Глава IV. Металлы и их соединения. § 30. Общая характеристика элементов IA-группы — с. 159
§ 30. Примените свои знания.
4. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций: а) калия с водой; б) натрия с серой; в) оксида цезия с соляной кислотой; г) гидроксида лития с оксидом углерода(IV); д) оксида натрия с водой. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
а) Калий с водой (ОВР):
2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑
Электронный баланс: K⁰ − 1ē → K⁺ | 2 (восстановитель, окисляется); 2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 1 (H⁺ в составе воды — окислитель, восстанавливается).
Ионное уравнение: 2K + 2H₂O = 2K⁺ + 2OH⁻ + H₂↑. Окислитель — H₂O (за счёт H⁺), восстановитель — K.
б) Натрий с серой (ОВР, при нагревании или растирании):
2Na + S = Na₂S
Электронный баланс: Na⁰ − 1ē → Na⁺ | 2 (восстановитель); S⁰ + 2ē → S²⁻ | 1 (окислитель).
Ионного уравнения нет: реагируют простые вещества (твёрдые), сульфид натрия образуется как кристаллическая соль.
в) Cs₂O + 2HCl = 2CsCl + H₂O (не ОВР, степени окисления не меняются).
Полное ионное: Cs₂O + 2H⁺ + 2Cl⁻ = 2Cs⁺ + 2Cl⁻ + H₂O
Сокращённое: Cs₂O + 2H⁺ = 2Cs⁺ + H₂O.
г) 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O (не ОВР; карбонат лития малорастворим, поэтому записывается в виде формулы).
Полное ионное: 2Li⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = Li₂CO₃↓ + H₂O
Сокращённое: 2Li⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = Li₂CO₃↓ + H₂O (все частицы остаются, так как CO₂, осадок и вода — не ионы).
д) Na₂O + H₂O = 2NaOH (не ОВР).
Ионное: Na₂O + H₂O = 2Na⁺ + 2OH⁻ (оксид и вода записываются молекулярно, щёлочь диссоциирует).
2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑
Электронный баланс: K⁰ − 1ē → K⁺ | 2 (восстановитель, окисляется); 2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 1 (H⁺ в составе воды — окислитель, восстанавливается).
Ионное уравнение: 2K + 2H₂O = 2K⁺ + 2OH⁻ + H₂↑. Окислитель — H₂O (за счёт H⁺), восстановитель — K.
б) Натрий с серой (ОВР, при нагревании или растирании):
2Na + S = Na₂S
Электронный баланс: Na⁰ − 1ē → Na⁺ | 2 (восстановитель); S⁰ + 2ē → S²⁻ | 1 (окислитель).
Ионного уравнения нет: реагируют простые вещества (твёрдые), сульфид натрия образуется как кристаллическая соль.
в) Cs₂O + 2HCl = 2CsCl + H₂O (не ОВР, степени окисления не меняются).
Полное ионное: Cs₂O + 2H⁺ + 2Cl⁻ = 2Cs⁺ + 2Cl⁻ + H₂O
Сокращённое: Cs₂O + 2H⁺ = 2Cs⁺ + H₂O.
г) 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O (не ОВР; карбонат лития малорастворим, поэтому записывается в виде формулы).
Полное ионное: 2Li⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = Li₂CO₃↓ + H₂O
Сокращённое: 2Li⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = Li₂CO₃↓ + H₂O (все частицы остаются, так как CO₂, осадок и вода — не ионы).
д) Na₂O + H₂O = 2NaOH (не ОВР).
Ионное: Na₂O + H₂O = 2Na⁺ + 2OH⁻ (оксид и вода записываются молекулярно, щёлочь диссоциирует).
§ 30. Примените свои знания.
5. В трёх склянках без этикеток находятся белые кристаллические порошки хлоридов калия, натрия и лития. Предложите способ распознавания этих веществ.
Хлориды щелочных металлов различают по окраске пламени, так как катионы металлов окрашивают пламя горелки в характерные цвета.
Небольшое количество каждого порошка вносят на чистой проволоке (или на ватной палочке, смоченной раствором соли) в бесцветное пламя спиртовки:
1) соль лития окрашивает пламя в карминово-красный цвет;
2) соль натрия — в жёлтый цвет;
3) соль калия — в фиолетовый цвет (его удобнее наблюдать через синее кобальтовое стекло, которое гасит жёлтый цвет примеси натрия).
Реакциями с растворами реагентов эти хлориды различить трудно (все они хорошо растворимы, ион Cl⁻ определяется одинаково по AgNO₃: Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓), поэтому метод — окрашивание пламени.
Небольшое количество каждого порошка вносят на чистой проволоке (или на ватной палочке, смоченной раствором соли) в бесцветное пламя спиртовки:
1) соль лития окрашивает пламя в карминово-красный цвет;
2) соль натрия — в жёлтый цвет;
3) соль калия — в фиолетовый цвет (его удобнее наблюдать через синее кобальтовое стекло, которое гасит жёлтый цвет примеси натрия).
Реакциями с растворами реагентов эти хлориды различить трудно (все они хорошо растворимы, ион Cl⁻ определяется одинаково по AgNO₃: Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓), поэтому метод — окрашивание пламени.
§ 30. Примените свои знания.
6. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) KOH → K → KCl → KNO₃ → KNO₂; б) Li → Li₂O → LiOH → Li₂SO₄ → LiCl; в) Na → NaOH → Na₂CO₃ → NaNO₃ → NaNO₂
а)
1) 4KOH(расплав) = 4K + O₂↑ + 2H₂O (электролиз расплава);
2) 2K + Cl₂ = 2KCl;
3) KCl + AgNO₃ = KNO₃ + AgCl↓ (ионное: Cl⁻ + Ag⁺ = AgCl↓);
4) 2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂↑ (при нагревании).
б)
1) 4Li + O₂ = 2Li₂O;
2) Li₂O + H₂O = 2LiOH;
3) 2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2H₂O (ионное: OH⁻ + H⁺ = H₂O);
4) Li₂SO₄ + BaCl₂ = 2LiCl + BaSO₄↓ (ионное: SO₄²⁻ + Ba²⁺ = BaSO₄↓).
в)
1) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑;
2) 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O (ионное: 2OH⁻ + CO₂ = CO₃²⁻ + H₂O);
3) Na₂CO₃ + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + H₂O + CO₂↑ (ионное: CO₃²⁻ + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑);
4) 2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂↑ (при нагревании).
1) 4KOH(расплав) = 4K + O₂↑ + 2H₂O (электролиз расплава);
2) 2K + Cl₂ = 2KCl;
3) KCl + AgNO₃ = KNO₃ + AgCl↓ (ионное: Cl⁻ + Ag⁺ = AgCl↓);
4) 2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂↑ (при нагревании).
б)
1) 4Li + O₂ = 2Li₂O;
2) Li₂O + H₂O = 2LiOH;
3) 2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2H₂O (ионное: OH⁻ + H⁺ = H₂O);
4) Li₂SO₄ + BaCl₂ = 2LiCl + BaSO₄↓ (ионное: SO₄²⁻ + Ba²⁺ = BaSO₄↓).
в)
1) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑;
2) 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O (ионное: 2OH⁻ + CO₂ = CO₃²⁻ + H₂O);
3) Na₂CO₃ + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + H₂O + CO₂↑ (ионное: CO₃²⁻ + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑);
4) 2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂↑ (при нагревании).
§ 30. Примените свои знания.
7. Вместо многоточий впишите в уравнения реакций формулы веществ: а) … + SO₂ = Na₂SO₃; б) KOH + … = KNO₃ + H₂O; в) … + … = 2LiCl + BaSO₄↓; г) 2Na + 2H₂O = … + …
а) Na₂O + SO₂ = Na₂SO₃ (основный оксид + кислотный оксид = соль).
б) KOH + HNO₃ = KNO₃ + H₂O (реакция нейтрализации).
в) Li₂SO₄ + BaCl₂ = 2LiCl + BaSO₄↓ (обмен, выпадает белый осадок сульфата бария).
г) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑ (натрий вытесняет водород из воды).
б) KOH + HNO₃ = KNO₃ + H₂O (реакция нейтрализации).
в) Li₂SO₄ + BaCl₂ = 2LiCl + BaSO₄↓ (обмен, выпадает белый осадок сульфата бария).
г) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑ (натрий вытесняет водород из воды).
§ 30. Примените свои знания.
8. В тесто добавили половину чайной ложки (2,1 г) питьевой соды. Какой объём углекислого газа (н. у.) выделится при полном разложении этого вещества?
Дано: m(NaHCO₃) = 2,1 г.
Найти: V(CO₂) — ?
Решение: питьевая сода NaHCO₃ при нагревании разлагается:
2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
M(NaHCO₃) = 23 + 1 + 12 + 3 · 16 = 84 г/моль.
n(NaHCO₃) = 2,1 г : 84 г/моль = 0,025 моль.
По уравнению n(CO₂) = n(NaHCO₃) : 2 = 0,0125 моль.
V(CO₂) = 0,0125 моль · 22,4 л/моль = 0,28 л.
Ответ: V(CO₂) = 0,28 л (280 мл).
Найти: V(CO₂) — ?
Решение: питьевая сода NaHCO₃ при нагревании разлагается:
2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
M(NaHCO₃) = 23 + 1 + 12 + 3 · 16 = 84 г/моль.
n(NaHCO₃) = 2,1 г : 84 г/моль = 0,025 моль.
По уравнению n(CO₂) = n(NaHCO₃) : 2 = 0,0125 моль.
V(CO₂) = 0,0125 моль · 22,4 л/моль = 0,28 л.
Ответ: V(CO₂) = 0,28 л (280 мл).
§ 30. Используйте дополнительную информацию.
9. Подготовьте сообщение об истории открытия одного из щелочных металлов, о его свойствах и применении.
Сообщение: натрий. Соединения натрия — поваренная соль и сода — человек знал с глубокой древности, но свободный металл долго получить не удавалось. В 1807 г. английский химик Хамфри Дэви выделил натрий электролизом расплавленного гидроксида натрия, а несколькими днями раньше таким же способом получил калий. Название «натрий» происходит от арабского «натрун» (сода). Натрий — мягкий серебристо-белый лёгкий металл (плотность 0,97 г/см³, легче воды), легко режется ножом, плавится при 98 °C. Его атом имеет один электрон на внешнем слое, поэтому натрий — сильный восстановитель: на воздухе быстро тускнеет, с водой реагирует бурно (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑), с галогенами, серой и другими неметаллами реагирует при нагревании. Хранят натрий под слоем керосина. Металл получают электролизом расплава хлорида натрия. Применяют натрий как восстановитель в металлургии и органическом синтезе, как теплоноситель в ядерных реакторах (расплав), в натриевых лампах уличного освещения (жёлтый свет). Соединения натрия — NaCl, NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃ — важнейшие продукты химической промышленности. Оговорка: выбор металла свободный; можно подготовить сообщение о литии (открыт в 1817 г. Й. Арфведсоном, применяется в аккумуляторах) или о калии.
§ 31. Вопрос в начале параграфа. К элементам IIA-группы Периодической системы Д. И. Менделеева относят бериллий, магний и щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий, радий. Обладают ли щелочноземельные и щелочные металлы сходными свойствами?
Да, сходство есть, но есть и различия.
Сходство: атомы щелочных (IA) и щелочноземельных (IIA) металлов имеют на внешнем слое малое число электронов (1 и 2), легко их отдают и поэтому проявляют восстановительные свойства (степени окисления +1 и +2). Это серебристо-белые лёгкие металлы с металлической связью и металлической кристаллической решёткой; они активно реагируют с неметаллами (с кислородом, галогенами, серой), с водой (образуя щёлочи и водород: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑), их оксиды — основные, а гидроксиды — щёлочи. Хранят их под слоем керосина.
Различия: щелочноземельные металлы твёрже и менее активны, чем щелочные того же периода (Ca слабее K), так как у них больше заряд ядра и два электрона; их гидроксиды менее растворимы, а многие соли (CaCO₃, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂) нерастворимы, тогда как почти все соли щелочных металлов растворимы.
Сходство: атомы щелочных (IA) и щелочноземельных (IIA) металлов имеют на внешнем слое малое число электронов (1 и 2), легко их отдают и поэтому проявляют восстановительные свойства (степени окисления +1 и +2). Это серебристо-белые лёгкие металлы с металлической связью и металлической кристаллической решёткой; они активно реагируют с неметаллами (с кислородом, галогенами, серой), с водой (образуя щёлочи и водород: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑), их оксиды — основные, а гидроксиды — щёлочи. Хранят их под слоем керосина.
Различия: щелочноземельные металлы твёрже и менее активны, чем щелочные того же периода (Ca слабее K), так как у них больше заряд ядра и два электрона; их гидроксиды менее растворимы, а многие соли (CaCO₃, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂) нерастворимы, тогда как почти все соли щелочных металлов растворимы.