Најважније из лекције
Кључни закључци:
- Алкални метали (\(\text{Li}, \text{Na}, \text{K}, \text{Rb}, \text{Cs}\)): \(s^1\)-елементи, најтипичнији метали, мекани, лаки, ниских тачака топљења, најјачи редуктори, у једињењима увек имају оксидациони број +1.
- Реакције: Са водом дају хидроксиде и \(\text{H}_2\); са кисеоником \(\text{Li}\) даје оксид (\(\text{Li}_2\text{O}\)), \(\text{Na}\) пероксид (\(\text{Na}_2\text{O}_2\)), а \(\text{K}, \text{Rb}, \text{Cs}\) супероксиде (\(\text{MO}_2\)).
- Хидроксиди (\(\text{MOH}\)): Јаке, хигроскопне базе; јачина расте: \(\text{LiOH} < \text{NaOH} < \text{KOH} < \text{CsOH}\). Натријум-хидроксид се индустријски добија електролизом воденог раствора \(\text{NaCl}\).
- Елементарни метали: Добијају се искључиво електролизом растопа њихових једињења (хлорида или хидроксида).
Алкални метали су елементи 1. групе Периодног система елемената (\(s\)-блок): литијум (\(\text{Li}\)), натријум (\(\text{Na}\)), калијум (\(\text{K}\)), рубидијум (\(\text{Rb}\)), цезијум (\(\text{Cs}\)) и францијум (\(\text{Fr}\) – радиоактиван).
Имају један валентни електрон у спољашњем нивоу (\(ns^1\)), лако га отпуштају и граде стабилне једновалентне катјоне \(\text{M}^+\). У свим једињењима имају оксидациони број +1.
Физичка својства:
- Сребрнасто-беле су боје и металног сјаја (осим цезијума који има златно-жуту нијансу).
- Имају малу густину (лаки метали) и ниске температуре топљења.
- Веома су мекани услед слабе металне везе (литијум, натријум и калијум се лако секу ножем). Мекоћа расте од литијума ка цезијуму.
Алкални метали су најтипичнији метали и најјача редукциона средства у Периодном систему елемената. Због високе реактивности чувају се уроњени у петролеум или у затопљеним стакленим ампулама под вакуумом (рубидијум и цезијум).
Јони и испарљиве соли алкалних метала боје пламен карактеристичним бојама:
- Литијум (\(\text{Li}^+\)) – кармин-црвено
- Натријум (\(\text{Na}^+\)) – интензивно жуто
- Калијум (\(\text{K}^+\)) – светлољубичасто
Зашто се алкални метали чувају у петролеуму, а не у води или на ваздуху?
Алкални метали тренутно и бурно реагују са кисеоником и влагом из ваздуха, као и са водом. Петролеум је смеша течних угљоводоника који не садрже кисеоник ни воду, па штити метал од контакта са ваздухом.
Алкални метали директно и бурнo реагују са већином неметала и са водом. Бурност реакција расте у групи од врха ка дну (\(\text{Li} < \text{Na} < \text{K} < \text{Rb} < \text{Cs}\)).
У зависности од метала настају различити типови оксида:
- Литијум гради оксид: \[ 4\text{Li} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{Li}_2\text{O} \]
- Натријум претежно гради пероксид: \[ 2\text{Na} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Na}_2\text{O}_2 \]
- Калијум, рубидијум и цезијум граде супероксиде: \[ \text{K} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{KO}_2 \]
Сви алкални метали веома егзотермно реагују са водом дајући одговарајући хидроксид (јаку базу) и гасовити водоник:
\[ 2\text{M(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2\text{MOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Пример за калијум: Ослобођена топлота је толика да се издвојени водоник сам запали и гори љубичастим пламеном:
\[ 2\text{K} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{KOH} + \text{H}_2 \]
Са халогеним елементима (\(\text{X}_2\)) граде јонске халогениде, а са сумпором сулфиде:
\[ 2\text{Na} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{NaCl} \]
\[ 2\text{K} + \text{S} \longrightarrow \text{K}_2\text{S} \]
Напишите једначину реакције између цезијума и воде и објасните шта ће се десити са раствором ако му се дода фенолфталеин.
\[ 2\text{Cs(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2\text{CsOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Настаје цезијум-хидроксид (\(\text{CsOH}\)), који је јака база. У базној средини фенолфталеин мења боју у љубичасту/ружичасту.
Хидриди алкалних метала (\(\text{MH}\)) су типична јонска једињења беле боје која садрже хидридни анјон (\(\text{H}^-\)). Добијају се директном реакцијом метала и водоника: \[ 2\text{Na} + \text{H}_2 \longrightarrow 2\text{NaH} \]
Хидриди су јака редукциона средства и базне супстанце. Бурно реагују са водом уз ослобађање водоника:
\[ \text{LiH(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{LiOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Познат комплексни хидрид који се користи као редукционо средство у органској хемији је литијум-алуминијум-хидрид (\(\text{LiAlH}_4\)).
Оксиди алкалних метала (\(\text{M}_2\text{O}\)) су изразито базни оксиди (анхидриди одговарајућих база).
Натријум-оксид лако упија влагу јер бурно реагује са водом градећи натријум-хидроксид:
\[ \text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{NaOH} \]
Оксиди реагују и са киселинама градећи одговарајуће соли:
\[ \text{Li}_2\text{O} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{Li}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Довршите реакцију: \(\text{K}_2\text{O} + 2\text{HCl} \longrightarrow \underline{\hspace{2cm}} + \underline{\hspace{2cm}}\).
\[ \text{K}_2\text{O} + 2\text{HCl} \longrightarrow 2\text{KCl} + \text{H}_2\text{O} \]
Производи реакције су калијум-хлорид и вода.
Хидроксиди алкалних метала (\(\text{MOH}\)) су чврсте, беле, хигроскопне супстанце и најјаче базе у Периодном систему елемената. Одлично се растварају у води уз ослобађање велике количине топлоте.
Базност хидроксида расте од литијума ка цезијуму:
\[ \text{LiOH} < \text{NaOH} < \text{KOH} < \text{RbOH} < \text{CsOH} \]
Хидроксиди алкалних метала нагризају органска ткива (кожу), стакло и порцелан. На ваздуху реагују са влагом и угљеник(IV)-оксидом (карбонизација):
\[ 2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \longrightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \]
Кувањем раствора соде (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) са гашеним кречом (\(\text{Ca(OH)}_2\)):
\[ \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{Ca(OH)}_2 \longrightarrow 2\text{NaOH} + \text{CaCO}_3\downarrow \]
Основна сировина је водени раствор кухињске соли:
- Катода (–): Редукција воде уз издвајање водоника: \[ 2\text{H}_2\text{O(l)} + 2\text{e}^- \longrightarrow \text{H}_2\text{(g)} + 2\text{OH}^-\text{(aq)} \]
- Анода (+): Оксидација хлоридних јона уз издвајање хлора: \[ 2\text{Cl}^-\text{(aq)} - 2\text{e}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\text{(g)} \]
\[ 2\text{NaCl(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{NaOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]
\(\text{NaOH}\) (масна, каустична, камена или жива сода) и \(\text{KOH}\) се користе у производњи сапуна, папира, текстила, боја, за пречишћавање масти и уља, као и у средствима за одгушивање цеви и чишћење рерни.
Који гасови се издвајају на електродама током хлор-алкалне електролизе воденог раствора \(\text{NaCl}\)?
На катоди (–) се издваја гасовити водоник (\(\text{H}_2\)), а на аноди (+) се издваја гасовити хлор (\(\text{Cl}_2\)).
Због велике реактивности, алкални метали се у природи налазе искључиво у облику једињења (соли). Соли су јонске, кристалне, већином беле боје и добро растворне у води.
| Назив једињења | Хемијска формула | Тривијални назив / Минерал |
|---|---|---|
| Натријум-хлорид | \(\text{NaCl}\) | Кухињска со, камена со, халит |
| Калијум-хлорид | \(\text{KCl}\) | Силвин |
| Калијум-нитрат | \(\text{KNO}_3\) | Шалитра (калијумова шалитра) |
| Натријум-нитрат | \(\text{NaNO}_3\) | Чилска шалитра |
| Натријум-карбонат | \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) | Сода (калцинисана сода) |
| Натријум-хидрогенкарбонат | \(\text{NaHCO}_3\) | Сода бикарбона |
| Калијум-магнезијум-хлорид хексахидрат | \(\text{KCl}\cdot\text{MgCl}_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}\) | Карналит |
Добијање и примена елементарних метала:
- Добијају се искључиво електролизом растопа њихових соли (нпр. \(\text{NaCl}\)) или хидроксида.
- Натријум се користи у натријумовим сијалицама за улично осветљење (жута светлост која продире кроз маглу), као средство за сушење органских растварача и као редукционо средство у металургији и производњи синтетског каучука.
Напишите формуле шалитре и чилске шалитре.
Шалитра (калијумова): \(\text{KNO}_3\); Чилска шалитра (натријумова): \(\text{NaNO}_3\).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Које боје пламена дају узорци следећих супстанци када се унесу у пламен: а) \(\text{KCl}\), б) \(\text{NaNO}_3\), в) \(\text{LiCl}\)?
Боја потиче од катјона алкалног метала:
- а) \(\text{KCl}\) садржи \(\text{K}^+\) \(\rightarrow\) светлољубичаста (виолет)
- б) \(\text{NaNO}_3\) садржи \(\text{Na}^+\) \(\rightarrow\) интензивно жута
- в) \(\text{LiCl}\) садржи \(\text{Li}^+\) \(\rightarrow\) кармин-црвена
Задатак 2 (средњи): Напишите уравнотежене једначине следећих хемијских реакција и наведите називе насталих једињења:
а) Сагоревање натријума у вишку кисеоника
б) Реакција калијум-хидроксида са сумпорном киселином у молском односу \(1 : 1\) (настаје кисела со)
в) Реакција соде бикарбоне са хлороводоничном киселином
а) Сагоревање натријума у вишку кисеоника
б) Реакција калијум-хидроксида са сумпорном киселином у молском односу \(1 : 1\) (настаје кисела со)
в) Реакција соде бикарбоне са хлороводоничном киселином
а) \(2\text{Na} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Na}_2\text{O}_2\) (настаје натријум-пероксид)
б) \(\text{KOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{KHSO}_4 + \text{H}_2\text{O}\) (настаје калијум-хидрогенсулфат и вода)
в) \(\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\) (настају натријум-хлорид, угљен-диоксид и вода)
б) \(\text{KOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{KHSO}_4 + \text{H}_2\text{O}\) (настаје калијум-хидрогенсулфат и вода)
в) \(\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\) (настају натријум-хлорид, угљен-диоксид и вода)
Задатак 3 (средње тежак): Електролизом растопа супстанце \(\text{A}\) добијени су елементи \(\text{B}\) и \(\text{C}\). Елемент \(\text{B}\) са водом даје гасовиту супстанцу мање бурно него натријум. Хемијски елемент \(\text{C}\) се слабо раствара у води и с њом не реагује. Једињење елемената \(\text{B}\) и \(\text{C}\) је базни оксид. Одредите супстанце \(\text{A}\), \(\text{B}\) и \(\text{C}\) и напишите једначину реакције елемента \(\text{B}\) са водом.
Анализа:
- Елемент \(\text{B}\) је алкални метал који са водом реагује мање бурно од натријума \(\rightarrow\) \(\text{B} = \text{Li}\) (литијум).
- Елемент \(\text{C}\) је неметал који са \(\text{Li}\) даје базни оксид (\(\text{Li}_2\text{O}\)) \(\rightarrow\) \(\text{C} = \text{O}_2\) (кисеоник).
- Супстанца \(\text{A}\) чијим се растопом добијају \(\text{Li}\) и \(\text{O}_2\) (или \(\text{OH}^-\)) јесте \(\text{A} = \text{Li}_2\text{O}\) или \(\text{LiOH}\).
Задатак 4 (тежак): У узорак соде бикарбоне (\(\text{NaHCO}_3\)) масе \(10\text{ g}\) додато је \(200\text{ cm}^3\) раствора хлороводоничне киселине концентрације \(c = 1\text{ mol/dm}^3\). Израчунајте запремину ослобођеног гаса при нормалним условима (\(V_\text{m} = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\)). (\(M(\text{NaHCO}_3) = 84\text{ g/mol}\))
1. Једначина реакције:
\[ \text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O} \]
Стехиометријски однос је \(n(\text{NaHCO}_3) : n(\text{HCl}) : n(\text{CO}_2) = 1 : 1 : 1\).
2. Одређивање количина супстанци: \[ n(\text{NaHCO}_3) = \frac{m}{M} = \frac{10\text{ g}}{84\text{ g/mol}} \approx 0{,}119\text{ mol} \] \[ n(\text{HCl}) = c \cdot V = 1\text{ mol/dm}^3 \cdot 0{,}200\text{ dm}^3 = 0{,}200\text{ mol} \] Киселина (\(\text{HCl}\)) је у вишку, па је меродавни реактант \(\text{NaHCO}_3\).
3. Количина и запремина \(\text{CO}_2\): \[ n(\text{CO}_2) = n(\text{NaHCO}_3) = 0{,}119\text{ mol} \] \[ V(\text{CO}_2) = n(\text{CO}_2) \cdot V_\text{m} = 0{,}119\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} \approx 2{,}666\text{ dm}^3 = 2666\text{ cm}^3 \] Одговор: Ослобађа се око \(2666\text{ cm}^3\) (или \(2{,}67\text{ dm}^3\)) \(\text{CO}_2\).
2. Одређивање количина супстанци: \[ n(\text{NaHCO}_3) = \frac{m}{M} = \frac{10\text{ g}}{84\text{ g/mol}} \approx 0{,}119\text{ mol} \] \[ n(\text{HCl}) = c \cdot V = 1\text{ mol/dm}^3 \cdot 0{,}200\text{ dm}^3 = 0{,}200\text{ mol} \] Киселина (\(\text{HCl}\)) је у вишку, па је меродавни реактант \(\text{NaHCO}_3\).
3. Количина и запремина \(\text{CO}_2\): \[ n(\text{CO}_2) = n(\text{NaHCO}_3) = 0{,}119\text{ mol} \] \[ V(\text{CO}_2) = n(\text{CO}_2) \cdot V_\text{m} = 0{,}119\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} \approx 2{,}666\text{ dm}^3 = 2666\text{ cm}^3 \] Одговор: Ослобађа се око \(2666\text{ cm}^3\) (или \(2{,}67\text{ dm}^3\)) \(\text{CO}_2\).
