Что общего у щелочных металлов радиусы атомов

Триединые цели:

1. Способствовать формированию у учащихся понятия о щелочных металлах как об элементах в свете общего, особенного и единичного. На химии этих элементов повторить основные закономерности изменения свойств элементов в Периодической системе по вертикали, на химии металлов III – периода – по горизонтали. Рассмотреть биологическую роль щелочных металлов, их природные соединения.
2. Создать условия для развития внимания, наблюдательности, уверенности в себе, развитие речи, памяти, творческих способностей. Развивать интерес к предмету.
3. Воспитывать уважительное отношение друг к другу, самостоятельность, аккуратность при ведении записей.

• Тип урока: Изучение нового материала.
• Форма урока: урок – исследование.
• Методы, применяемые на уроке: характеристика, анализ, фронтальный опрос, применение знаний в новой ситуации, эвристическая беседа, создание проблемных ситуаций и их решение, лабораторная работа, демонстрация.
• Структура урока в соответствии с типом урока:

1. Целеполагание и мотивация учебной деятельности учащихся: 1–2 мин. 2. Актуализация знаний: 5 мин. 3–4. Формирование представлений о системе новых знаний и работа по осознанию новой учебной информации: 35–38мин. 5. Рефлексия: 1–2 мин. 6. Домашнее задание: 1–2 мин.

7. Подведение итогов: 1 мин.

Оборудование:

– для учителя: а) 2 пробирки вместимостью 30мл. б) 20 мл раствора хлорида натрия 15%. в) спиртовка, г) 10 мл раствора нитрата серебра 5%, д) металлическое кольцо для демонстрации изменения цвета пламени, е) паспорт для “Миссис N”,

ж) таблица “Периодическая система Д.И. Менделеева”.

1. Для учащихся: а) наборы коллекций природных соединений щелочных металлов, б) листы белой бумаги, в) шахматы, г) клетчатый берет, д) шуточные костюмы “Козочек”,
2. е) микроскоп.

Мы продолжаем изучать металлы. На прошлых уроках мы говорили об общих чертах металлов, с сегодняшнего дня – начнем изучать металлы по группам. Если вы будете сегодня внимательны и активны, то узнаете много полезного и интересного. Эта информация поможет вам усвоить материал следующих уроков, а также она пригодится вам в жизни.

– Чтобы узнать, о каких именно металлах пойдет речь, ответьте на такой вопрос: “Если бы существовал приз за активность, то атомам металлов какой группы его бы присудили?” (Прием “Корзина идей”:Учащиеся могут предположить, что это металлы 1, 2 или 3 группы. Учитель принимает все ответы и записывает версии на доске.

) – На основании какого свойства атомов металлов вы основывали свои предположения? (На способности отдавать электроны с внешнего энергетического уровня.) – От чего зависит эта способность? (От радиуса атомов, числа энергетических уровней, числа электронов на внешнем уровне.

) – Давайте сравним радиусы атомов, строение электронных оболочек атомов I, II,III группы, но элементы возьмем из одного периода, например, натрий, магний, алюминий. (учащиеся на доске, с комментированием записывают строение электронных оболочек +11Na)2)8)1 ; +12Mg)2)8)2 ; +13Al)2)8)3 .

) – Как изменяется число электронов на внешнем уровне от натрия к алюминию? (Число валентных электронов растет, значит, силы взаимного притяжения увеличиваются.) – Как изменяется число энергетических уровней? (В пределах одного периода число энергетических уровней не изменяется.

) – Как изменяются радиусы атомов в периодах слева направо? (Радиусы атомов уменьшаются от натрия к алюминию. Значит, способность отдавать электроны у атомов натрия больше, чем у атома алюминия и атома магния. Вывод: атомы металлов I –A группы самые активные среди металлов.) – Молодцы! Совершенно верно.

Сегодня мы приступаем к изучению металлов I группы главной подгруппы. (Учащиеся записывают тему урока в тетрадь.) – Определите цели урока. (Учащиеся формулируют цели: выяснить общее и отличное в строении и свойствах атомов щелочных металлов, биологическую роль металлов и нахождение в природе.)

– Посмотрите на Периодическую систему и скажите какие элементы входят в 1 группу главную подгруппу. (Литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.) – Что общего и различного в строении атомов и электронных оболочек? (Общее: на последнем энергетическом уровне 1 валентный электрон, Различное: от лития к цезию увеличивается заряд ядра атома, общее число электронов, число энергетических уровней, радиус атома. Вывод: (В тетрадь) металлические свойства, т.е. способность отдавать электроны от лития к цезию увеличиваются.) – Какую степень окисления и валентность проявляют атомы щелочных металлов?(с.о. +1, валентность I) – Какие формы соединений образуют атомы этих металлов? Запишите в тетради их общие формулы. (Простые вещества Ме, оксиды Me2O, основания MeOH, соли MeAs.) – Задание на внимание. На доске нарисован квадрат, который разделен на 9 равных квадратов, в которых записаны знаки химических элементов. Каждый квадрат имеет свои координаты, как в шахматах, например 1-в, 3-а. Ваша задача: найти 2 квадрата с одинаковыми знаками, но только те в которых находятся знаки щелочных металлов. На выполнение задания 30 с. Готовы? Начинаем. (Ответ: 2-б, 1-в.)

Сейчас я предлагаю вам познакомиться с природными соединениями щелочных металлов. Надо вам сказать, что натрий и калий широко распространены в земной коре, они занимают по распространенности, соответственно, 6 и 7 места. Люди с древних времен применяли соединения калия и натрия.

Например, соду – карбонат натрия, который шел на приготовление мыла и использовался в стекловарении. Производство поташа – карбоната калия – было одним из самых развитых в России. Гидроксид калия был известен еще алхимикам. На ваших столах есть небольшая коллекция из природных соединений щелочных металлов. Рассмотрите ее внимательно.

Сейчас вы будете геологами, которым нужно описать, найденные ими образцы пород и минералов.

Лабораторная работа “Природные соединения щелочных металлов”. Цель: описать любые три образца минералов или горных пород.

– В виде каких классов могут встречаться металлы в природе? (В самородном и в виде оксидов, гидроксидов, солей.) – Почему натрий и калий встречаются в природе только в виде соединений? (Атомы этих металлов очень активны и легко вступают во взаимодействие.

) – Как вы думаете, важны ли ионы этих металлов для живых организмов? Что вы об этом уже знаете, слышали на других уроках? (Учащиеся могут вспомнить уроки биологии, где говорилось об осмотическом давлении и роли ионов калия и натрия в нем. В растениях содержится калий, так как в почву вносят калийные удобрения.

) – А в организме человека калий содержится? (Учащиеся могут предположить, что человек употребляет растительную пищу, а значит по пищевым цепям калий может переходить и в организм человека.) – Важную роль в жизнедеятельности живых организмов играют 2 щелочным металла.

Один из них вы назвали, а вот о роли другого вы узнаете из сценки “Странная болезнь миссис N”.

Действующие лица: Загадочная миссис N, Шерлок Холмс, Доктор Ватсон, Биологи, Козочки, Эксперты – химики.

Действие 1. Доктор Ватсон и Шерлок Холмс играют в шахматы. Входит взволнованная миссис N. При виде ее джентльмены кланяются.

Миссис N: Уважаемый мистер Холмс, я много о вас слышала и решила, что только вы сможете мне помочь.

Холмс: Я вас внимательно слушаю.

Миссис N: Видите ли, мистер Холмс, неделю назад, проснувшись утром, я обнаружила, что не знаю, кто я. Это просто ужасно! Умоляю, сэр, помогите мне!

Ватсон: О, мадам, вы так бледны, на вас действительно нет лица. Вы белее, чем сахар! Дайте мне вашу руку. Пульс учащен. Позвольте взглянуть на вашу ладонь? Хоть я не силен в хиромантии, но вижу, что ваша родословная благородна и ее линии уходят в глубь веков. Линия жизни говорит о том, что в древние времена ваши предки употреблялись не только в пищу, но и служили в качестве денег.

Миссис N: Неужели вы меня так низко ставите!? Что я вам какая – то разменная монета?

Ватсон: Что вы, мадам, наоборот – в некоторых странах из – за вас происходили беспорядки, бунты, войны! А самая королевская пища была бы без вас пресной и совершенно безвкусной….

Миссис N: Уважаемые джельтмены! Я вам очень признательна за небольшой экскурс в мое прошлое, но эти объяснения мало говорят о моем настоящем имени!

Холмс: Мадам, я думаю, что наше дальнейшее расследование необходимо начать, обратившись к специалистам. Пройдемте к биологам.

Действие второе. На сцене имитация зеленой лужайки, где сидят две козочки. На столе микроскоп, бумага. За столом биолог.

Биолог: Приветствую дорогих гостей на своей станции.

Козочки радостно подбегают к миссис N, трогают ее и с удовольствием облизывают свои пальчики.

Биолог: Ваше имя мадам скрыто в природном минерале, который называется каменная соль. Потребность животных в ней очень велика, а травоядным животным жизненно необходим источник ионов натрия. Вот почему наши козочки с удовольствием лижут каменную соль. При стойловом содержании скота вас вводят как кормовую добавку.

Ватсон: Не волнуйтесь, уважаемая. Вы просто забыли, сколь многогранны ваши способности и как в вас нуждаются люди! Ион натрия, который вы содержите, – основной осмотический ион внеклеточного пространства. В плазме крови человека концентрация ионов натрия составляет 132–150 ммоль/л, что в 8 раз выше чем эритроцитах.

Биолог: такое стабильное содержание ионов натрия необходимо поддерживать в организме в норме, так как избыток или недостаток ионов натрия приводит к тяжелым заболеваниям. Если в организме накапливается натрий, то это приводит к заболеваниям почек и суставов, если его не хватает – организм обезвоживается.

Холмс: Итак, мадам, вы довольны своей ролью и значением? Пожалуй, пора вам узнать свое полное имя. Пройдемте теперь в химическую лабораторию.

Действие 3. Химическая лаборатория.

1-й химик: Уважаемая Миссис N, разрешите проделать простой опыт, доказывающий ваш состав, т.е. качественные реакции на ионы.

1-ый опыт: если окунуть металлическое кольцо в раствор соли, а затем в огонь спиртовки, то окрас пламени в желтый цвет доказывает, что в растворе содержатся ионы натрия. (Д.Э. “Изменение окраски пламени в зависимости от ионов, находящихся в растворе”.)

2-ой опыт: К раствору прилить раствор нитрата серебра, выпадает белый творожистый осадок, что доказывает, что в растворе содержатся ионы хлора. (Д.Э. “Реакция на ионы хлора”.)

2-й химик: Уважаемая миссис N, ваше химическое имя хлорид натрия, а более известное всем в быту – поваренная соль, в чем нет ни малейшего сомнения после проведенного химического анализа. Разрешите вручить вам паспорт с подробными данными, который поможет не забывать свое имя!

1-й химик: Значение поваренной соли очень велико. Хлорид натрия является необходимой частью пищевых продуктов, служит для консервирования мяса, рыбы, овощей.

В древние времена, когда корабли были деревянными, первым грузом на каждом из них должна была быть соль, чтобы корабль дольше не гнил.

Не менее важным является при менее хлорида натрия в производстве мыла, в кожевенном производстве, для приготовления охлаждающих смесей до -21°С. Суточная потребность здорового человека в хлориде натрия составляет 8г.

Ватсон: Русская пословица гласит: “Чтобы узнать человека, надо с ним пуд соли съесть” За сколько лет можно узнать человека?

Ватсон: Результаты этой задачи приводят нас к другой пословице: “Не хвали с трех дней, а хвали с трех лет”

Холмс: На этом наше расследование завершено. К миссис N благодаря вам вернулась память.

NaCl: Спасибо вам большое! Я так счастлива!

– Большое спасибо, ребята, за представление. Но давайте еще раз вернемся к функциям ионов натрия и калия в живых организмах. (составление схем “Биологическая роль ионов натрия и калия” по материалу учебника с. 56–57.)

– Решите задачу: Сколько кураги необходимо принять в пищу, чтобы удовлетворить суточную потребность организма в калии, если 1 кг кураги содержит 1,23 г. ионов калия?

1. На полях тетради поставьте знак “+”, если вы согласны с утверждением:
2. 1) Я комфортно чувствовал себя на уроке; 2) Знания, полученные на уроке, мне пригодятся;
3. 3) Мне было интересно на уроке.

п.11, придумать ребус или составить по одному толстому и тонкому вопросу своим товарища, составить задачу по теме.

Вставьте пропущенные слова:

Щелочные металлы – это химические элементы, расположенные в ….. группе Периодической системы Д.И. Менделеева. Самым активным щелочным металлом является …, т.к. от лития к цезию увеличивается … атома, общее количество …, число энергетических уровней.

На внешнем уровне у атомов щелочных металлов находится по … электрону, поэтому степень окисления атомов щелочных металлов в соединениях равна …. Щелочные металлы встречаются в природе только в виде …. Ионы … окрашивают пламя в желтый цвет.

Ионы натрия и калия играют важную биологическую роль, они регулируют обмен веществ, … давление, передачу … импульсов.

Учащиеся проверяют записи друг у друга, обменявшись листочками в парах, сравнивают с оригиналом.

Щелочные металлы – это химические элементы, расположенные в 1-А группе Периодической системы Д.И. Менделеева. Самым активным щелочным металлом является цезий, т.к. от лития к цезию увеличивается радиус атома, общее количество электронов, число энергетических уровней.

На внешнем уровне у атомов щелочных металлов находится по 1 электрону, поэтому степень окисления атомов щелочных металлов в соединениях равна +1. Щелочные металлы встречаются в природе только в виде соединений. Ионы натрия окрашивают пламя в желтый цвет.

Ионы натрия и калия играют важную биологическую роль, они регулируют обмен веществ, осмотическое давление, передачу нервных импульсов.

– Поднимите руку те, у кого 10 совпадений, 9 и т.д. Молодцы! – Учитель делает вывод о том, как учащиеся усвоили материал урока и подводит итог урока.

• Вспомните цели, которые мы ставили перед собой в начале урока (выяснить общее и отличное в строении и свойствах атомов щелочных металлов, биологическую роль металлов и нахождение их в природе), как вы считаете, нам удалось их достигнуть?
• Спасибо за работу!
• Литература:

1. Сгибнева Е.П., Скачков А.В., Современные открытые уроки химии 8-9классы.– Ростов-на-Дону – Феникс, 2002.
2. Шаталов М.А., Кузнецова М.Е., Обучение химии. Решение интегративных учебных проблем. Методическое пособие. 8–9 классы. М., Вентана – Граф, 2006.
3. Штремплер Г.И., Пичугина Г.А., Дидактические игры при обучении химии – М., Дрофа, 2003.

25.01.2012

Щелочные металлы. Химия. 9 класс. Разработка урока

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления нового материала с мультимедийной поддержкой. На уроке сочетаются фронтальный, групповой и индивидуальный виды работы учащихся.

• Методы урока: проблемные, поисково-исследовательские, самостоятельная работа учащихся.
• Оборудование:персональный компьютер с Windows Media Player, мультимедийный проектор, интерактивная доска, программы для запуска презентации на компьютере: MS Office Power Point, фрагменты из коллекции образовательных интернет ресурсов.
• Цели урока
• Образовательные:

• на основе атомного строения металлов, физических и химических свойств, показать черты сходства и различия щелочных металлов;
• проследить межпредметные связи химии с биологией, физикой, медициной, используя области применения основных соединений щелочных металлов;
• раскрыть значение и роль щелочных металлов в жизни человека.

Развивающие:

• способствовать дальнейшему развитию логического мышления учащихся: наблюдать, сравнивать химические элементы, высказывать суждения об их свойствах, обобщать, делать выводы;
• продолжить формирование навыков самообразования: умение работать с книгой, инструкцией, тестом.

Воспитательные:

• воспитание интереса к предмету и таких нравственных качеств как аккуратность, дисциплина, самостоятельность, ответственное отношение к порученному делу.

План урока и распределение времени урока

• Организационный момент (1 мин)
• Вводное слово (2 мин)
• Актуализация знаний (5мин)
• Сообщение темы и плана урока (4 мин)
• Работа по плану объясняемой темы (23 мин)
• Закрепление: тестирование (8 мин)
• Домашнее задание (2 мин)

Ход урока

I. Организационный момент

Приветствие, проверка готовности к уроку учащихся (наличие тетрадей, учебников).

II. Вводное слово

Мы изучаем раздел, металлы, и вы знаете, что металлы имеют большое значение в жизни современного человека.

На прошлых уроках мы рассмотрели общие сведения о металлах: положение в периодической таблице, особенности строения атомов, изучили общие физические и химические свойства, а также общие способы получения металлов.

Сегодня приступаем к изучению наиболее ярких представителей в химическом отношении, самых активных щелочных металлов. Для того чтобы усвоить материал урока, нам необходимо вспомнить наиболее важные вопросы, которые рассматривали на предыдущих уроках.

III. Актуализация знаний учащихся в виде беседы по вопросам:

• На какие две большие группы происходит деление химических элементов?
• Где находятся металлы в ПСХЭ Д.И. Менделеева? (слайд №1)
• Каковы особенности строения атомов металлов?
• Как особенности строения атома влияют на физические свойства?
• Как особенности строения металлов влияют на их химические свойства?

IV. Сообщение темы и плана урока:

• Оформление даты и темы урока в тетрадях (слайд №2)
• Знакомство с планом урока (слайд №3):
• Положение щелочных металлов в ПСХЭ Д.И. Менделеева
• История открытия щелочных металлов
• Строение атомов химических элементов I группы главной подгруппы
• Физические свойства щелочных металлов
• Химические свойства щелочных металлов
• Биологическое значение щелочных металлов
• Подведение итогов: тестирование
• Домашнее задание

V. Работа по плану объясняемой темы

1. Положение щелочных металлов в ПСХЭ – беседа по вопросам: (слайд №4)

• Где располагаются щелочные металлы в ПСХЭ Д.И. Менделеева?
• Перечислите щелочные металлы.
• Почему данные металлы назвали щелочными?

2. История открытия щелочных металлов

Заранее подготовленный ученик рассказывает о хронологии открытия щелочных металлов и представляет свою презентацию темы (слайд №5):

• 1807 г. в Англии Гемфри Дэви открыл калий и натрий
• 1817 г. в Швеции Август Арфедсон открыл литий
• 1860 – 1861 г.г. в Германии Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли рубидий
• 1939 г. во Франции Маргарита Перей открыла радиоактивный элемент франций, который назвала в честь своей страны — Франции

3. Строение атомов химических элементов I группы главной подгруппы

(Слайд №6): учащиеся заполняют таблицу: «Общая характеристика химических элементов I группы главной подгруппы» и делают выводы по заполненной таблице.

1. Выводы:
2. 1) На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат по одному электрону (слайд №7)
3. 2) В подгруппе от лития к цезию радиусы атомов увеличиваются, так как возрастает число электронных слоев, следовательно, усиливаются и восстановительные свойства
4. 3) Во всех своих соединениях щелочные металлы проявляют степень окисления +1
5. Упражнение (слайд №8): сравните атомы элементов, поставив знаки >, < или = вместо *
6. I вариант
7. А) заряд ядра
8. Li * Rb ; Na * Al
9. Б) число электронных слоев
10. Li * Rb ; Na * Al
11. В) число электронов на внешнем уровне
12. Li * Rb ; Na * Al
13. Г) радиус атома
14. Li * Rb ; Na * Al
15. Д) восстановительные свойства
16. Li * Rb ; Na * Al
17. IIвариант
18. А) заряд ядра
19. K * Ca ; Na * Rb
20. Б) число электронных слоев
21. K * Ca ; Na * Rb
22. В) число электронов на внешнем уровне
23. K * Ca ; Na * Rb
24. Г) радиус атома
25. K * Ca ; Na * Rb
26. Д) восстановительные свойства
27. K * Ca ; Na * Rb

4. Физические свойства щелочных металлов (слайд №9–12)

Щелочные металлы – это простые вещества, для которых также, как и для всех металлов, характерна металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. Металлическая связь возникает за счет отдачи одного электрона атомом металла и образованием иона металла с положительным зарядом: М0 – 1е → М+1.

Наличие металлической связи и металлической кристаллической решетки обуславливает следующие физические свойства щелочных металлов: серебристо – белые, мягкие, обладают блеском, легкие, их плотность меньше 5 г/см3 и возрастает от лития к цезию, легкоплавкие, их температура, наоборот, от лития к цезию уменьшается.

5. Химические свойства щелочных металлов (слайды №13)

Щелочные металлы быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят под слоем керосина, а литий в вазелине, так как из-за своей легкости он в керосине всплывает.

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами (хлором, водородом, серой, кислородом). При взаимодействии с кислородом лития образуется оксид, а натрий и калий в данном случае образуют пероксиды. Все щелочные металлы активно реагируют с водой.

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ: так, скорость реакции взаимодействия лития с водой меньше, чем натрия, и еще меньше, чем калия. Взаимодействие рубидия и цезия с водой протекает так быстро, что происходит.

Уравнения же реакций щелочных металлов с растворами кислот и солей записывать не принято (так как они взаимодействуют с водой).

• Упражнение (слайды №14): составить уравнения реакций взаимодействия с кислородом (приложение) (работа у доски)
• I вариант:
• А) лития
• Б) натрия
• II вариант:
• А) калия
• Б) лития
• Реакцию Б) рассмотреть как ОВР: определить степени окисления, составить электронный баланс, расставить коэффициенты.
• Упражнение (слайд №15): дать характеристику реакции Б) по плану (приложение) (самостоятельно)
• План:

• По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции (р.с., р.р., р.з., р.о.
• По изменению степеней окисления атомов (ОВР и не ОВР)
• По направлению (обратимые и необратимые)
• По тепловому эффекту (экзотермические и эндотермические)
• По агрегатному состоянию (гомогенные и гетерогенные)
• По использованию катализатора (каталитические и некаталитические)

6. Биологическое значение щелочных металлов (видео)

VI. Подведение итогов: тестирование по вариантам

I вариант

1. 1) Число электронов на внешнем уровне у атомов щелочных металлов:
2. А) 1
3. Б) 2
4. В) 3
5. Г) 4
6. 2) Тип химической связи в простом веществе литии:
7. А) ионная
8. Б) ковалентная полярная
9. В) ковалентная неполярная
10. Г) металлическая
11. 3) Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме лития:
12. А) 2е, 3е
13. Б) 2е, 4е
14. В) 2е, 8е, 1е
15. Г) 2е, 8е, 3е
16. 4) Наименее энергично взаимодействует с водой:
17. А) калий
18. Б) литий
19. В) натрий
20. Г) рубидий
21. 5) Простое вещество с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами:
22. А) калий
23. Б) литий
24. В) натрий
25. Г) рубидий

II вариант

• 1) Вид химической связи в простом веществе натрии:
• А) ионная
• Б) ковалентная полярная
• В) ковалентная неполярная
• Г) металлическая
• 2) Радиус атомов элементов I группы главной подгруппы с увеличением заряда ядра:
• А) изменяется периодически
• Б) не изменяется
• В) увеличивается
• Г) уменьшается
• 3) Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме лития:
• А) 2е, 3е
• Б) 2е, 1е
• В) 2е, 4е
• Г) 2е, 8е, 1е
• 4) Наиболее энергично взаимодействует с водой:
• А) калий
• Б) литий
• В) натрий
• Г) цезий
• 5) Простое вещество с наименее выраженными металлическими свойствами:
• А) калий
• Б) литий
• В) натрий
• Г) рубидий

VII. Домашнее задание (слайд №16)

Учебник: § 11 (стр. 52 – 54) вопрос №1 а (стр. 58)

Источники информации:

1. Химия. 9 класс: учебник для общеобразовательных учреждений / О.С. Габриелян – М.: Дрофа, 2010
2. Настольная книга учителя. Химия, 9 класс /О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов – М.: Дрофа, 2002
3. Химия. 9 класс: рабочая тетрадь к учебнику О.С. Габриелян «Химия. 9 класс»/ О.С. Габриелян, А.В. Яшукова — М.: Дрофа, 2008
4. Коллекция образовательных интернет ресурсов http://school-collection.edu.ru/catalog/teacher/
5. Химия. 9 класс: контрольные и проверочные работы к учебнику О.С. Габриелян «Химия. 9 класс»/ О.С. Габриелян, П.Н. Березкин и др. — М.: Дрофа, 2007

1.2.2. Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов

В IA группу (главная подгруппа первой группы) таблицы Менделеева вхо­дят металлы — литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.

Традиционно, данные элементы называют щелочными металлами (ЩМ), так как их простые вещества образуют при взаимодействии с водой едкие щелочи.

 Последний из известных представителей группы щелочных металлов (Fr) является радио­активным элементом, в связи с чем его химические свойства изучены недостаточно: период полураспада его наиболее долгоживущего изотопа 223Fr составляет всего лишь около 22 мин.

Электронные формулы, а также некоторые свойства щелочных металлов представлены в таблице ниже:

При движении вниз по IA группе возрастает радиус атомов металлов (rмет), что, собственно,  характерно для любых элементов всех главных подгрупп. Относительно малое увеличение радиуса при переходе от K к Rb и далее к Cs обусловлено заполнением 3d- и 4d-подуровней соответственно.

Ионные радиусы ЩМ существенно меньше металлических, что связано с потерей единственного валентного электрона. Они также зако­номерно возрастают от Li+ к Cs+. Размеры же гидратированных катионов изме­няются в противоположном направлении, что объясняется в рамках простей­шей электростатической модели.

Наименьший по размеру ион Li+ лучше катионов остальных щелочных металлов притягивает к себе полярные молекулы воды, образуя наиболее толстую гидратную оболочку.

Исследования показали, что в водном растворе катион лития Li+ окружен 26 моле­кулами воды, из которых только 4 находятся в непосредственном контакте с ионом лития (первой координационной сфере).

По этой причине многие соли лития, например, хлорид, перхлорат и сульфат, а также гидроксид выделяются из водных растворов в виде кристаллогидратов. Хлорид LiCl·Н2O теряет воду при температуре 95 °С, LiOH·Н2O — при 110°С, а LiClO4·Н2O — только при температуре выше 150°С.

С увеличением ионного радиуса катиона щелочного металла сила его электростатического взаимодействия с молекулами воды ослабевает, что приводит к снижению толщины гидратной оболочки и, как следствие, радиуса гидратированного иона [М(Н2O)n] (где n = 17, 11, 10, 10 для М+ = Na+, К+, Rb+, Cs+ соответственно).

Внешний энергетический уровень атома ЩМ содержит один единственный электрон, который слабо связан с ядром, о чем говорят низкие значения энер­гии ионизации I1. Атомы щелочных металлов легко ионизируются с образова­нием катионов М+, входящих в состав практически всех химических соединений этих элементов.

Значения I2 для всех щелочных металлов настолько высоки, что в реально осуществимых условиях ион М2+ не образуется. Электроотрицатель­ность щелочных элементов мала, их соединения с наиболее электроотрица­тельными элементами (хлор, кислород, азот)имеют ионное строение, как минимум в кристаллическом состоянии.

Маленький радиус иона Li+ и высокая плотность заряда, являются причиной того, что соединения лития оказываются схожими по свойствам аналогичным соединениям магния (диагональное сходство) и в то же время отличаются от соединений остальных ЩМ.

Элементы IIA группы

В IIA группу Периодической системы элементов входят бериллий Ве, магний Мg и четыре щелочноземельных металла (ЩЗМ): кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радий Ra, оксиды которых, раньше называемые «землями», при взаимодействии с водой образуют щелочи. Радий — радиоактивный элемент (α-распад, период полураспада примерно 1600 лет).

Электронная конфигурация и некоторые свойства элементов второй группы приведены в таблице ниже:

По электронному строению атомов элементы второй группы близки щелочным металлам. Они имеют конфигурацию благородного газа, дополненную двумя s-электронами на внешнем уровне.

В то же время от элементов первой группы они отличаются более высокими значениями энергии ионизации, убывающими в ряду Ве—Мg—Са—Sr— Ва.

Эта тенденция нарушается при переходе от бария к радию: повышениe П и І, для Rа по сравнению с Ва объясняется эффектом инертной 6s2-пары.

Следует отметить, что в то время как для щелочных металлов характерна значительная разница между I1 и I2 для элементов второй группы подобный скачок наблюдается между I2 и I3.

Именно поэтому щелочные металлы в сложных веществах проявляют только степень окисления +1, а элементы второй группы +2.

Наличие единственной положительной степени окисления и невозможность восстановления ионов M2+ в водной среде придает большое сходство всем металлам s-блока.

Изменение свойств по группе следует общим закономерностям, рассмотренным на примере щелочных металлов. Элемент второго периода бериллий, подобно элементу первой группы литию, значительно отличается по своим свойствам от других элементов второй группы.

Так, ион Be2+ благодаря чрезвычайно малому ионному радиусу (0,027 нм), высокой плотности заряда, большим значениям энергий атомизации и ионизации оказывается устойчивым лишь в газовой фазе при высоких температурах.

Поэтому химическая связь в бинарных соединениях бериллия даже с наиболее электроотрицательными элементами (кислород, фтором) обладает высокой долей ковалентности.

Химия водных растворов бериллия также имеет свою специфику: в первой координационной сфере бериллия могут находиться лишь четыре лиганда ([Be(H2O)4]2+, (Bе(OH)4]—), что связано с малым ионным радиусом металла и отсутствием d-орбиталей.

Щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ва, Ra) образуют единое семейство элементов, в пределах которого некоторые свойства (энергия гидратации, растворимость и термическая устойчивость солей) меняются монотонно с увеличением ионного радиуса, а многие их соединения являются изоморфными.

Элементы IIIA группы

Элементы IIIA группы: бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In и таллий Tl — имеют мало стабильных изотопов, что характерно для атомов с нечетными порядковыми номерами. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня в основном состоянии ns2nр1 характеризуется наличием одного неспаренного электрона.

В возбужденном состоянии элементы IIIA группы содержат три неспаренных электрона, которые, находясь в sp2-гибридизации, принимают участие в образовании трех ковалентных связей. При этом у атомов остается одна незанятая орбиталь.

Поэтому многие ковалентные соединения элементов IIIA группы являются акцепторами электронной пары (кислоты Льюиса), т.е. могут образовывать четвертую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, создавая которую, они изменяют геометрию своего окружения — она из плоской становится тетраэдрической (состояние sp3-гибридизации).

Бор сильно отличается по свойствам от других элементов IIIA группы. Он является единственным неметаллом, химически инертен и образует ковалентные связи со фтором, азотом, углеродом и т.д. Химия бора более близка химии кремния, в этом проявляется Диагональное сходство.

У атомов алюминия и его тяжелых аналогов появляются вакантные d-орбитали, возрастает радиус атома. Галлий, индий и таллий расположены в Периодической системе сразу за металлами d-блока, поэтому их часто называют постпереходными элементами.

Заполнение d-оболочки сопровождается последовательным сжатием атомов, в 3d-pяду оно оказывается настолько сильным, что нивелирует возрастание радиуса при появлении четвертого энергетического уровня. В результате d-сжатия ионные радиусы алюминия и галлия близки, а атомный радиус галлия даже меньше, чем алюминия.

Для таллия, свинца, висмута и полония наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +1, +2, +3, +4 соответственно.

Для соединений элементов IIIA группы наиболее характерна степень окисления +3. В ряду бор-алюминий-галлий-индий-таллий устойчивость таких соединений уменьшается, а устойчивость соединений со степенью окисления +1, напротив, увеличивается.

Энергия связи М—Hal в галогенидах последних при переходе от легких к более тяжелым элементам М уменьшаются, амфотерные свойства оксидов и гидроксидов смещаются в сторону большей основности, склонность катионов к гидролизу (взаимодействию с водой) ослабевает.

Химия индия и особенно галлия вообще очень близка химии алюминия. Соединения этих металлов в низших степенях окисления (Ga2O, Ga2S, InCl и др.) в водных растворах диспропорционируют. Для таллия состояние +1, напротив, является наиболее устойчивым из-за инертности электронной пары 6s2.