → 2NaCl + H₂O₂; с CO2 выделяет кислород (используется в системах регенерации воздуха на подводных лодках): 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑.
Be(OH)2 — амфотерный (единственное исключение в блоке!), Mg(OH)2 — слабое основание (нерастворим), Ca(OH)2 — уже щёлочь (растворима, но не очень сильная), Sr(OH)2, Ba(OH)2 — сильные щёлочи, полностью растворимы.
С H₂SO₄ и H₃PO₄ продукт зависит от соотношения: избыток щёлочи → средняя соль (Na₂SO₄, Na₃PO₄), избыток кислоты → кислая (NaHSO₄, NaH₂PO₄). То же с CO₂ и Ca(OH)₂: недостаток CO₂ → CaCO₃↓, избыток → растворимый Ca(HCO₃)₂.
Магний настолько сильный восстановитель, что отнимает кислород даже у устойчивых оксидов — на этом основан промышленный способ получения тугоплавких металлов и неметаллов.
Магний продолжает гореть в атмосфере CO₂ (2Mg + CO₂ → 2MgO + C) и разлагает воду с выделением водорода — оба «огнетушителя» только усиливают пожар. Это следствие его огромной восстановительной активности и любимая иллюстрация в заданиях.
| Ион | Цвет пламени |
|---|---|
| Li+ | карминово-красный |
| Na+ | жёлтый (интенсивный) |
| K+ | фиолетовый (розово-лиловый) |
| Ca2+ | кирпично-красный |
| Sr2+ | карминово-красный (как Li, но чуть иначе) |
| Ba2+ | жёлто-зелёный |
При нагреве в пламени электроны атома переходят на более высокие энергетические уровни, а затем возвращаются обратно, испуская квант света определённой длины волны (энергии) — характерной для каждого элемента. Это тот же принцип, что и в фейерверках (соли Ba дают зелёные огни, Sr — красные).
| Ион | Реактив | Признак |
|---|---|---|
| Mg2+ | щёлочь | белый осадок Mg(OH)₂, не растворяется в избытке |
| Ca2+, Ba2+ | карбонат CO₃2- | белый осадок (CaCO₃, BaCO₃) |
| Ba2+ | сульфат SO₄2- | белый осадок BaSO₄, не растворим в кислотах |
| CO₂ | известковая вода Ca(OH)₂ | помутнение (выпал CaCO₃) |
Пропускаем CO₂ через Ca(OH)₂ → мутнеет (CaCO₃↓). Продолжаем пропускать избыток CO₂ → муть исчезает: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ (растворимый гидрокарбонат). Если теперь раствор вскипятить — осадок вернётся. Эта пара переходов — классический сюжет в заданиях на распознавание газов.
Жёсткость воды вызвана присутствием солей Ca2+ и Mg2+. Различают временную (гидрокарбонаты Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 — устраняется кипячением) и постоянную (сульфаты, хлориды — кипячением не устраняется).
При кипячении гидрокарбонат разлагается с выделением CO2 и выпадением нерастворимого карбоната кальция — это и есть накипь в чайниках. Постоянная жёсткость (сульфаты, хлориды) кипячением не убирается — нужны реагенты (сода, известь) или ионный обмен.
Сильнейшая щёлочь, мыловарение, производство бумаги, ЦБП.
Производство стекла, мыла. NaHCO₃ — питьевая сода.
Строительство, производство извести (обжиг), цемента.
Медицина (гипсовые повязки), строительство.
Огнеупоры (высокая t плавления ~2850°C).
Нерастворим и непрозрачен для рентгена, безопасен (не всасывается).
При электролизе водного раствора соли активного металла на катоде всегда восстанавливается вода (выделяется H2), а не сам металл — см. конспект №20 об электролизе. Единственный путь получить чистые Na, K, Ca, Mg — электролиз расплава безводной соли.
Дано: 4,6 г натрия (M=23 г/моль) бросили в воду.
n(Na) = 4,6/23 = 0,2 моль. Реакция 2Na+2H2O→2NaOH+H2↑ (2:1 по H2).
n(H₂) = 0,1 моль → V = 0,1 × 22,4 = 2,24 л (н.у.)
В воде содержится 0,01 моль/л Ca2+. К 5 л такой воды добавили избыток Na2CO3.
n(Ca2+) = 0,01 × 5 = 0,05 моль → n(CaCO3) = 0,05 моль (M=100).
m(осадка) = 0,05 × 100 = 5 г
При горении натрия в кислороде получается оксид Na₂O.
Натрий горит до пероксида: 2Na + O₂ → Na₂O₂. Только литий даёт нормальный оксид: 4Li + O₂ → 2Li₂O. Калий, рубидий, цезий идут ещё дальше — до надпероксидов KO₂.
Активный металл вытеснит другой металл из раствора его соли.
Щелочные и щелочноземельные металлы сначала реагируют с водой. Натрий в растворе CuSO₄ даст NaOH и H₂, а затем выпадет осадок Cu(OH)₂ — но не медь.
Все гидроксиды этих металлов — щёлочи.
Mg(OH)₂ нерастворим и щёлочью не является, Ca(OH)₂ растворим лишь умеренно. Настоящие щёлочи — гидроксиды щелочных металлов плюс Ba(OH)₂ и Sr(OH)₂.
Временную и постоянную жёсткость устраняют одинаково.
Временную (гидрокарбонаты) снимает кипячение: Ca(HCO₃)₂ →(t) CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. Постоянную (сульфаты, хлориды) кипячением не убрать — нужна сода: CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄.
Кипячение работает только против временной жёсткости, а Na₂CO₃ осаждает ионы Ca2+ и Mg2+ независимо от того, с каким анионом они были. Поэтому в задании «как устранить жёсткость воды» универсальный ответ — добавить карбонат натрия.
Кальций сначала прореагирует с водой, а не с солью:
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
CuSO₄ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + CaSO₄↓
Наблюдаем выделение газа и голубой осадок, а вовсе не выделение меди. Это стандартная ловушка на «вытеснение по ряду активности».
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Пероксид натрия Na₂O₂ (не обычный оксид Na2O) — кислород в степени окисления −1.
Литий — исключение из группы, из-за малого радиуса даёт обычный оксид Li2O, ведёт себя больше похоже на магний (диагональное сходство в таблице).
Кипячением — гидрокарбонат разлагается: Ca(HCO3)2 →(t) CaCO3↓ + H2O + CO2↑.
Жёлто-зелёным — характерный признак солей бария.
Магний — очень активный восстановитель, способен восстанавливать углерод из CO2: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C. Поэтому магниевый пожар нельзя тушить углекислотным огнетушителем!
Be(OH)₂ — единственный амфотерный гидроксид среди ЩЗМ и Mg, реагирует и с кислотами, и со щелочами.
Электролизом расплава NaCl — из раствора получить его нельзя (на катоде будет вода → водород).
Реакция 1:1: n(CaCO3)=0,02 моль. m=0,02×100=2 г.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно