Щелочные и щёлочноземельные металлы: путеводитель по 1-й и 2-й группам

Два крайних левых столбца периодической таблицы содержат одни из самых активных металлов. Элементы 1-й группы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций — называют щелочными металлами. Элементы 2-й группы — бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий — щёлочноземельными металлами. Обе группы относятся к s-блоку, и простой факт, что на внешней оболочке их атомов лишь один или два электрона, объясняет большую часть их поведения.

Откуда взялись названия

Международное слово «алкали» (alkali) происходит от арабского слова, обозначавшего золу растений. Когда-то золу сожжённой древесины или водорослей вымачивали в воде, чтобы получать мыло и стекло, а эта зола была богата сильноосновными карбонатами калия и натрия. Металлы, позднее извлечённые из таких веществ, стали щелочными металлами; русское «щёлочь» — исконное славянское соответствие того же понятия.

«Землями» в старой химии называли оксиды, не изменяющиеся при сильном нагревании. Известь (оксид кальция) и магнезия (оксид магния) были землями, которые растворялись в воде, образуя основные растворы, — отсюда «щёлочноземельные». Сами металлы впервые получили в 1808 году, когда Хамфри Дэви в Англии с помощью электролиза выделил кальций, магний, стронций и барий — через год после того, как тем же способом получил натрий и калий.

1-я группа: общие свойства

У каждого атома щелочного металла один электрон на внешней s-орбитали. Этот электрон далёк от ядра и экранирован внутренними электронами, поэтому легко теряется. В результате эти элементы почти всегда встречаются в виде ионов +1.

• Они мягкие. Натрий и калий режутся ножом, как холодное масло. Свежий срез серебристый, но на воздухе тускнеет за секунды.
• Они лёгкие. Плотность лития около 0,53 г/см³ — самая низкая среди металлов, — и он плавает на воде. Натрий и калий тоже легче воды.
• Они легкоплавки. Литий плавится примерно при 180 °C, натрий — около 98 °C, калий — около 63 °C, цезий — около 28 °C. Цезий расплавился бы на тёплой ладони, но трогать его ни в коем случае нельзя: он бурно реагирует с влагой кожи.
• Их хранят под маслом или в инертном газе, поскольку они реагируют с кислородом и водяным паром воздуха.

Реакционная способность растёт вниз по группе

Щелочные металлы реагируют с водой, образуя газообразный водород и гидроксид. Для натрия:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Ниже по группе та же реакция становится гораздо бурнее. Литий спокойно шипит и медленно исчезает. Натрий плавится в шарик, который носится по поверхности. Калий поджигает выделяющийся водород, горящий сиреневым пламенем. Рубидий и цезий реагируют со взрывом.

Закономерность следует за энергией ионизации. Каждый шаг вниз добавляет электронную оболочку, поэтому внешний электрон оказывается дальше от ядра и отрывается легче. Первые энергии ионизации снижаются примерно от 5,39 эВ у лития до 5,14 эВ у натрия, 4,34 эВ у калия и 3,89 эВ у цезия.

Реакции с кислородом показывают ещё одно различие. Литий в основном образует оксид Li₂O, натрий склонен образовывать пероксид Na₂O₂, а калий и более тяжёлые металлы — надпероксиды, такие как KO₂. Более крупные катионы образуют более устойчивые решётки с более крупными анионами.

Франций стоит внизу 1-й группы, но период полураспада его самого долгоживущего изотопа — всего около 22 минут. Видимого его количества никогда не собирали, поэтому большинство его свойств — оценки по соседям.

2-я группа: общие свойства

У щёлочноземельных металлов два электрона на внешней s-орбитали, и они образуют ионы +2. Отрыв двух электронов требует больше энергии, поэтому они менее активны, чем металл 1-й группы того же периода, а также твёрже, плотнее и более тугоплавки.

Закономерность внутри группы повторяет 1-ю группу. Бериллий почти не реагирует с водой, магний реагирует с горячей водой или паром, а кальций, стронций и барий реагируют с холодной водой с выделением водорода.

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

Бериллий выбивается из ряда. Его атом так мал, что склонен образовывать скорее ковалентные, чем ионные связи, а его оксид амфотерен — реагирует и с кислотами, и с основаниями. Соединения бериллия также могут вызывать тяжёлые заболевания лёгких при вдыхании пыли, поэтому обращаются с ними осторожно.

Окраска пламени

Если внести соединения щелочных и некоторых щёлочноземельных металлов в пламя, каждый элемент даёт характерный цвет. Нагрев переводит электроны на более высокие энергетические уровни, а возвращаясь обратно, они испускают свет определённых длин волн. На том же эффекте основаны фейерверки.

Жёлтый цвет натрия так интенсивен, что может заглушить другие цвета. Химики рассматривают сиреневое пламя калия через синее кобальтовое стекло, отфильтровывающее жёлтый цвет натрия. Бериллий и магний не дают характерной окраски пламени; ослепительный белый свет горящей магниевой ленты — результат самого горения, а не излучения, наблюдаемого при пробе на пламя.

Применение в быту и промышленности

• Литий: литий-ионные аккумуляторы в телефонах и электромобилях, лёгкие алюминиево-литиевые сплавы, карбонат лития как лекарство-нормотимик.
• Натрий: поваренная соль (хлорид натрия), пищевая сода (гидрокарбонат натрия), жёлтые натриевые уличные лампы и теплоноситель в некоторых ядерных реакторах.
• Калий: один из трёх главных элементов питания растений и ключевой компонент удобрений. В организме он необходим для нервных сигналов и сердечного ритма.
• Рубидий и цезий: атомные часы. Секунда СИ определяется через определённую частоту перехода атома цезия-133.
• Магний: лёгкие сплавы для автомобильных деталей и корпусов ноутбуков, центральный атом хлорофилла.
• Кальций: кости и зубы, известняк, цемент и штукатурка. «Жёсткая» водопроводная вода — это вода, богатая ионами кальция и магния.
• Стронций: красный цвет фейерверков и сигнальных огней.
• Барий: сульфат бария настолько нерастворим, что его безопасно глотать как рентгеноконтрастное средство, хотя растворимые соединения бария ядовиты.

Где место водорода?

У водорода один электрон, поэтому в большинстве таблиц его ставят наверх 1-й группы. Однако при комнатной температуре водород — неметаллический газ, ведущий себя совсем не так, как щелочные металлы.

В пользу 1-й группы говорят его конфигурация 1s¹ и способность образовывать H⁺. С другой стороны, подобно галогену, он может присоединить один электрон, образуя гидрид-ион H⁻, и существует в виде двухатомной молекулы H₂, поэтому некоторые считают, что ему место над 17-й группой. Третьи указывают, что его внешняя оболочка заполнена ровно наполовину, как у углерода, и предлагают 14-ю группу.

Вот почему в одних таблицах водород помещают над 1-й группой, но окрашивают как неметалл, а в других он «парит» отдельно над серединой таблицы. Вместо одного правильного ответа этот спор показывает, что водород уникален и ни одной группе не соответствует идеально. Теоретики также предсказали, что при чудовищных давлениях в недрах таких планет, как Юпитер, водород может существовать в металлическом состоянии.

Диагональное сходство

Элемент 2-го периода часто напоминает элемент 3-го периода, расположенный по диагонали ниже и правее. Это называется диагональным сходством. Литий по ряду признаков похож не на натрий, а на магний: он образует нитрид, а его карбонат легко разлагается при нагревании. Бериллий напоминает алюминий — ярче всего амфотерностью оксида. Обычно это объясняют тем, что отношение заряда к размеру вдоль диагонали становится сходным. Знание этих исключений наряду с основными закономерностями групп даёт гораздо более глубокое представление о 1-й и 2-й группах.