Страница 158 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте общую характеристику щелочных металлов на основании их положения в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Найдите сходство и различия в строении атомов щелочных металлов.

Решение

Общая характеристика щелочных металлов на основании их положения в Периодической системе

Щелочные металлы — это химические элементы главной подгруппы I группы Периодической системы Д. И. Менделеева. К ним относятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). Водород (H), который также формально находится в I группе, не является щелочным металлом из-за своих уникальных свойств.

Положение в начале каждого периода (начиная со второго) определяет ключевые свойства щелочных металлов:

• Они являются s-элементами, так как у них происходит заполнение s-подуровня внешнего электронного слоя.
• На внешнем энергетическом уровне у атомов щелочных металлов находится всего один валентный электрон.
• Они обладают очень высокой химической активностью, так как легко отдают свой единственный валентный электрон, образуя стабильный катион с зарядом +1 ($M^0 - 1e^- \rightarrow M^+$). В соединениях они всегда проявляют степень окисления +1.
• Являются сильнейшими восстановителями среди всех металлов благодаря низким значениям энергии ионизации и электроотрицательности.
• В группе сверху вниз (от Li к Fr) с увеличением порядкового номера наблюдаются закономерные изменения свойств:
  • увеличивается радиус атома (из-за увеличения числа электронных слоев);
  • уменьшается энергия ионизации (валентный электрон слабее связан с ядром);
  • уменьшается электроотрицательность;
  • усиливаются металлические (и восстановительные) свойства.

Свое название «щелочные» эти металлы получили потому, что их гидроксиды, образующиеся при взаимодействии с водой, являются сильными растворимыми основаниями — щелочами (например, $NaOH$, $KOH$).

Ответ: Щелочные металлы расположены в I группе, главной подгруппе, Периодической системы. Они являются s-элементами с одним валентным электроном, что обуславливает их высокую химическую активность, сильные восстановительные свойства и постоянную степень окисления +1. При движении по группе сверху вниз их атомный радиус увеличивается, а энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются, что приводит к усилению металлических свойств.

Сходство и различия в строении атомов щелочных металлов

Сходство:

Основное сходство в строении атомов всех щелочных металлов заключается в одинаковом строении внешнего электронного слоя. На их внешней s-орбитали находится один и тот же валентный электрон. Общая электронная конфигурация внешнего слоя для щелочных металлов выражается формулой $ns^1$, где $n$ — номер периода.

• Li (Период 2): $2s^1$
• Na (Период 3): $3s^1$
• K (Период 4): $4s^1$
• Rb (Период 5): $5s^1$
• Cs (Период 6): $6s^1$
• Fr (Период 7): $7s^1$

Именно это сходство определяет общность их химических свойств: способность легко отдавать один электрон, проявлять степень окисления +1 и образовывать соединения схожего типа.

Различия:

Различия в строении атомов щелочных металлов обусловлены последовательным увеличением порядкового номера при движении вниз по группе:

• Число электронных слоев (энергетических уровней): Оно увеличивается от 2 у лития до 7 у франция, и всегда равно номеру периода, в котором находится элемент.
• Заряд ядра атома: Он возрастает от +3 у лития до +87 у франция.
• Атомный радиус: С увеличением числа электронных слоев радиус атомов закономерно увеличивается.

Эти различия объясняют изменение физических и химических свойств в ряду щелочных металлов (например, понижение температуры плавления и усиление химической активности сверху вниз по группе).

Ответ: Сходство атомов щелочных металлов заключается в наличии одного электрона на внешнем энергетическом уровне (общая конфигурация $ns^1$), что определяет их схожие химические свойства. Различия состоят в увеличении числа электронных слоев, заряда ядра и атомного радиуса при переходе от одного элемента к другому вниз по группе.

2. Как хранят щелочные металлы в лаборатории?

Щелочные металлы (литий $Li$, натрий $Na$, калий $K$, рубидий $Rb$, цезий $Cs$) обладают очень высокой химической активностью. Они бурно реагируют с компонентами, содержащимися в воздухе: кислородом, водяными парами и углекислым газом. Из-за этого их нельзя хранить на открытом воздухе.

При контакте с воздухом щелочные металлы быстро тускнеют, покрываясь сложной смесью продуктов реакции: оксидов, пероксидов, гидроксидов и карбонатов. Например, реакция натрия с кислородом воздуха приводит к образованию оксида и пероксида:

$4Na + O_2 \rightarrow 2Na_2O$

$2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$

Реакция с водой, даже с влагой из воздуха, протекает очень энергично, с выделением водорода, который может воспламениться от тепла реакции:

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$

Поэтому для предотвращения этих реакций в лаборатории щелочные металлы хранят, полностью изолировав их от контакта с окружающей средой. Основной способ хранения — под слоем инертной жидкости в герметично закрытой таре.

• Натрий ($Na$) и калий ($K$) обычно хранят в стеклянных банках с притертой пробкой под слоем обезвоженного керосина. Плотность этих металлов выше плотности керосина, поэтому они полностью погружаются в него, что защищает их от окисления.
• Литий ($Li$) — самый легкий металл, его плотность ($0,53 \text{ г/см}^3$) меньше плотности керосина (около $0,8 \text{ г/см}^3$), поэтому он будет в нем плавать. Для его хранения используют более плотные и вязкие инертные жидкости, такие как парафиновое или вазелиновое масло. Также литий могут хранить в герметичных контейнерах в атмосфере инертного газа (аргона).
• Рубидий ($Rb$) и цезий ($Cs$) — чрезвычайно активные металлы. Они могут медленно реагировать даже с керосином, а также самовоспламеняться на воздухе. Поэтому их хранят в запаянных стеклянных ампулах, заполненных чистым инертным газом, чаще всего аргоном.

Таким образом, выбор конкретного способа хранения зависит от химической активности и физических свойств (в первую очередь плотности) конкретного щелочного металла.

Ответ: Щелочные металлы в лаборатории хранят в герметично закрытой таре под слоем инертной органической жидкости (керосина, вазелинового или парафинового масла) для предотвращения их контакта с кислородом и влагой воздуха. Наиболее активные из них (рубидий и цезий) хранят в запаянных стеклянных ампулах в атмосфере инертного газа.

3. Перечислите химические свойства щелочных металлов и раскройте зависимость скорости протекания реакций от природы щелочного металла.

Как хранят щелочные металлы в лаборатории?

Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) являются одними из самых химически активных металлов. Они бурно реагируют с компонентами воздуха (кислородом, водяными парами, углекислым газом) и водой. Из-за этой высокой реакционной способности их хранят с соблюдением особых мер предосторожности, полностью изолируя от контакта с окружающей средой.

Основной способ хранения щелочных металлов в лаборатории — под слоем инертной, обезвоженной органической жидкости. Чаще всего для этих целей используют керосин или минеральное (вазелиновое) масло. Жидкость предотвращает контакт металла с воздухом и влагой.

• Натрий (Na) и Калий (K) имеют плотность больше, чем у керосина, поэтому их хранят в стеклянных банках, полностью погруженными в керосин или вазелиновое масло.

• Литий (Li) — самый легкий металл, его плотность меньше плотности керосина, поэтому он будет в нем плавать. Для его хранения используют вязкое вазелиновое масло, под слоем которого он не всплывает, либо его плотно заворачивают в парафинированную бумагу и помещают в герметично закрытые металлические банки.

• Рубидий (Rb) и Цезий (Cs) — чрезвычайно активные металлы. Они могут медленно реагировать даже с керосином, а на воздухе самовоспламеняются. Поэтому их хранят в запаянных стеклянных ампулах в атмосфере инертного газа (например, аргона) или в вакууме.

Все работы со щелочными металлами проводят с большой осторожностью, быстро, используя сухие инструменты, чтобы минимизировать их контакт с воздухом.

Ответ: Щелочные металлы хранят в герметичных сосудах под слоем инертной жидкости, такой как керосин или минеральное масло, чтобы предотвратить их реакцию с воздухом и влагой. Литий хранят под слоем вязкого масла или в парафине, а наиболее активные рубидий и цезий — в запаянных ампулах в инертной атмосфере.

3. Перечислите химические свойства щелочных металлов и раскройте зависимость скорости протекания реакций от природы щелочного металла.

Щелочные металлы — элементы I группы главной подгруппы периодической системы. На их внешней электронной оболочке находится один электрон, который они очень легко отдают, проявляя сильные восстановительные свойства. Общая электронная конфигурация валентного слоя — $ns^1$. В соединениях они всегда проявляют степень окисления +1.

Основные химические свойства:

1. Взаимодействие с неметаллами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами при нагревании, а с самыми активными (галогены, кислород) — и при обычных условиях.

   • С кислородом образуют разные продукты: литий — оксид, натрий — преимущественно пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды.
     $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$ (оксид лития)
     $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$ (пероксид натрия)
     $K + O_2 \rightarrow KO_2$ (надпероксид калия)

   • С галогенами реакция протекает очень энергично с образованием солей — галидов.
     $2Me + Hal_2 \rightarrow 2MeHal$ (где Me - Li, Na, K...; Hal - F, Cl, Br, I)

   • С серой при нагревании образуют сульфиды.
     $2Me + S \xrightarrow{t} Me_2S$

   • С водородом при нагревании образуют гидриды.
     $2Me + H_2 \xrightarrow{t} 2MeH$

   • С азотом при обычных условиях реагирует только литий, остальные — при нагревании.
     $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$ (нитрид лития)

2. Взаимодействие с водой. Все щелочные металлы бурно реагируют с водой с образованием щелочи (гидроксида) и выделением водорода.
   $2Me + 2H_2O \rightarrow 2MeOH + H_2 \uparrow$

3. Взаимодействие с кислотами. Реакция с кислотами протекает со взрывом. Проводить такие реакции опасно.
   $2Me + 2HCl \rightarrow 2MeCl + H_2 \uparrow$

4. Взаимодействие со спиртами. Реагируют со спиртами, образуя алкоголяты и водород. Реакция идет менее бурно, чем с водой.
   $2Me + 2C_2H_5OH \rightarrow 2C_2H_5OMe + H_2 \uparrow$

Зависимость скорости реакций от природы металла:

Химическая активность щелочных металлов, а следовательно, и скорость протекания реакций с их участием, закономерно увеличивается в группе сверху вниз — от лития к цезию (Li → Na → K → Rb → Cs).

Это объясняется строением их атомов. При движении по группе сверху вниз:

• Увеличивается радиус атома.

• Увеличивается число электронных слоев, что усиливает экранирование ядра.

• Уменьшается энергия ионизации (энергия, необходимая для отрыва валентного электрона).

В результате атому становится все легче отдавать свой единственный валентный электрон, и его восстановительная активность растет. Эта тенденция ярко проявляется в реакции с водой: литий реагирует спокойно, натрий — бурно, с шипением, калий — настолько энергично, что выделяющийся водород воспламеняется, а рубидий и цезий реагируют со взрывом.

Ответ: Щелочные металлы — сильные восстановители, реагируют с неметаллами, водой, кислотами, спиртами. Их химическая активность и скорость реакций возрастают в ряду от лития к цезию из-за увеличения атомного радиуса и уменьшения энергии ионизации, что облегчает отдачу валентного электрона.