Номер 374, страница 70 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

374. Дайте характеристику химическим элементам, образующим естественное семейство «щелочные металлы».

Щелочные металлы — это химические элементы 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы I группы, IA) Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся литий ($Li$), натрий ($Na$), калий ($K$), рубидий ($Rb$), цезий ($Cs$) и франций ($Fr$). Своё название они получили потому, что при взаимодействии с водой образуют растворимые гидроксиды, называемые щелочами.

1. Положение в Периодической системе и строение атомов

Щелочные металлы расположены в 1-й группе, главной подгруппе Периодической системы. В их состав входят:

• Литий ($Li$) — 2-й период, порядковый номер 3.
• Натрий ($Na$) — 3-й период, порядковый номер 11.
• Калий ($K$) — 4-й период, порядковый номер 19.
• Рубидий ($Rb$) — 5-й период, порядковый номер 37.
• Цезий ($Cs$) — 6-й период, порядковый номер 55.
• Франций ($Fr$) — 7-й период, порядковый номер 87. Франций является радиоактивным элементом.

Атомы щелочных металлов имеют на внешнем энергетическом уровне всего один электрон ($s$-электрон). Общая электронная формула валентного слоя — $ns^1$, где $n$ — номер периода.

• $Li: [He]2s^1$
• $Na: [Ne]3s^1$
• $K: [Ar]4s^1$
• $Rb: [Kr]5s^1$
• $Cs: [Xe]6s^1$
• $Fr: [Rn]7s^1$

Из-за наличия всего одного валентного электрона, который слабо связан с ядром, щелочные металлы легко его отдают, проявляя в соединениях постоянную степень окисления +1 и являясь сильными восстановителями. Сверху вниз по группе:

• Увеличивается радиус атома, так как растет число электронных слоев.
• Уменьшается энергия ионизации, так как валентный электрон находится дальше от ядра и слабее с ним связан.
• Уменьшается электроотрицательность, что также связано с увеличением радиуса и легкостью отдачи электрона.
• Усиливаются металлические и восстановительные свойства.

Ответ: Щелочные металлы — элементы 1-й группы, имеющие на внешнем уровне один $s$-электрон (конфигурация $ns^1$). С ростом порядкового номера их атомный радиус увеличивается, а энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются, что приводит к усилению металлических и восстановительных свойств.

2. Физические свойства

Все щелочные металлы (кроме радиоактивного франция) в свободном состоянии — серебристо-белые (цезий имеет золотистый оттенок), очень мягкие, пластичные вещества, которые легко режутся ножом. Они имеют характерный металлический блеск на свежем срезе, который быстро тускнеет на воздухе из-за окисления.

• Плотность: Они обладают очень низкой плотностью. Литий, натрий и калий легче воды. Плотность растет от лития к цезию.
• Температуры плавления и кипения: У них низкие температуры плавления и кипения. С ростом атомной массы (сверху вниз по группе) эти температуры понижаются, так как ослабевает металлическая связь в кристаллической решетке.
• Электро- и теплопроводность: Как и все металлы, они хорошо проводят электрический ток и тепло.
• Окрашивание пламени: Соли и сами щелочные металлы окрашивают пламя в характерные цвета:
  • Литий ($Li$) — карминово-красный.
  • Натрий ($Na$) — ярко-жёлтый.
  • Калий ($K$) — фиолетовый.
  • Рубидий ($Rb$) — розовато-фиолетовый.
  • Цезий ($Cs$) — сине-фиолетовый.

Ответ: Щелочные металлы — мягкие, легкие, легкоплавкие металлы с низкой плотностью и высокой тепло- и электропроводностью. Их температуры плавления и кипения уменьшаются сверху вниз по группе. Они и их соли окрашивают пламя в характерные цвета.

3. Химические свойства

Щелочные металлы — одни из самых химически активных металлов. Их активность возрастает от лития к францию. Они являются очень сильными восстановителями. Из-за высокой реакционной способности их хранят под слоем керосина или минерального масла, а литий — в вазелине, чтобы предотвратить контакт с воздухом и влагой.

Взаимодействие с простыми веществами:

• С кислородом: Реагируют очень активно. На воздухе быстро окисляются. Продукты горения различны:
  • Литий образует оксид: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$.
  • Натрий образует в основном пероксид: $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$.
  • Калий, рубидий и цезий образуют надпероксиды (супероксиды): $K + O_2 \rightarrow KO_2$.
• С галогенами: Энергично реагируют со всеми галогенами, образуя галогениды (соли):
  $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$
• С серой: При нагревании образуют сульфиды:
  $2K + S \rightarrow K_2S$
• С водородом: При нагревании образуют гидриды — солеобразные соединения, где водород имеет степень окисления -1:
  $2Li + H_2 \rightarrow 2LiH$
• С азотом: Только литий непосредственно реагирует с азотом при комнатной температуре, образуя нитрид:
  $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$

Взаимодействие со сложными веществами:

• С водой: Очень бурно реагируют с водой, вытесняя водород и образуя щелочь (гидроксид). Реакция экзотермическая, часто сопровождается воспламенением выделяющегося водорода (особенно с K, Rb, Cs):
  $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$
• С кислотами: Реагируют с кислотами со взрывом:
  $2Na + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2 \uparrow$
• С органическими соединениями: Вступают в реакции со спиртами, фенолами, карбоновыми кислотами, образуя соответствующие соли (алкоголяты, феноляты и др.).

Ответ: Щелочные металлы — химически очень активные металлы, сильные восстановители. Их активность возрастает от лития к цезию. Они бурно реагируют с водой, кислотами и большинством неметаллов. В соединениях проявляют степень окисления +1.

4. Важнейшие соединения и их свойства

Оксиды и гидроксиды: Оксиды щелочных металлов ($M_2O$) являются основными. Они бурно реагируют с водой, образуя соответствующие гидроксиды ($MOH$), которые являются сильными основаниями — щелочами. Сила оснований увеличивается в ряду от $LiOH$ к $CsOH$.
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$

Соли: Почти все соли щелочных металлов хорошо растворимы в воде. Они образованы сильным основанием ($MOH$) и, как правило, сильной кислотой, поэтому гидролизу не подвергаются (среда раствора нейтральная). Исключение составляют соли, образованные слабыми кислотами (например, карбонаты, силикаты, фосфаты), которые гидролизуются по аниону, создавая щелочную среду.

Ответ: Соединения щелочных металлов, такие как оксиды и гидроксиды, проявляют ярко выраженные основные свойства. Гидроксиды являются сильными щелочами. Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде.