Лабораторна робота 12

Тема: Хімічні властивості s-елементів І та ІІ груп періодичної системи Д.І. Менделєєва

Мета та основні завдання:

• удосконалити знання студентів із структури, критеріїв періодичності періодичної системи Д.І. Менделєєва, особливостей будови атомів металів;

• удосконалити знання студентів з фізичних та хімічних властивостей металів; способів утворення та застосування металів;

• удосконалити уміння студентів складати молекулярні рівняння хімічних реакцій, рівняння окисно-відновних реакцій; іонні рівняння;

• удосконалити уміння студентів в розв’язанні задач за формулами та рівняннями;

• формувати у студентів уміння працювати в складі малих груп;

• формувати уміння студентів давати визначення поняттям;

• розвивати комунікативні уміння студентів;

• розвивати системне мислення студентів;

• розвивати професійні навички студентів в роботі з хімічними реактивами та хімічним обладнанням.

Прикладні задачі: розглянути особливості будови атомів s-елементів І та ІІ груп ПС; фізичні та хімічні властивості простих і складних речовин, утворених s-елементами І та ІІ груп ПС; способи утворення даних речовин; їх застосування.

Ключові поняття: s-електрон, s-елемент, метали, фізичні властивості металів, хімічні властивості металів, способи утворення металів, застосування металів.

1. Теоретична частина

Хімічні елементи, на електронних оболонках яких заповнюється електронами s-підрівень зовнішнього енергетичного рівня, називаються s-елементами. S-елементи знаходяться в І та ІІ групах головних підгрупах періодичної системи. S-елементи, крім Гідрогену, утворюють прості речовини метали. Проаналізуйте зміну металічних властивостей елементів в групах і періодах. Як змінюються металеві властивості простих речовин та основні властивості складних речовин, утворених даними хімічними елементами?

1. Загальна характеристика s-елементів і групи

S-елементи І групи ПС називаються лужними елементами. Вони утворюють прості речовини – лужні метали, які при взаємодії з водою дають розчинні у воді основи - луги. До s-елементів І групи ПС відносяться Літій Li, Натрій Na, Калій K, Рубідій Rb, Цезій Cs, Францій Fr.

Атоми лужних металів на зовнішньому енергетичному рівні містять по одному s-електрону, який відносно легко відривається; при цьому атоми перетворюються в позитивно заряджені іони (катіони) з стійкою електронною оболонкою атома, відповідного інертному газу. Лужні метали є типовими металами і в сполуках проявляють тільки позитивний ступінь окиснення +1.

Таблиця 12.1 Деякі властивості атомів лужних металів

Елемент	Порядковий номер в ПС	Конфігурація зовнішнього та передзовнішнього енергетичних шарів	Радіус, нм			Енергія іонізації, кДж/моль		Відносна електронегативність (за Полінгом)
			атома	іона
Lі Na K Rb Cs Fr	3 11 19 37 55 87	1s22s1 2s22p63s1 3s23p64s1 4s24p65s1 5s25p6 6s1 6s26p6 7s1	0,1586 0,1713 0,2162 0,2287 0,2518 0,2447	0,0189 0,0278 0,0592 0,0734 0,0921 -	632 498 418 401 376 -		1 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7

Порівняйте властивості атомів та поясніть зміну властивостей простих речовин металів, які утворюють дані хімічні елементи.

2. Фізичні властивості лужних металів

Лужні метали – сріблясто-білого кольору, характеризуються незначною твердістю, малою густиною, низькими температурами плавлення та кипіння, високою електропровідністю. Всі лужні метали мають однотипні кристалічні гратки.

Лужні метали, а також їх сполуки зафарбовують полум’я в характерні кольори: літій – в малиновий, натрій – в жовтий, калій – в фіолетовий, рубідій – в бузковий, цезій – в фіолетово-синій.

3. Хімічні властивості лужних металів

Лужні метали належать до числа найбільш активних металів. Вони енергійно взаємодіють з киснем і навіть з азотом. На повітрі за звичайних умов літій швидко утворює темно-червону плівку суміші Li₃N з Li₂О. При згорянні на повітрі тільки літій утворює оксид Li₂О (з великою домішкою Li₃N), останні ж метали перетворюються в пероксиди складу: Nа₂О₂, К₂О₄, Rb₂О₄ і Cs₂О₄.

Лужні метали за звичайних умов дуже енергійно взаємодіють з водою за схемою:

2Ме + 2Н₂О = 2МеОН + Н₂↑.

При розтиранні лужних металів з сіркою утворються сульфіди Ме₂S. Іще легше лужні метали взаємодіють з бромом. В атмосфері фтору та хлору за наявності вологи вони спалахують. З йодом взаємодіють тільки при нагріванні.

Зберігання лужних металів і робота з ними вимагає додержання правил техніки безпеки. При зберіганні необхідно перепинити доступ повітря і вологи до металів з метою запобігання вибухів і пожеж. Тому лужні метали зберігають під шаром керосину в герметично закритому посуді. Неможна гасити спалахненні лужні метали водою, тому що вода енергійно реагує з ними (з вибухом). Залишки лужних металів на стінках посуду після роботи з ними також неможна усувати водою. Придатними розчинниками для них є органічні речовини, наприклад, етиловий спирт.

Відносну хімічну активність лужних металів можна проаналізувати за теплотами утворення їх сполук (в кДж/моль):

Лужний метал	Оксид	Гідроксид	Хлорид
Літій Натрій Калій Рубідій Цезій	297 209 180 174 171	481 426 426 422 418	408 412 435 435 443

Як змінюється хімічна активність від літію до цезію по відношенню до кисню, води, хлору? Чому літій відновлює інші лужні метали з їх оксидів:

2Li + К₂О = 2К + Li₂О?

Лужні метали при нагріванні взаємодіють з воднем з утворенням гідридів:

2Nа + Н₂ = 2NаН.

Гідриди лужних металів – кристалічні іонні сполуки. При пропусканні електричного струму через розчин гідриду лужного металу в рідкому амоніаку (або через розплав гідриду) на катоді виділяється лужний метал, а на аноді – водень. Отже, ступінь окиснення водню в гідридах -1, а лужного металу +1. Гідриди реагують з водою за рівнянням:

LiН + Н₂О = LiОН + Н₂↑.

Вони є сильними відновниками, наприклад, відновлюють карбон (ІV) оксид до вільного карбону:

СО₂ + 2NаН = С + 2NаОН.

В присутності сильних відновників (вугілля, сірка, йодиди) пероксиди лужних металів проявляють окислювальні властивості:

2NaI + Nа₂О₂ + 2H₂SO₄ = I₂ + 2Na₂SO₄ + 2H₂O,

а в присутності сильних окисників – відновлювальні властивості:

Cl₂ + Nа₂О₂ = 2NaCl + O₂.

Оксиди лужних металів утворюються із пероксидів при їх нагріванні з відповідним лужним металом:

Nа₂О₂ + 2Nа = 2Nа₂О.

При розчиненні лужних металів у воді утворюються луги. Гідроксиди лужних металів – їдкі, дуже гігроскопічні речовини. Вони повільно розчиняють скло, а також фарфор за реакцією:

SіО₂ + 2NаОН = Nа₂SіО₃ + H₂O.