Щелочные и щелочно-земельные металлы

Цель: выявить особенности химических свойств щелочных и щелочно-земельных металлов.

Вопросы входного контроля:

1. Какие из металлов главных подгрупп имеют наибольшее значение в современной технике? Охарактеризуйте их свойства и применение.

2. Какими общими химическими свойствами обладают все металлы главных подгрупп, почему?

3. На основании каких свойств составлен электрохимический ряд напряжений металлов? Почему ему дано такое название?

Общие сведения: В Периодической системе щелочные металлы следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на внешнем энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns¹. Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Все щелочные металлы активно реагируют с кислородом, образуя оксиды или пероксиды, отличаясь в этом друг от друга: Li превращается в Li2O, а другие щелочные металлы в смесь M2O2 и MO2, причем Rb и Cs при этом возгораются. Все щелочные металлы образуют с водородом солеподобные термически стабильные при высоких температурах гидриды состава M+H, являющиеся активными восстановителями; гидриды разлагаются водой с образованием щелочей и водорода и выделением теплоты, вызывающей воспламенение газа, причем скорость этой реакции у лития выше, чем у Na и K.

Оборудование и материалы: металлы: литий, натрий, калий, магний, кальций, барий, тигельные щипцы, газовая горелка, фарфоровые чашки, индикатор фенолфталеин.

Порядок выполнения работы: Откройте Виртуальную лабораторию химии. Выберите в меню раздел Свойства неорганических веществ.

Опыт 1. Горение щелочных и щелочно-земельных металлов.

Внимание: работу необходимо проводить в вытяжном шкафу.

Возьмите кусочек металла тигельными щипцами, внесите его в пламя газовой горелки и сильно нагрейте. Что вы наблюдаете?

Проделайте аналогичные опыты со всеми металлами.

Результаты реакций занесите в таблицу:

	литий	натрий	калий	магний	кальций	барий
Результат нагревания металла

Опыт 2. Взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с водой.

Внимание: работу необходимо проводить в вытяжном шкафу.

В три фарфоровые чашки прилейте воду. Тигельными щипцами поместите в каждую соответственно по кусочку лития, натрия и калия. Наблюдайте результаты опытов.

Добавьте индикатор фенолфталеин в каждую фарфоровую чашку. Какой цвет приобрел индикатор?

Повторите эксперимент с магнием, кальцием и барием. Отметьте наблюдаемые явления.

Результаты реакций занесите в таблицу:

	литий	натрий	калий	магний	кальций	барий
Реакция с водой
Изменение окраски индикатора

Вопросы итогового контроля:

1. С какими веществами могут взаимодействовать щелочные металлы? Приведите уравнения реакций.

2. Почему едкие щелочи необходимо хранить в хорошо закупоренной посуде? Во что они в противном случае могут превратиться?

3. Какие вещества получаются при взаимодействии натрия с а) хлором; б) сернистым газом; в) углекислым газом; г) сероводородом? Составьте уравнения происходящих реакций.

По окончании работы сформулируйте Вывод, основываясь на результатах проделанных опытов. Оформите отчет о проделанной работе.

Классификация химических реакций

1. Реакции соединения

При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава:

A + B + C = D

Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.

Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂,

так и относиться к числу окислительно-восстановительных:

2FеСl₂ + Сl₂ = 2FеСl₃.

2. Реакции разложения

Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:

А = В + С + D.

Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.

Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:

	to
CuSO4 5H2O	=	CuSO4 + 5H2O

	to
Cu(OH)2	=	CuO + H2O

	to
H2SiO3	=	SiO2 + H2O.

К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления:

	to
2SO3	=	2SO2 + O2.

	to
4HNO3	=	2H2O + 4NO2O + O2O.

2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂ + O₂,
(NH₄)2Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O.

Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.

3. Реакции замещения

При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное:

А + ВС = АВ + С.

Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:

2Аl + Fe₂O₃ = 2Fе + Аl₂О₃,

Zn + 2НСl = ZnСl₂ + Н₂,

2КВr + Сl₂ = 2КСl + Вr₂,

2КСlO₃ + l₂ = 2KlO₃ + Сl₂.

Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением валентных состояний атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию двуокиси кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие ангидриды:

СаСО₃+ SiO₂ = СаSiO₃ + СО₂,

Са₃(РО₄)₂ + ЗSiO₂ = ЗСаSiO₃ + Р₂О₅,

Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена:

СН₄ + Сl₂ = СН₃Сl + НСl.

4. Реакции обмена

Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями:

АВ + СD = АD + СВ.

Если при реакциях замещения протекают окислительно-восстановительные процессы, то реакции обмена всегда происходят без изменения валентного состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами — оксидами, основаниями, кислотами и солями:

ZnO + Н₂SО₄ = ZnSО₄ + Н₂О,

AgNО₃ + КВr = АgВr + КNО₃,

СrСl₃ + ЗNаОН = Сr(ОН)₃ + ЗNаСl.

Частный случай этих реакций обмена — реакции нейтрализации:

НСl + КОН = КСl + Н₂О.

Обычно эти реакции подчиняются законам химического равновесия и протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного, летучего вещества, осадка или малодиссоциирующего (для растворов) соединения:

NаНСО₃ + НСl = NаСl + Н₂О + СО₂↑,

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О,

СН₃СООNа + Н₃РО₄ = СН₃СООН + NаН₂РО₄.

Задачи

1. Какие из представленных реакций являются окислительно-восстановительными? Расставьте коэффициенты в уравнениях, степени окисления веществ.

а) Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + Cr 

б) Al₂(SO₄)₃ + NaOH → Al(OH)₃ + Na₂SO₄ 

в) Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

2. Составьте уравнения реакций в соответствии со схемой