Металл активный вода щелочь водорода

Щелочные металлы

К щелочным металлам относят химические элементы: одновалентные металлы, составляющие Ia группу: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций.

Эти металлы очень активны, быстро окисляются на воздухе и бурно реагируют с водой. Их хранят под слоем керосина из-за их сильной реакционной способности.

Общая характеристика

От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 1 :

• Li — 2s 1
• Na — 3s 1
• K — 4s 1
• Rb — 5s 1
• Cs — 6s 1
• Fr — 7s 1

Природные соединения

В природе щелочные металлы встречаются в виде следующих соединений:

• NaCl — галит (каменная соль)
• KCl — сильвин
• NaCl*KCl — сильвинит

Получение

Получить такие активные металлы электролизом водного раствора — невозможно. Для их получения применяют электролиз расплавов при высоких температурах (естественно — безводных):

NaCl → Na + Cl₂↑ (электролиз расплава каменной соли)

Химические свойства

Одной из особенностей щелочных металлов является их реакция с кислородом. Литий в такой реакции преимущественно образует оксид, натрий — пероксид, калий, рубидий и цезий — супероксиды.

K + O₂ → KO₂ (супероксид калия)

Реакции с неметаллами

Помните, что металлы никогда не принимают отрицательных степеней окисления. Щелочные металлы одновалентны, и проявляют постоянную степень окисления +1 в различных соединениях: гидриды, галогениды (фториды, хлориды, бромиды и йодиды), нитриды, сульфиды и т.д.

Li + H₂ → LiH (в гидридах водород -1)

Na + F₂ → NaF (в фторидах фтор -1)

Na + S → Na₂S (в сульфидах сера -2)

K + N₂ → K₃N (в нитридах азот -3)

Реакция с водой

Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом часто происходит воспламенение, а иногда — взрыв.

Na + H₂O → NaOH + H₂↑ (воду можно представить в виде HOH — натрий вытесняет водород)

Иногда в задачах может проскользнуть фраза такого плана: «. в ходе реакции выделился металл, окрашивающий пламя горелки в желтый цвет». Тут вы сразу должны догадаться: речь, скорее всего, про натрий.

Щелочные металлы по-разному окрашивают пламя. Литий окрашивает в алый цвет, натрий — в желтый, калий — в фиолетовый, рубидий — синевато-красный, цезий — синий.

Оксиды щелочных металлов

Имеют общую формулу R₂O, например: Na₂O, K₂O.

Получение

Получение оксидов щелочных металлов возможно в ходе реакции с кислородом. Для лития все совсем несложно:

В подобных реакциях у натрия и калия получается соответственно пероксид и супероксид, что приводит к затруднениям. Как из пероксида, так и из супероксида, при желании можно получить оксид:

Химические свойства

По свойствам эти оксиды являются основными. Они хорошо реагируют c водой, кислотными оксидами и кислотами:

Li₂O + H₂O → LiOH (осн. оксид + вода = основание — реакция идет, только если основание растворимо)

Na₂O + SO₂ → Na₂SO₃ (обратите внимание — мы сохраняем СО серы +4)

Гидроксиды щелочных металлов

Относятся к щелочам — растворимым основаниям. Наиболее известные представители: NaOH — едкий натр, KOH — едкое кали.

Получение

Гидроксиды щелочных металлов получаются в ходе электролиза водных растворов их солей, в реакциях обмена, в реакции щелочных металлов и их оксидов с водой:

KCl + H₂O → (электролиз!) KOH + H₂ + Cl₂ (на катоде выделяется водород, на аноде — хлор)

Химические свойства

Проявляют основные свойства. Хорошо реагируют с кислотами, кислотными оксидами и солями, если в ходе реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

LiOH + H₂SO₄ → LiHSO₄ + H₂O (соотношение 1:1, кислота в избытке — получается кислая соль)

2LiOH + H₂SO₄ → Li₂SO₄ + 2H₂O (соотношение 2:1, основание в избытке — получается средняя соль)

KOH + SO₂ → KHSO₃ (соотношение 1:1 — получается кислая соль)

2KOH + SO₂ → K₂SO₃ + H₂O (соотношение 2:1 — получается средняя соль)

С амфотерными гидроксидами реакции протекают с образованием комплексных солей (в водном растворе) или с образованием окиселов — смешанных оксидов (при высоких температурах — прокаливании).

NaOH + Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄] (в водном растворе образуются комплексные соли)

NaOH + Al(OH)₃ → NaAlO₂ + H₂O (при прокаливании образуется окисел — смесь двух оксидов: Al₂O₃ и Na₂O, вода испаряется)

Реакции щелочей с галогенами заслуживают особого внимания. Без нагревания они идут по одной схеме, а при нагревании эта схема меняется:

NaOH + Cl₂ → NaClO + NaCl + H₂O (без нагревания хлор переходит в СО +1 и -1)

NaOH + Cl₂ → NaClO₃ + NaCl + H₂O (с нагреванием хлор переходит в СО +5 и -1)

В реакциях щелочей с йодом образуется исключительно иодат, так как гипоиодит неустойчив даже при комнатной температуре, не говоря о нагревании. С серой реакция протекает схожим образом:

NaOH + I₂ → NaIO₃ + NaI + H₂O (с нагреванием)

NaOH + S → Na₂S + Na₂SO₃ + H₂O (сера переходит в СО -2 и +4)

Уникальным является также взаимодействие щелочей с кислотным оксидом NO₂, который соответствует сразу двум кислотам — и азотной, и азотистой.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Какие металлы реагируют с водой?

Прежде всего следует запомнить, что металлы делят в целом на три группы:

1) Активные металлы: к таким металлам относятся все щелочные металлы, щелочноземельные металлы, а также магний и алюминий.

2) Металлы средней активности: к таковым относят металлы, расположенные между алюминием и водородом в ряду активности.

3) Малоактивные металлы: металлы, расположенные в ряду активности правее водорода.

В первую очередь нужно запомнить, что малоактивные металлы (т.е. те, что расположены после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при любых условиях (даже при обычной температуре и на холоде), при этом реакция сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла. Например:

Магний из-за того, что покрыт защитной оксидной пленкой, реагирует с водой только при кипячении. При нагревании в воде оксидная пленка, состоящая из MgO, разрушается и находящийся под ней магний начинает реагировать с водой. При этом реакция также сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла, который, однако, в случае магния нерастворим:

Алюминий так же, как и магний, покрыт защитной оксидной пленкой, однако в этом случае кипячением ее разрушить нельзя. Для ее снятия требуются либо механическая чистка (каким-либо абразивом), либо ее химическое разрушение щелочью, растворами солей ртути или солей аммония:

Металлы средней активности реагируют с водой лишь тогда, когда она находится в состоянии перегретого водяного пара. Сам металл при этом должен быть нагрет до температуры красного каления (около 600-800 о С). В отличие от активных металлов, металлы средней активности при реакции с водой вместо гидроксидов образуют оксиды металлов. Продуктом восстановления и в этом случае является водород:

Fe + H₂O = FeO + H₂ (в зависимости от степени нагрева)

Источник

2.2.1. Характерные химические свойства щелочных металлов.

Щелочными металлами (ЩМ) называют все элементы IA группы таблицы Менделеева, т.е. литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr.

У атомов ЩМ на внешнем электронном уровне находится только один электрон на s-подуровне, легко отрывающийся при протекании химических реакций. При этом из нейтрального атома ЩМ образуется положительно заряженная частица – катион с зарядом +1:

Семейство ЩМ является наиболее активным среди прочих групп металлов в связи с чем в природе обнаружить их в свободной форме, т.е. в виде простых веществ невозможно.

Простые вещества щелочные металлы являются крайне сильными восстановителями.

Взаимодействие щелочных металлов с неметаллами

с кислородом

Щелочные металлы реагируют с кислородом уже при комнатной температуре, в связи с чем их требуется хранить под слоем какого-либо углеводородного растворителя, такого как, например, керосина.

Взаимодействие ЩМ с кислородом приводит к разным продуктам. С образованием оксида, с киcлородом реагирует только литий:

Натрий в аналогичной ситуации образует с кислородом пероксид натрия Na₂O₂:

а калий, рубидий и цезий – преимущественно надпероксиды (супероксиды), общей формулы MeO₂:

с галогенами

Щелочные металлы активно реагируют с галогенами, образуя галогениды щелочных металлов, имеющих ионное строение:

2Li + Br₂ = 2LiBr бромид лития

2Na + I₂ = 2NaI иодид натрия

2K + Cl₂ = 2KCl хлорид калия

с азотом

Литий реагирует с азотом уже при обычной температуре, с остальными же ЩМ азот реагирует при нагревании. Во всех случаях образуются нитриды щелочных металлов:

с фосфором

Щелочные металлы реагируют с фосфором при нагревании, образуя фосфиды:

3Na + P = Na₃Р фосфид натрия

3K + P = K₃Р фосфид калия

с водородом

Нагревание щелочных металлов в атмосфере водорода приводит к образованию гидридов щелочных металлов, содержащих водород в редкой степени окисления – минус 1:

Н₂ + 2K = 2KН -1 гидрид калия

Н₂ + 2Rb = 2RbН гидрид рубидия

с серой

Взаимодействие ЩМ с серой протекает при нагревании с образованием сульфидов:

S + 2Na = Na₂S сульфид натрия

Взаимодействие щелочных металлов со сложными веществами

с водой

Все ЩМ активно реагируют с водой с образованием газообразного водорода и щелочи, из-за чего данные металлы и получили соответствующее название:

2HOH + 2Na = 2NaOH + H₂↑

2K + 2HOH = 2KOH + H₂↑

Литий реагирует с водой довольно спокойно, натрий и калий самовоспламеняются в процессе реакции, а рубидий, цезий и франций реагируют с водой с мощным взрывом.

с галогенпроизводными углеводородов (реакция Вюрца):

со спиртами и фенолами

ЩМ реагируют со спиртами и фенолами, замещая водород в гидроксильной группе органического вещества:

Источник

Получение водорода из алюминия и водного раствора щелочи, реактор, простые эксперименты

Лабораторные работы — этакое таинство позволяющее прочувствовать полезность и практичность теории из учебников и тетрадок. Живые опыты производят изрядное впечатление наглядно демонстрируя как интересен и удивителен мир вокруг. Это хороший дополнительный фактор, чтобы заинтриговать наукой юных обормотов. К превеликому сожалению современные школы все более манкируют натурными экспериментами при изучении естественных наук. Демонстрацию фото-видео, презентаций предпочитают возне с пробирками и настоящими реактивами. Это проще и дешевле для школы и преподавателя, однако и меньше вовлекает учеников. И если в школах больших городов еще существуют лаборатории при кабинетах физики и химии, то в школах сельских, дела обстоят из рук вон плохо.

Поскольку спасение утопающих, дело сами-знаете-чьих рук, мы стараемся хоть иногда организовывать для своего ребенка интересные работы в разных областях. Чтобы если не привить любовь к исследованиям, то по крайней мере продемонстрировать. Эта работа была посвящена водороду — его простому получению и выяснению некоторых зрелищных особенностей. Заодно можно коснуться и истории (воздухоплавания — аппараты легче воздуха, Шарльеры).

Итак. Наиболее простым и безопасным способом получения Н2 можно признать сугубо химический — из водного раствора щелочи и алюминия. Реактивы просты и относительно безопасны, водорода выделяется много — даже нетерпеливый вьюнош соскучится не успеет. Попутно мы сделали небольшой настольный (напольный) реактор позволяющий получать достаточно газа и меньше заботиться о безопасности (опрокидывании).

Чтобы не было конфуза, первым делом попробовал сделать эксперимент самостоятельно. Взял несколько алюминиевых обрезков от работы с лампой и залил их раствором щелочи.

Чистой щелочи не нашлось, применил сухой (гранулы) очиститель для труб в состав которого она входит. Надо сказать, что не все химикаты подобного рода работают в нужном качестве, например «Крот» жидкий в бутылке с носиком уточкой, на алюминий никакого впечатления не произвел — в его состав кроме щелочи входит и ингибитор коррозии.

Мой первый эксперимент проходил ни шатко ни валко — реактивы брал на глазок, щелочи положил мало. Шарик на фото образовывался почти за двое суток. Для эксперимента №2 отмерил реактивы на весах, залил избытком воды (реакция экзотермическая, раствор разогревается), алюминий измельчил, применил катализатор — кальцинированную соду. Дело пошло существенно веселее, несколько литров газа получалось за минуты, однако, одноразовая 1.5 л ПЭТ бутылка оказалась не лучшим реактором — разогрев алюминиевой засыпки на дне деформировал и проплавил емкость, она стала протекать.

Тогда было решено сделать реактор из имеющегося 2 л. порошкового огнетушителя в толстом пластиковом корпусе. Основательный корпус вселял надежду на прочность и относительную термостойкость, однако прибор узковысок и неустойчив. Гулять так гулять — мы его снабдили хорошим устойчивым подстаканником. К посильным работам привлекалась и жертва неуемной родительской педагогики.

Итак, что нам понадобилось для изготовления и опытов.

Б/у огнетушитель ОП-2, набор инструментов для столярных работ, ЛКМ, посуда, мелочи. Реактивы — алюминий, щелочь, вода, мыльный раствор.

В хороший солнечный денек подобрал подходящие обрезки сосновых досок, в основном попорченные древоточцами, не пригодные для других столярных или плотницких работ. Предварительно прострогал их, опилил в размер и прострогал еще разок до нужной толщины (12. 13 мм). При этом удачно удалились все внутренние паршивцы портящие деревяшки, вместе со своими следами ходами. Чудненько.

На пиле маятниковой (торцевой) обрезал заготовки в размер, опилил углы.

Из дефектов на деревяшках осталась большая дырка от выпавшего сухого сучка, ничего, сойдет за люк для контроля температуры (пальцем пробовать корпус реактора), опять же — вентиляция. Зашкуриванием занимался загрустивший от трудностей научной работы ребенок.

В дне подстаканника просверлил ряд отверстий, как в мыльнице, чтобы стекало ежели чего прольется. Заготовки скрепил клеем (столярный ПВА) с некрупными гвоздиками.

Чтобы наш подстаканник не размокал и не пачкался грязными пальцами покрасили его в зеленый цвет засыхающими остатками эмали ПФ-115. Для работ снова был привлечен практикант, уже повеселевший — красить мы любим. Для покраски было выделено рабочее место в проветриваемом дровнике, выданы материалы, доведена техника безопасности. Деревяшки обмели и продули от пыли, для первого слоя краску слегка разбавили растворителем. Перед нанесением слоя второго, первый слегка зашкурили некрупной затертой наждачкой — чтобы удалить встопорщившиеся волокна древесины.

Огнетушитель нам достался со сломанной верхней частью, но все что нужно для запирания емкости было в наличии. Большую накидную металлическую гайку удалось отвернуть зажав ее в слесарных тисках. Внутри обнаружилась соломинка с раструбом на дне (для правильного забора рабочего тела — порошка) и небольшой баллончик для сжатого газа.

Баллончик удалось отвернуть не без труда (фиксатор или герметик на резьбе). Применили разводной ключ и тиски. Соломинку укоротили и привинтили навыворот — снаружи, получился удобный патрубок для наполнения шарика. Для присоединения нетолстого силиконового шланга сделали еще один патрубок, поменьше. Из оставшейся соломинки с раструбом получилась хорошая воронка для наполнения реактора химикатами.

Патрубок для шланга сделали из кусочка сменной ампулы шариковой ручки. Вклеили ее термоклеем. Действовали так — полностью залили отрезок толстого красного патрубка термоклеем с одной стороны, после его застывания, залили и с другой. Чтобы расплавленный клей не выливался с обратной стороны, заткнули ее гладким металлическим (не прилипает клей) цилиндриком походящим по диаметру (гальванический элемент типоразмера ААА). Дали клею полностью остыть и отвердеть и просверлили сквозное отверстие. Получился этакий тройник.

Сборку пластиковых частей сделали с применением силиконового герметика, залили термоклеем и несколько ненужных отверстий в крышке. Осталась только загрузочная горловина с резьбовой пробкой.

Первым делом не худо будет напомнить (объяснить) ребенку что происходит внутри реактора и почему оттуда выходит газ — водород. Дескать, происходит химическая реакция между водой, щелочью и алюминием. Интересно, что алюминий, паче чаяний, метал очень активный (в электрохимическом ряду металлов стоит между магнием и цинком). Он вполне способен самостоятельно вступать в реакцию с водой, но на поверхности Аl очень быстро образуется прочная пленка окисла предохраняющего металл. Щелочь удаляет оксидную пленку, происходит хим.реакция, выделяется водород.

2Al + 2KOH + 6H2O = 2 K[Al(OH)4] + 3H2↑

Мы решили сделать с водородом два простых опыта — наполнять им мыльные пузыри (взлетают вверх — видим что водород легче воздуха) и поджечь мыльную пену наполненную водородом (продемонстрировать горючесть). В обоих случаях нужны мыльные пузыри.

Их мы сделали из непижонского шампуня немного разбавив его водой и добавив капельку глицерина для прочности. Попробовали что получилось, кстати пришлась и соломинка от огнетушителя.

Ничего, все работает, можно приступать.

К толстому патрубку реактора прикрепили ресивер — воздушный шарик. Засыпали алюминиевые гранулы, залили щелочь. Реактивы остались от предыдущих опытов, несколько изношенные, но работали.

Реактор не следует заливать под пробку, около 5 см лучше оставить пустыми иначе в наружу лезет щелочная пена.

Водород — самый легкий из газов, весит он в 14.5 раз легче воздуха. Мыльный пузырь наполняемый водородом, дивным образом взлетает вверх.

Опыт следует проводить в закрытом помещении без сквозняков, вдали от открытого пламени. Некоторое время нужно дать реактору поработать «на помещение» или выпустить на улице первую порцию накопленного газа — водород здесь с примесью воздуха. Иногда на конце соломинки (шланга) скапливается избыток мыльной жидкости, при надувании пузыря она висит капелькой на его дне как корзина аэростата и мешает взлету — после макания в мыльный раствор конец шланга лучше слегка стряхнуть. Следует помнить и о влажности полученного водорода — вместе с газом из реактора увлекается и щелочная взвесь (лопающиеся на поверхности пузырьки водорода) и испаряется вода (реакция экзотермична — раствор щелочи разогревается). Однако легкости даже влажного водорода вполне хватает для всплывания мыльных пузырей. Можно попробовать несколько осушить его, пропуская через простые фильтры.

При надувании пузырей из тонкого шланга, довольно было и тока водорода образующегося при реакции. Регулировали мы его пережимая мягкий шланг в удобном месте. Для выдувания пузырей поосновательней, применили всю ту же соломинку сделав к ней переходник. Водород в этом случае приходилось накапливать в ресивере.

Потренировавшись, пришли к выводу, что лучше всего запускать небольшие, не больше 3. 4 см. пузырики, ведут они себя не в пример благонадежнее, поведение их вполне очевидно.

Водород горюч и воспламеняется чрезвычайно легко. Смесь водорода с кислородом или воздухом взрывается. Наиболее взрывчата смесь, состоящая из двух объемов водорода и одного кислорода, — гремучий газ. Такая смесь получается естественным образом при электролизе водного раствора (чаще всего щелочи) и весьма опасна в неумелых руках. Сила взрыва гремучего газа велика, скорость горения очень высока (большой риск обратного удара при использовании в горелках). Не следует собирать сколь ни будь значительное количество (наполнять объем) гремучего газа, тем более в стеклянную посуду. По возможности, сосуды для работы с гремучим газом следует делать с избыточной прочностью.

Массовая доля водорода в воздухе, более 18 % уже грозит взрывом. Перед опытами связанными с поджиганием водорода, следует проверить его на чистоту — собрать (способом вытеснения воздуха или воды) в небольшую емкость (обычно это пробирка) водород и поджечь его поднеся к пламени. Чистый водород сгорает относительно спокойно, с легким хлопком. Наличие примеси воздуха приводит к взрыву — это короткий резкий ДАХ! бьющий по ушам. Разница слышна очень хорошо.

В качестве проверки на чистоту мы поджигали небольшой пузырек (мыльный) с водородом.

Основной эксперимент — получение мыльной пены с водородом внутри, поджигание её. Мыльный раствор использовали из предыдущего опыта, накапливали в шарике-ресивере газ, погружали конец шланга в мыльный раствор и открывали кран. Плошку с водородной пеной относили подальше от реактора и поджигали. Удобно использовать зажигалку для газовой плиты с длинным носиком или горящую лучинку. Мы бросали в пену горящую спичку.

Ресивер с водородом мы отсоединили от реактора и презентовали учащемуся для развлечения. Заслужил, молодец.

Источник