Металлы IA–IIA групп, жёсткость воды

Элементы IA группы (щелочные металлы) и IIA группы (щёлочноземельные металлы) — самые активные металлы. Их атомы очень легко отдают один или два внешних электрона, поэтому в природе они встречаются только в виде соединений, бурно реагируют с водой и образуют щёлочи (отсюда и название). Ионы натрия и калия участвуют в передаче нервных импульсов, кальций — в построении костей и зубов, магний входит в состав хлорофилла. Поваренная соль, сода, известь, гипс, мрамор — самые обычные в повседневной жизни вещества, и всё это соединения этих элементов. К этой же теме относится жёсткость воды.

§1. Щелочные металлы: строение и физические свойства

Поскольку на внешнем уровне один электрон, а радиус атома большой, щелочные металлы очень легко отдают электрон — это самые сильные восстановители. Вниз по группе радиус растёт, энергия ионизации уменьшается, активность растёт: литий реагирует с водой спокойно, натрий — бурно, калий — с воспламенением, рубидий и цезий — со взрывом.

Физические свойства: серебристо-белые, очень мягкие (режутся ножом), лёгкие (литий — самый лёгкий металл, Li, Na, K легче воды), с низкой температурой плавления (цезий плавится в руке, около 28 °C). Так как они быстро реагируют с кислородом и влагой воздуха, их хранят под керосином (литий — под вазелином). Их соли окрашивают пламя: Li — красный, Na — жёлтый, K — фиолетовый — так их обнаруживают.

§2. Химические свойства щелочных металлов

• С водой: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ — образуются щёлочь и водород.
• Продукт реакции с кислородом зависит от металла: 4Li + O₂ → 2Li₂O (оксид); 2Na + O₂ → Na₂O₂ (пероксид); K + O₂ → KO₂ (надпероксид). Чтобы получить оксид Na₂O, пероксид нагревают с натрием.
• С галогенами, серой: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2Na + S → Na₂S.
• С водородом — гидриды (водород −1): 2Na + H₂ → 2NaH; гидрид выделяет водород с водой: NaH + H₂O → NaOH + H₂.
• Литий уже при обычных условиях реагирует с азотом: 6Li + N₂ → 2Li₃N.

Получение — электролиз расплава соли или щёлочи: 2NaCl → 2Na + Cl₂.

Пероксид натрия выделяет кислород с водой и CO₂ — его используют для регенерации воздуха на подводных лодках и космических кораблях:

Важные соединения: NaOH — едкий натр (каустическая сода), Na₂CO₃ — кальцинированная сода, NaHCO₃ — питьевая сода (при нагревании 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O, разрыхлитель теста), NaCl — поваренная соль, KNO₃ и KCl — удобрения.

Пример

4,6 г натрия бросили в 95,6 г воды. Найдите массовую долю NaOH в растворе.

1. n(Na) = 4,6/23 = 0,2 моль → NaOH 0,2 моль = 8 г, H₂ 0,1 моль = 0,2 г.
2. Масса раствора: 4,6 + 95,6 − 0,2 = 100 г.
3. ω = 8/100 = 0,08, то есть 8 %.

Пример

3,9 г неизвестного щелочного металла при реакции с водой выделили 1,12 л водорода (н.у.). Найдите металл.

1. n(H₂) = 1,12/22,4 = 0,05 моль.
2. 2Me + 2H₂O → 2MeOH + H₂: n(Me) = 0,1 моль.
3. M = 3,9/0,1 = 39 г/моль — калий.

§3. Щёлочноземельные металлы

Они твёрже и менее активны, чем щелочные металлы, но вниз по группе активность растёт. Меняются и свойства гидроксидов: Be(OH)₂ — амфотерный (реагирует с кислотами и щелочами: Be(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Be(OH)₄]), Mg(OH)₂ — слабое нерастворимое основание, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ — щёлочи.

• Ca, Sr, Ba реагируют с водой на холоду: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂; магний — только с горячей водой; бериллий — вообще не реагирует.
• Магний горит на воздухе ослепительно белым пламенем и продолжает гореть даже в CO₂: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C; с азотом образует нитрид: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂. Поэтому горящий магний нельзя тушить углекислым газом.
• Окраска пламени: Ca — кирпично-красная, Sr — карминово-красная, Ba — жёлто-зелёная.

Соединения кальция: CaO — негашёная известь; Ca(OH)₂ — гашёная известь, её прозрачный раствор — известковая вода (качественная реакция на CO₂: мутнеет); CaCO₃ — мел, известняк, мрамор; CaSO₄·2H₂O — гипс; Ca₃(PO₄)₂ — фосфорит.

§4. Жёсткость воды

Жёсткость воды — повышенное содержание в ней ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. В жёсткой воде мыло не пенится, в котлах и чайниках образуется накипь (в основном CaCO₃), ухудшающая теплопередачу.

• Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена гидрокарбонатами Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂; устраняется кипячением:

Устраняется и добавлением извести: Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O.

• Постоянная жёсткость обусловлена сульфатами и хлоридами (CaSO₄, MgCl₂); кипячение не помогает, добавляют соду или фосфат:

• Универсальный способ — ионный обмен: катионит заменяет в воде Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺ или H⁺.

Пример

В 1 л воды содержится 0,162 г Ca(HCO₃)₂. Сколько граммов Ca(OH)₂ нужно для её умягчения?

1. n(Ca(HCO₃)₂) = 0,162/162 = 0,001 моль.
2. По уравнению соотношение 1 : 1 → n(Ca(OH)₂) = 0,001 моль.
3. m = 0,001·74 = 0,074 г.

§5. Качественные реакции и значение

Ион Ba²⁺ даёт с сульфатом белый осадок: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ (не растворяется в кислотах); Ca²⁺ — белый осадок с карбонатом или оксалатом. Соли натрия, калия, кальция, стронция, бария распознают по окраске пламени.
Значение: NaCl — сырьё пищевой и химической промышленности; NaOH — в производстве мыла и бумаги; Na₂CO₃ — в производстве стекла и моющих средств; соли калия — удобрения; магний — лёгкие сплавы (авиация); соединения кальция — строительные материалы (известь, цемент, гипс); сульфат бария — контрастное вещество при рентгеновском исследовании; литий — в аккумуляторах.

Проверьте себя

1. 7,8 г калия прореагировали с водой. Сколько литров H₂ (н.у.) выделится?

2. Какой гидроксид амфотерен: Mg(OH)₂, Be(OH)₂, Ca(OH)₂?

3. Можно ли устранить постоянную жёсткость кипячением?

4. 15,6 г Na₂O₂ полностью прореагировали с водой. Сколько литров O₂ (н.у.) выделится?

5. 10 г CaCO₃ обожгли, затем CaO погасили водой. Сколько граммов Ca(OH)₂ образуется?

6. Как обнаружить соль натрия по пламени?

7. Что в основном образуется при горении натрия в кислороде?

8. Почему горящий магний нельзя тушить CO₂?

Типичные ошибки

• Писать, что натрий в кислороде даёт только Na₂O: образуется в основном Na₂O₂.
• Не вычитать выделившийся H₂ из массы раствора.
• Путать способы устранения временной и постоянной жёсткости.
• Считать Be(OH)₂ щёлочью: он амфотерен.
• Писать, что щелочные металлы вытесняют другие металлы из растворов солей: сначала они реагируют с водой.