Лекција 5.6 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Примена: Натријум: за добијање пероксида (\( \text{Na}_2\text{O}_2 \)), као редукционо средство (синтетички каучук, скупи метали), у сијалицама са паром натријума (улично осветљење), као дехидратационо средство у лабораторији. Калијум: за добијање супероксида (\( \text{KO}_2 \)), као редукционо средство. Добијање (електролизом растопа хлорида или хидроксида):\[ \text{K(–)}: \; 2\text{Na}^+ + 2\text{e}^- \longrightarrow 2\text{Na} \]\[ \text{A(+)}: \; 2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}^- \]\[ 2\text{NaCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{Na(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]\[ 2\text{KCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{K(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]

Детаљно решење

Корак 1: Примена елементарног натријума и калијума

Употреба алкалних метала као елементарних супстанци је ограничена због њихове велике реактивности и цене. Ипак, имају следећу примену. Натријум:
  • За добијање пероксида (\( \text{Na}_2\text{O}_2 \)), јер сагоревањем у кисеонику даје пероксид.
  • Као редукционо средство у индустрији боја, за добијање синтетичког каучука и скупих метала.
  • Сијалице са паром натријума дају интензивну жуту светлост која продире кроз прашину и маглу. Због тога се користе за улично осветљење, у циглани, на градилиштима и др.
  • У лабораторији као дехидратационо средство за уклањање воде из растварача.
Калијум:
  • За добијање супероксида (\( \text{KO}_2 \)), јер сагоревањем у кисеонику даје супероксид.
  • Као јако редукционо средство, јер лако отпушта електрон.

Корак 2: Начини добијања натријума и калијума

Алкални метали се у природи налазе искључиво у једињењима (нпр. \( \text{NaCl} \), \( \text{KCl} \)). Због тога што су јака редукциона средства, не могу се добити редукцијом њихових једињења. У индустрији се добијају електролизом растопа њихових хлорида или хидроксида. Електролиза воденог раствора није погодна. На катоди би се издвајао водоник, јер је за његово издвајање потребно мање енергије него за издвајање елементарног натријума. Електролиза растопљеног натријум-хлорида: \[ \text{K(–)}: \; 2\text{Na}^+ + 2\text{e}^- \longrightarrow 2\text{Na} \] \[ \text{A(+)}: \; 2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}^- \] \[ 2\text{NaCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{Na(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \] Калијум се добија на исти начин, електролизом растопа калијум-хлорида: \[ 2\text{KCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{K(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]

Кратак запис решења:

Примена: Na – пероксид \( \text{Na}_2\text{O}_2 \), редукционо средство, натријумове сијалице, дехидратационо средство; K – супероксид \( \text{KO}_2 \), редукционо средство. Добијање: електролиза растопа хлорида или хидроксида. \[ 2\text{NaCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{Na(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \] \[ 2\text{KCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{K(l)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]

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: \[ 2\text{Cl}^-\text{(aq)} - 2\text{e}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\text{(g)} \]
Збирна једначина електролизе:
\[ 2\text{NaCl(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\text{NaOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \]
\(\text{NaOH}\) (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) \(2\text{Na} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Na}_2\text{O}_2\) (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)
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 \(\text{LiOH}\).
Једначина реакције литијума са водом: \[ 2\text{Li(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2\text{LiOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
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 \(2{,}67\text{ dm}^3\)) \(\text{CO}_2\).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: