ЩЕЛОЧНЫЕ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ И МАГНИЙ

Элементы I группы главной подгруппы называются щелочными металлами. Строение их внешней электронной оболочки отражается формулой: ns¹. Щелочноземельными называются кальций, стронций, барий и радий. Эти элементы располагаются во II группе главной подгруппе периодической системы. Находящийся в этой же группе магний несколько уступает им в активности, но имеет похожие свойства, поэтому его целесообразно рассматривать вместе со щелочноземельными металлами, тогда как бериллий образует катион с большой концентрацией заряда, вследствие чего его свойства резко отличаются от свойств остальных элементов группы и имеют диагональное сходство с алюминием. Строение внешней электронной оболочки элементов II группы отражается формулой: ns². Таким образом, все эти металлы являются s-элементами.

Атомы всех названных элементов имеют довольно большие радиусы, которые увеличиваются при движении по группе сверху вниз и уменьшаются при переходе от I группы ко II. При движении вниз по каждой из групп уменьшается электроотрицательность и потенциал ионизации атомов, т.е. возрастает их восстановительная способность. Активность этих металлов так велика, что на воздухе все они тотчас окисляются, рубидий и цезий самовоспламеняются, а барий загорается на воздухе при простом раздавливании. Все эти металлы кроме магния хранят под слоем керосина или другого инертного растворителя. Щелочные металлы образуют катионы с зарядом +1, а металлы II группы – с зарядом +2. В обоих случаях катионы имеют электронную оболочку благородного газа, что дает им дополнительную устойчивость.

Физические свойства. Из-за низкого потенциала ионизации в металлической решетке щелочных и щелочноземельных металлов много катионов, что делает решетку недостаточно прочной, следовательно, температуры плавления этих металлов невысоки, плотность и твердость также низкие. Литий, натрий и калий легче воды, поэтому при реакции с водой плавают на ее поверхности. Наличие большого количества катионов в решетке препятствует целенаправленному передвижению электронов в толще металла, поэтому тепло- и электропроводность s-элементов существенно ниже, чем у других металлов. При движении сверху вниз по группам растет процент катионов, уменьшается прочность кристаллической решетки, следовательно, уменьшаются и температуры плавления.

Химические свойства простых веществ

1. Взаимодействие с кислородом

При сгорании на воздухе оксиды образуют литий, магний и щелочноземельные элементы. Оксид бария легко вступает в дальнейшее взаимодействие с кислородом, образую пероксид. Иногда эту реакцию пишут как одностадийную, но на самом деле она проходит в два этапа. Основным продуктом при сгорании натрия оказывается пероксид, а для металлов подгруппы калия – надпероксид: 2Na + O₂ = Na₂O₂ K + O₂ = KO₂

Калий и его аналоги реагируют с озоном, давая озониды: Rb + O₃ = RbO₃.

Вот некоторые реакции, в которые вступают эти соединения, проявляя, в основном, свойства окислителей: Na₂O₂ + 2H₂O = 2NaOH + H₂O₂

2KO₂ + 2H₂O = 2KOH + H₂O₂ + O₂ Na₂O₂ + 2HCl = 2NaCl + H₂O₂ (на холоду)

Na₂O₂ + CO = Na₂CO₃ 2KO₂ + CO = K₂CO₃ + O₂ Na₂O₂ + SO₂ = Na₂SO₄ 2KO₂ + S = K₂SO₄ 4KO₃ + 2CO₂ = 2K₂CO₃ + 5O₂ 4KO₂ + 2CO₂ = 2K₂CO₃ + 3O₂ 2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂. Две последние реакции используются в дыхательных аппаратах на подводных лодках, так как позволяют перерабатывать выдыхаемый углекислый газ в кислород.

Простые оксиды натрия и металлов подгруппы калия можно получить по реакции пероксидов или надпероксидов с соответствующими металлами: KO₂ + 3K = 2K₂O (при нагревании).

2. Взаимодействие с галогенами

Со всеми галогенами s-металлы энергично взаимодействуют. Натрий сгорает в хлоре, металлы группы калия реагируют с бромом со взрывом.

3. С серой щелочные металлы дают как сульфиды, так и персульфиды при избытке серы:

2Na + 2S = Na₂S₂ Na₂S + S = Na₂S₂

4. С фосфором образуют фосфиды, которые гидролизуются с образованием фосфина и легко могут быть окислены: Ca₃P₂ + 6H₂O = 2PH₃ +3Ca(OH)₂ Ca₃P₂ + Cl₂=3CaCl₂ + PCl₃

5. Магний с водородом не взаимодействует. Остальные металлы дают ионные гидриды состава МН или МН₂, которые содержат гидрид-ион (Н^-), подвергаются необратимому гидролизу и являются сильными восстановителями: LiH + H₂O = LiOH + H₂ CaH₂ + 2CaOCl₂ = CaCl₂ + Ca(OH)₂

6. Щелочноземельные металлы реагируют с азотом при нагревании, давая нитриды состава M₃N₂, свойства которых аналогичны свойствам фосфидов и гидридов. Наиболее характерна реакция с азотом для лития. Она происходит уже при комнатной температуре. Нитрид лития грязно-зеленого цвета. Оставленный на воздухе кусочек лития со временем покроется коркой, состоящей из нитрида, оксида и карбоната лития. Остальные щелочные металлы с азотом не реагируют.

7. Из щелочных металлов с углеродом взаимодействуют только литий и натрий, в реакцию вступают также щелочноземельные металлы. Получаются карбиды состава М₂С₂ или МС₂. Все реакции идут при нагревании. При гидролизе карбидов получается ацетилен: SrC₂ + H₂O = H₂C₂ + Sr(OH)₂. В аналогичных условиях магний образует продукт состава Mg₂C₃. Mg₂C₃ + 4H₂O =

C₃H₄ + 2Mg(OH)₂.

Взаимодействие со сложными веществами

С водой щелочные и щелочноземельные металлы активно взаимодействуют, металлы подгруппы калия – с воспламенением и взрывом. При этом получаются гидроксиды соответствующих металлов и водород. Магний не растворяется в холодной воде из-за плохой растворимости Mg(OH)₂, при нагревании реакция идет. При этом магний растворяется в растворе хлорида аммония, причиной чего является кислая в результате гидролиза среда раствора данной соли и тот факт, что гидроксид магния является более сильным основанием, чем гидроксид аммония. Mg + 2H₂O + 2NH₄Cl = MgCl₂ + 2NH₃^.H₂O + H₂