Общая характеристика металлов. Щелочные и щёлочноземельные металлы — тренажёр для 9 класса

Определение

Металлы — это химические элементы, атомы которых имеют небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (чаще 1–3) и в химических реакциях только отдают их, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Положение металлов в периодической таблице задаётся диагональю бор — астат: слева и снизу от неё расположены металлы, справа и сверху — неметаллы. Все элементы побочных подгрупп (d-элементы), а также лантаноиды и актиноиды — металлы, поэтому из 118 известных элементов металлов около 95.

Общее свойство атомов металлов — малый заряд ядра при большом радиусе, из-за чего внешние электроны слабо удерживаются. Отсюда единственная химическая функция простых веществ-металлов: восстановитель, схема Me⁰ − n·e⁻ → Meⁿ⁺.

В курсе 9 класса тема служит фундаментом: сначала общие свойства и электрохимический ряд напряжений, затем два самых активных семейства — щелочные (IA-группа) и щёлочноземельные (IIA-группа) металлы, и как их практическое следствие — жёсткость воды.

Ключевые правила

Химическая активность металла определяется его положением в электрохимическом ряду напряжений: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

1. Металлы, стоящие левее водорода, вытесняют его из растворов кислот (кроме HNO₃ любой концентрации и концентрированной H₂SO₄). Пример: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; Cu + HCl — реакция не идёт.
2. Металл вытесняет из раствора соли тот металл, который стоит правее него. Пример: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
3. Щелочные и щёлочноземельные металлы (Li…Na, Ca, Ba) реагируют с водой при комнатной температуре, поэтому в растворах солей они реагируют с водой, а не с солью.
4. Общие физические свойства — металлический блеск, ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность — объясняются металлической связью: общие электроны свободно перемещаются между катионами кристаллической решётки.
5. Щелочные металлы имеют конфигурацию внешнего слоя ns¹ и во всех соединениях проявляют степень окисления +1; щёлочноземельные — ns² и степень окисления +2.
6. Жёсткость воды создают катионы Ca²⁺ и Mg²⁺; временная (карбонатная) жёсткость снимается кипячением, постоянная — только реагентами.

Разбор примеров

Пример 1. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ Цинк стоит левее водорода, значит вытесняет его из кислоты. Электронный баланс: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺ (восстановитель, окисление); 2H⁺ + 2e⁻ → H₂⁰ (окислитель, восстановление). Вывод: металл в реакции с кислотой всегда восстановитель.

Пример 2. 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ Натрий плавится в шарик и бегает по поверхности воды: реакция экзотермична, температура плавления Na всего 98 °C. Баланс: 2Na⁰ − 2e⁻ → 2Na⁺; 2H⁺ + 2e⁻ → H₂⁰. Вывод: щелочные металлы дают щёлочь и водород — отсюда название группы.

Пример 3. Na + раствор CuSO₄ Меди на дне не будет. Идут две последовательные реакции: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, затем 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Вывод: правило вытеснения металла из соли не применяют к металлам от Li до Na и к Ca, Ba.

Пример 4. Ca(HCO₃)₂ →(t) CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑ При кипячении растворимый гидрокарбонат разлагается, ионы Ca²⁺ уходят в осадок — это накипь в чайнике. Вывод: временная жёсткость устраняется нагреванием.

Пример 5. CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄ Сульфат кальция при кипячении не разлагается, но карбонат-ион связывает Ca²⁺ в нерастворимый CaCO₃. Ионное уравнение: Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓. Вывод: постоянная жёсткость снимается содой.

Таблица

Типичные ошибки

Горение натрия записывают как 4Na + O₂ → 2Na₂O. Ошибка возникает по аналогии с литием. Правильно: 2Na + O₂ → Na₂O₂ (пероксид), где кислород имеет степень окисления −1.

Активный металл «вытесняет» медь из раствора соли. Ученик механически применяет ряд напряжений, забывая про воду. Неправильно: 2K + CuSO₄ → K₂SO₄ + Cu. Правильно: калий сначала реагирует с водой, затем щёлочь даёт осадок Cu(OH)₂.

Из азотной кислоты получают водород. Причина — перенос правила с HCl. Неправильно: Cu + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂↑. Правильно: HNO₃ окисляет металл нитрат-ионом, продукты — NO₂, NO или N₂O, но не H₂.

Кипячением снимают любую жёсткость. Смешивают понятия временной и постоянной жёсткости. Правильно: CaSO₄ при нагревании не разлагается, нужна сода.

Формулы пишут без учёта валентности: CaOH, NaOH₂. Причина — игнорирование заряда иона. Правильно: Ca²⁺ и OH⁻ дают Ca(OH)₂; Na⁺ и OH⁻ дают NaOH.

Пошаговый алгоритм

1. Определите положение металла в периодической таблице: номер группы указывает число внешних электронов и высшую степень окисления.
2. Найдите металл в ряду напряжений и запомните, левее или правее водорода он стоит.
3. Установите второй реагент: вода, кислота, соль, неметалл.
4. Проверьте ограничения: активные металлы (Li–Na, Ca, Ba) с растворами солей реагируют через воду; HNO₃ и концентрированная H₂SO₄ водород не дают; нерастворимые соли в обмен не вступают.
5. Запишите формулы продуктов по валентностям и расставьте коэффициенты.
6. Составьте электронный баланс: подсчитайте отданные и принятые электроны — их числа должны совпасть.
7. Проверьте результат: число атомов каждого элемента слева и справа равно, заряды в ионном уравнении сбалансированы, осадок или газ отмечен стрелкой.

Как запомнить

• Ряд напряжений по слогам: Ли-Ка-Ба-Ка-На-Ма-Аль-Цин-Же-Ни-О-Сви-Во-Мед-Рту-Се-Пла-Зо (Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au).
• Опорная фраза для щелочей: «щелочной металл + вода = щёлочь + водород», кислород не выделяется никогда.
• Пламя: натрий — жёлтый как натрий в лампе; калий — фиолетовый; барий — зелёный, как бархат травы.
• Жёсткость: «временная — от гидрокарбонатов, уходит от кипятка; постоянная — от сульфатов, уходит от соды».
• Окисление кислорода в продуктах: Li → O²⁻, Na → O₂²⁻, K → O₂⁻ — чем ниже элемент в группе, тем «богаче кислородом» продукт.