Металлы А-групп

К щелочным металлам относятся металлы IA группы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Электронная схема внешнего электронного слоя для этих металлов ns¹, где n – номер электронного слоя. То есть на внешнем электронном слое у них 1 электрон. Поэтому их степень окисления в соединениях +1.

По группе от лития до цезия увеличивается радиус атома, энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются. Среди металлов IA группы только Cs жёлтый, все остальные – серебристо-белые. Эти металлы мягкие и легко режутся ножом. У них низкая температура плавления. Из-за высокой химической активности щелочных металлов их хранят под изолирующим от атмосферы слоем керосина.

Основными соединениями металлов IA группы являются каменная соль, или галит (NaCl), мирабилит, или глауберова соль (Na₂SO₄ ∙ 10H₂O), криолит (Na₃AlF₆), сильвин (KCl), сильвинит (KCl ∙ NaCl), карналлит (KCl ∙ MgCl₂ ∙ 6H₂O).

Натрий и калий являются жизненно важными элементами. В тканях млекопитающих действует система транспорта ионов натрия или калия, который называется калий-натриевый насос.

К металлам IIA группы относятся Be, Mg и щелочноземельные металлы Ca, Sr, Ba, Ra. Электронная схема внешнего электронного слоя для этих металлов ns², где n – номер электронного слоя. То есть на внешнем электронном слое у них 2 электрона. Поэтому их степень окисления в соединениях +2.

По группе от бериллия до бария увеличивается радиус атома, энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются. Все металлы IIA группы являются серебристо-белыми. Бериллий – твёрдый, но хрупкий. Магний и щелочно-земельные металлы относительно мягкие, хот и более твёрдые, чем щелочные металлы.

Основными соединениями металлов IIA группы являются доломит (CaCO₃ ∙ MgCO₃), берилл (Be₃Al₂(SiO₃)₆), карналлит (KCl ∙ MgCl₂ ∙ 6H₂O), апатит (Ca₃(PO₄)₂), барит (BaSO₄), флюорит (CaF₂).

Ионы кальция и магния находятся в биологических жидкостях всех живых организмах. Организм взрослого человека содержит приблизительно 1 кг кальция, а магний входит в состав зелёного пигмента растений – хлорофилла.

Металлы IA и IIA химически очень активные, особенно щелочные металлы. В реакции с кислородом литий и элементы IIA группы дают оксиды. Натрий в реакции с кислородом образует пероксид, а все остальные металлы IA группы – надпероксиды:

2Ba + O₂ = 2BaO

2Na + O₂ = Na₂O₂

K + O₂ = KO₂.

Магниевая лента горит в атмосфере углекислого газа, связывая при этом кислород. Именно поэтому горящий магний нельзя тушить, используя углекислотный огнетушитель:

2Mg + CO₂ = 2MgO + C.

Для того чтобы получить оксиды натрия или калия, необходимо нагреть смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствии кислорода:

2NaOH + 2Na = 2Na₂O + H₂↑

Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O

KO₂ + 3K = 2K₂O.

Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды и пероксид водорода:

Na₂O₂ + 2H₂O = 2NaOH + H₂O₂

2KO₂ + 2H₂O = 2KOH + H₂O₂ + O₂↑.

Щелочные и щелочноземельные металлы в реакции с водородом образуют гидриды:

2Li + H₂ = 2LiH

Ba + H₂ = BaH₂.

В реакциях с галогенами металлы IA и IIA группы образуют галогениды:

2K + Br₂ = 2KBr

Ca + Cl₂ = CaCl₂.

Металлы А-групп реагируют с серой с образованием сульфидов:

2Na + S = Na₂S

Mg + S = MgS.

Металлы IA и IIA групп реагируют с азотом и углеродом:

6Li + N₂= 2Li₃N

2Li + 2C = Li₂C₂.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке, а также реагируют с парами аммиака при нагревании, при этом образуются кристаллические амиды:

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂↑.

Амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака:

KNH₂ + H₂O = KOH + NH₃↑.

Амиды щелочных металлов проявляют свойства очень сильных оснований и вступают в реакции с веществами, проявляющими слабые кислотные свойства, такими как алкины. При этом образуются ацетилениды:

NaNH₂ + HC ≡ CH → NaC ≡ CH + NH₃↑.

Щелочные металлы реагируют со спиртами, образуя алкоголята:

2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂↑.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при обычных условиях. Магний реагирует с водой при нагревании, бериллий не реагирует с водой:

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂↑

Mg + H₂O = MgО + H₂↑.

С горячей водой или парами воды магний превращается в оксид:

Mg + H₂O = MgO + H₂↑

С растворами кислот реагируют все металлы А-групп:

Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑

Mg + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Mg + H₂↑.

Со щелочами из металлов IA и IIA групп реагирует только бериллий:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂↑.

Гидроксиды металлов IA группы – белые, расплывающиеся на влажном воздухе вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями.

Из металлов I A группы разлагается только гидроксид лития. Гидроксиды металлов II A группы при нагревании разлагаются:

2LiOH = Li₂O + H₂O

Ca(OH)₂ = CaO + H₂O

Mg(OH)₂ = MgO + H₂O.

Гидроксиды щелочных металлов проявляют все свойства оснований: реагируют с кислотами, кислотными оксидами, амфотерными оксидами и гидроксидами:

2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2H₂O

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O

2KOH (тв.) + Al₂O₃ (тв.) = 2KAlO₂ + H₂O↑

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄].

Для получения гидроксидов щелочных металлов используют электрохимические методы. Например, гидроксид натрия получают электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + Cl₂↑ (анод) + H₂↑ (катод).

Все оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой с образованием соответствующих оснований. Оксиды бериллия является амфотерным, оксид магния с водой также не реагирует, так как гидроксид магния – слабое основание:

K₂O + H₂O = 2KOH

BaO + H₂O = Ba(OH)₂.

 Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с кислотными оксидами и кислотами:

Li₂O + 2HNO₃ = 2LiNO₃ + H₂O

3CaO + P₂O₅ = Ca₃(PO₄)₂.

Щелочные металлы и все их соединения окрашивают пламя в определённый цвет. Литий – в карминово-красный, натрий – в жёлтый, калий – в фиолетовый, кальций – в кирпично-красный цвет, стронций – красно-малиновое пламя, а барий – в травянисто-зелёное.

Получают щелочные металлы электролизом расплавов галогенидов:

2NaCl → 2Na (катод) + Cl₂ (анод).

Бериллий получают восстановлением магнием из фторидов:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂.

Магний в основном получают из морской воды путём осаждения ионов магния в виде гидроксида, который потом переводят в хлорид. Затем хлорид магния обезвоживают и расплавляют, получая из расплава под действием электрического тока магний:

Mg(OH)₂ + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O

MgCl₂ = Mg + Cl₂↑.

Магний можно получить, нагревая его оксид с углеродом:

MgO + C = Mg + CO

Для получения бария используют метод – алюмотермию:

3BaO + 2Al = Al₂O₃ + 3Ba.

Кальция и стронций получают электролизом расплавов хлоридов:

CaCl₂ = Ca + Cl₂↑.

Жёсткая вода – это вода, содержащая ионы Са²⁺ и Mg²⁺. Различают временную и постоянную жёсткость. Временная жёсткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Устраняют временную жёсткость кипячением, действием соды, действием известкового молока, с помощью ионитов:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaHCO₃

Ca(HCO₃) + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O.

Постоянная жёсткость обусловлена наличием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния. Устраняют постоянную жёсткость действием соды и с помощью ионитов:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄.

Кроме этого, жёсткость воды устраняют поташ, фосфаты натрия и калия, которые переводят ионы кальция и магния в осадок.