1. В ряду Li–Na–K интенсивность взаимодействия щелочных металлов с водой увеличивается: литий взаимодействует относительно спокойно, натрий – бурно, калий загорается и горит характерным фиолетовым пламенем. Реакции описываются уравнениями:
2 Li + 2 H2O ® 2 LiOH + H2
2 Na + 2 H2O ® 2 NaOH + H2
2 K + 2 H2O ® 2 KOH + H2.
2. При горении лития на воздухе образуются оксид и нитрид лития:
4 Li + O2 ® 2 Li2O
6 Li + 3 N2 ® 2 Li3N
При горении натрия и калия преимущественно образуются пероксидные и надпероксидные соединения соответственно:
2 Na + O2 ® Na2O2
K + O2 ® KO2.
3. В тесте проводится качественная идентификация продуктов горения щелочных металлов. При растворении в воде происходят следующие реакции:
Li2O + H2O ® 2 LiOH
(Li3N + 3 H2O ® 3 LiOH + NH3)
Na2O2 + 2 H2O ® (на холоду) 2 NaOH + H2O2
2 KO2 + 2 H2O ® (на холоду) 2 KOH + H2O2 + O2.
Установить наличие пероксидных и надпероксидных соединений в продуктах горения можно по взаимодействию с KI в подкисленном серной кислотой растворе: происходит выделение йода, о чем свидетельствует появление синей окраски крахмала:
2 KI + H2O2 + H2SO4 ® K2SO4 + I2 + 2 H2O
I2 + крахмал ® синее окрашивание.
4. При внесение ионных соединений щелочных и щелочноземельных металлов в пламя горелки происходят следующие физические процессы:
атомизация ионов щелочных и щелочно-земельных металлов:
Li+ + e ® Li
Na+ + e ® Na
K+ + e ® K;
переход атомов в возбужденное состояния, связанный с промотированием электрона с ns на np энергетический подуровень;
возвращение атома в основное энергетическое состояние, сопровождающееся испусканием кванта света. Электронный переход может быть описан следующими термами:
3 P 3/2 ® 3 S 1/2; 3 P 1/2 ® 3 S 1/2.
В результате в спектрах атомов появляется дублет близко расположенных линий. Соли лития окрашивают пламя горелки в характерный карминово-красный цвет, соли натрия – в желтый, калия – в бледно-фиолетовый цвет.
5. В отличие от более тяжелых щелочных металлов у лития есть малорастворимые неорганические соли. Например, малорастворим карбонат лития
2 LiCl + Na2CO3конц ® Li2CO3¯ + 2 NaCl
(Li2SO4 + Na2CO3конц ® Li2CO3¯ + Na2SO4)
2 Li+ + CO32– ® Li2CO3¯.
6. Малорастворим и ортофосфат лития:
3 LiCl + Na3PO4насыщ ® Li3PO4¯ + 3 NaCl
(3 Li2SO4 + 2 Na3PO4насыщ ® 2 Li3PO4¯ + 3 Na2SO4)
3 Li+ + PO43– ® Li3PO4¯.
7. Качественной реакцией на натрий является образование желтого осадка малорастворимого ацетата натрия и уранила. Упрощенно взаимодействие описывается уравнением:
2 NaCl + 3 UO2(CH3COO)2 + 12 H2O ® 2 NaUO2(CH3COO)3×6H2O¯ + UO2Cl2
Na+ + UO22+ + 3 CH3COO– + 6 H2O ® 2 NaUO2(CH3COO)3×6H2O¯.
8. Также ионы натрия образуют малорастворимый белый осадок гексагидроксоантимоната натрия:
NaCl + K[Sb(OH)6] ® Na[Sb(OH)6]¯ + KCl
Na+ + [Sb(OH)6]– ® Na[Sb(OH)6]¯.
9. Малорастворим гидротартрат калия (кислая соль винной кислоты):
KCl + NaHC4H4O6 ® KHC4H4O6¯ + NaCl
K+ + HC4H4O6– ® KHC4H4O6¯.
10. По сравнению с перхлоратом натрия, растворимость перхлората калия значительно ниже:
KCl + NaClO4 ® KClO4¯ + NaCl
K+ + ClO4– ® KClO4¯.
Щелочно-земельные металлы и магний
11. Кальций достаточно интенсивно взаимодействует с водой:
Ca + 2 H2O ® Ca(OH)2 + H2.
Магний с холодной водой практически не взаимодействует по причине защитной оксидной пленки, образующейся на поверхности металла:
Mg + H2O ®
При повышении температуры эта пленка разрушается, поэтому с горячей водой магний реагирует интенсивно:
Mg + 2 H2O ® (t) Mg(OH)2 + H2.
В присутствии хлорида аммония происходит растворение магния в продуктах гидролиза, что происходит и без нагревания. Протекающие процессы могут быть описаны уравнениями:
NH4+ + H2O ⇄ NH3×H2O + H+
Mg + 2 H+ ® Mg2+ + H2
Mg + 2 NH4+ + 2H2O ® Mg2+ + 2 NH3×H2O + H2
Mg + 2 NH4Cl + 2 H2O ® MgCl2 + 2 NH3×H2O + H2.
12. Восстановительная активность магния и его сродство к кислороду очень велики. Особенно сильно это проявляется при повышенных температурах. Горение магния продолжается и в углекислом газе. По этой причине углекислотный огнетушитель не может быть использован для тушения горящего магния. Взаимодействие магния с CO2 описывается уравнением:
2 Mg + CO2 ® (t) 2 MgO + C.
13. При горении магния и кальция образуются оксиды, обладающие основным характером:
2 Mg + O2 ® (t) 2 MgO
2 Ca + O2 ® 2 CaO.
Суспензия MgO окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет по причине установления равновесий:
MgO + H2O ⇄ Mg(OH)2
Mg(OH)2 ⇄ Mg2+ + 2 OH– (ПР свежеосажденного Mg(OH)2 6×10–10, после старения 7,1×10–12).
CaO растворяется в воде, переходя в растворимый Ca(OH)2
CaO + H2O ® Ca(OH)2
Раствор гидроксида кальция является сильным электролитом и диссоциирует практически полностью. Раствор фенолфталеина окрашивается в малиновый цвет:
Ca(OH)2 ® Ca2+ + 2 OH–.
14. Подобно щелочным металлам, щелочно-земельные металлы легко атомизируются и возбуждаются в пламени горелки. В спектре испускания атомов щелочно-земельных металлов присутствуют линии, вызванные переходами, описываемыми электронными термами 3 P ® 1 S и 1 P ® 1 S. Соли кальция окрашивают пламя в оранжево-красный цвет, стронция – в темно-красный, бария – в травянисто-зеленый.
15. При взаимодействии растворимых солей кальция, стронция и бария с карбонатом натрия происходит образование малорастворимых карбонатов:
CaCl2 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + 2 NaCl
SrCl2 + Na2CO3 ® SrCO3¯ + 2 NaCl
BaCl2 + Na2CO3 ® BaCO3¯ + 2 NaCl
(M2+ + CO32– ® MCO3¯).
Взаимодействие солей магния с раствором карбоната натрия сопряжено с протеканием гидролитических процессов. В осадок выпадают основные карбоната магния. Стехиометрический состав продукта реакции xMgCO3× y Mg(OH)2 зависит от концентраций реагентов, порядка их смешения и в первом приближении может быть описан уравнением:
5 MgCl2 + 5 Na2CO3 + H2O ® 4 MgCO3×Mg(OH)2¯ + CO2 + 10 NaCl.
16. Растворимость сульфатов щелочно-земельных металлов уменьшается в ряду CaSO4 (ПР = 2,5×10–5) – SrSO4 (ПР = 3,2×10–7) – BaSO4 (1,1×10–10). Сульфат кальция выпадает в виде дигидрата, образуя характерные иглы, различимые под микроскопом:
CaCl2 + Na2SO4 + 2 H2O ® CaSO4×2H2O¯ + 2 NaCl.
Выпадение сульфата кальция требует высоких концентраций растворов, применяемых для осаждения, времени и обычно проводится в виде микрокристаллоскопической реакции.
Сульфаты стронция и бария – мелкокристаллические осадки, образующиеся легко:
SrCl2 + Na2SO4 ® SrSO4¯ + 2 NaCl
BaCl2 + Na2SO4 ® BaSO4¯ + 2 NaCl.
17. Растворимость хроматов щелочно-земельных металлов изменяется в том же порядке, что и сульфатов. Значения ПР соответственно равны: CaCrO4 – 7,1×10–4, SrCrO4 – 3,6×10–5, BaCrO4 – 1,2×10–10. Осаждение хромата бария протекает быстро и визуально заметно:
BaCl2 + Na2CrO4 ® BaCrO4¯ + 2 NaCl.
Осадок хромата бария нерастворим в растворах уксусной кислоты в присутствии ацетата натрия, что отличает его от хроматов стронция и кальция.
Хроматы стронция и кальция, обладающие достаточно высокими значениями ПР, часто не выпадают: наблюдается лишь помутнение раствора:
SrCl2 + Na2CrO4 ® SrCrO4 + 2 NaCl
CaCl2 + Na2CrO4 ® CaCrO4 + 2 NaCl.
18. Магнезиальный цемент – неорганический полимер, приблизительного состава OH–MgO – (Mg–O)n – MgCl
2 MgCl2×6H2O + nMgO ® OH–MgO – (Mg–O)n – MgCl + 2 HCl +10 H2O.