Подумайте!, страница 88, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

Почему натрий и калий при реакции с водой часто загораются, а кальций реагирует с ней спокойно, без возгорания?

Различие в поведении натрия, калия и кальция при реакции с водой объясняется их разной химической активностью, которая определяется их положением в Периодической системе элементов, а также физико-химическими свойствами продуктов реакции.

Натрий ($Na$) и калий ($\text{K}$) – это щелочные металлы, расположенные в I группе Периодической системы. Кальций ($Ca$) – щелочноземельный металл из II группы. Щелочные металлы являются одними из самых химически активных металлов и значительно превосходят в этом щелочноземельные металлы. Все три металла взаимодействуют с водой по следующим схемам:

Реакция натрия с водой:

$2Na + 2H_2o \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow + Q_1$

Реакция калия с водой:

$2K + 2H_2o \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow + Q_2$

Реакция кальция с водой:

$Ca + 2H_2o \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + H_2\uparrow + Q_3$

Почему натрий и калий загораются:

1. Высокая экзотермичность. Реакции натрия и калия с водой протекают с выделением огромного количества теплоты ($Q_1$ и $Q_2$). Активность калия выше, чем у натрия, поэтому его реакция еще более бурная ($Q_2 > Q_1$).

2. Плавление металла и воспламенение водорода. Выделяющейся теплоты достаточно, чтобы расплавить металл (температура плавления натрия 97.8o C, калия – 63.5o C). Кусочек металла, который легче воды, принимает шарообразную форму и быстро движется по поверхности, что увеличивает скорость реакции. Локальный перегрев приводит к достижению температуры самовоспламенения водорода ($H_2$) в присутствии кислорода воздуха. Именно горение водорода и наблюдается в виде пламени. Пламя натрия окрашивается в желтый цвет, а калия – в фиолетовый из-за присутствия ионов этих металлов.

3. Растворимость продукта. Образующиеся гидроксиды – гидроксид натрия ($NaOH$) и гидроксид калия ($KOH$) – хорошо растворимы в воде. Они сразу уходят в раствор, не создавая на поверхности металла защитного слоя и не мешая контакту свежих слоев металла с водой.

Почему кальций реагирует спокойно:

1. Меньшая экзотермичность. Реакция кальция с водой также экзотермична, но количество выделяемой теплоты ($Q_3$) значительно меньше, чем в случае щелочных металлов.

2. Образование защитной пленки. Ключевым фактором является свойство продукта реакции – гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$). Это вещество малорастворимо в воде. Оно образует на поверхности металлического кальция белесую пленку, которая изолирует металл от воды. Этот процесс называется пассивацией. Пленка резко замедляет реакцию, тепло выделяется медленно и рассеивается в объеме воды. В результате температура не достигает значений, необходимых для воспламенения водорода.

Ответ: Натрий и калий бурно реагируют с водой, так как эти реакции очень экзотермичны, а образующиеся гидроксиды хорошо растворимы. Выделяющегося тепла хватает, чтобы расплавить металл и поджечь выделяющийся водород. Кальций реагирует с водой спокойно, так как эта реакция менее экзотермична, а главное – на его поверхности образуется пленка малорастворимого гидроксида кальция $Ca(OH)_2$, которая замедляет реакцию и предотвращает быстрое выделение большого количества тепла, необходимого для возгорания.