Что образуется при горении натрия на воздухе?

Пероксид натрия Na₂O₂

Гидроксид натрия NaOH

Нитрид натрия Na₃N

Щелочные металлы — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Химические свойства металлов

Коротко о главном

Щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций — элементы IA-группы. У их атомов один внешний электрон, который они очень легко отдают, поэтому это самые активные металлы: в соединениях всегда $$+1$$ , с водой дают щёлочь и водород. Активность растёт от лития к цезию.

\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}

Подробное объяснение

Поваренная соль, пищевая сода, стиральная сода, калийное удобрение — все эти вещества содержат натрий или калий. А сами металлы в банке под керосином больше похожи на кусок мягкого пластилина с серебристым блеском. Почему такие «мирные» соли получаются из настолько опасных металлов?

Строение атомов

В IA-группу входят литий $\mathrm{Li}$ , натрий $\mathrm{Na}$ , калий $\mathrm{K}$ , рубидий $\mathrm{Rb}$ , цезий $\mathrm{Cs}$ и радиоактивный франций $\mathrm{Fr}$ . У всех на внешнем уровне по одному электрону. Различаются они числом электронных уровней: у лития их два, у цезия — шесть.

Чем больше уровней, тем больше радиус атома и тем слабее ядро удерживает внешний электрон. Отдать его всё легче, поэтому восстановительные свойства растут от лития к цезию. В соединениях у всех щелочных металлов одна степень окисления — $$+1$$ .

Таблица от лития до цезия. Число электронных уровней растёт, на внешнем всегда один электрон, круг-атом увеличивается, температура плавления падает со 180 до 28 °C. Стрелка вниз — восстановительные свойства усиливаются. — Чем больше атом, тем легче он отдаёт свой единственный внешний электрон — поэтому активность растёт от лития к цезию.

Простые вещества

Щелочные металлы — серебристо-белые, мягкие (режутся ножом), лёгкие и легкоплавкие. Литий почти вдвое легче воды, а цезий плавится в тёплой ладони (около 28 °C). Свежий срез блестит, но на воздухе быстро тускнеет: металл реагирует с кислородом и влагой. Поэтому их хранят под слоем керосина, а литий — под вазелиновым маслом: он так лёгок, что всплывает в керосине.

В природе щелочные металлы встречаются только в соединениях: каменная соль $\mathrm{NaCl}$ , сильвин $\mathrm{KCl}$ , сильвинит $\mathrm{KCl \cdot NaCl}$ , чилийская селитра $\mathrm{NaNO_3}$ ; много их солей растворено в морской воде. Получают металлы электролизом расплавов:

\mathrm{2NaCl \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Na + Cl_2}

Химические свойства

С кислородом. Литий даёт оксид: $\mathrm{4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O}$ . Натрий при горении даёт пероксид: $\mathrm{2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2}$ . Пероксиды — соединения, где у кислорода степень окисления $$-1$$ , а не $$-2$$ . С водой пероксид натрия даёт пероксид водорода: $\mathrm{Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2}$ .
С другими неметаллами — хлоридами, сульфидами, гидридами: $\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}$ , $\mathrm{2K + S \rightarrow K_2S}$ . Литий реагирует даже с азотом при комнатной температуре: $\mathrm{6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N}$ .
С водой — щёлочь и водород. Литий реагирует спокойно, натрий бегает по воде и плавится, калий загорается, цезий взрывается.

Оксиды, щёлочи и соли

Оксиды $\mathrm{Li_2O}$ , $\mathrm{Na_2O}$ , $\mathrm{K_2O}$ — основные: с водой дают щёлочь, с кислотами и кислотными оксидами — соли. Гидроксиды $\mathrm{NaOH}$ (едкий натр, каустическая сода) и $\mathrm{KOH}$ (едкое кали) — сильные основания. В промышленности их получают электролизом раствора хлорида: $\mathrm{2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} H_2 + 2NaOH + Cl_2}$ . Щёлочи реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами и гидроксидами, растворами солей.

Соли щелочных металлов растворимы в воде, а их свойства определяет анион: карбонаты «шипят» с кислотами, нитраты при нагревании дают нитрит и кислород ( $\mathrm{2NaNO_3 \xrightarrow{t} 2NaNO_2 + O_2}$ ). Распознать сам металл помогает цвет пламени: литий — красный, натрий — жёлтый, калий — фиолетовый.

Самые важные соли: $\mathrm{NaCl}$ (поваренная соль, сырьё для NaOH и хлора), $\mathrm{Na_2CO_3}$ (кальцинированная сода, стекло), $\mathrm{NaHCO_3}$ (пищевая сода, разрыхлитель теста), $\mathrm{K_2CO_3}$ (поташ), $\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10H_2O}$ (глауберова соль), $\mathrm{KNO_3}$ (калийная селитра — удобрение, раньше компонент чёрного пороха), $\mathrm{KCl}$ (калийное удобрение).

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции; водород — молекула $\mathrm{H_2}$ , коэффициенты перед металлом и водой одинаковые.
Проверьте продукт с кислородом: у лития — оксид, у натрия — пероксид.
Найдите количество вещества данного вещества, $$n = m/M$$ .
По коэффициентам перейдите к искомому веществу, найдите массу или объём ( $V = n \cdot 22{,}4$ л/моль).
Если нужна массовая доля в растворе после реакции металла с водой, вычтите из массы раствора улетевший водород.

Разобранные примеры

База

Электронный баланс реакции натрия с водой

Условие

Расставьте коэффициенты в схеме $\mathrm{Na + H_2O \rightarrow NaOH + H_2}$ методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Натрий меняет степень окисления с 0 до $$+1$$ , водород — с $$+1$$ до 0:

\mathrm{\overset{0}{Na} - 1e^- \rightarrow \overset{+1}{Na}} \;\; | \times 2, \qquad \mathrm{2\overset{+1}{H} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{H_2}} \;\; | \times 1

Перед натрием ставим 2, водорода получается одна молекула, воды нужно 2:

\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}

Натрий отдаёт электрон — восстановитель; водород в составе воды принимает электроны — вода окислитель.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; Na — восстановитель, H₂O (водород +1) — окислитель

Средний

Пероксид водорода из пероксида натрия

Условие

Какую массу пероксида водорода можно получить из 15,6 г пероксида натрия?

Дано

$m(\mathrm{Na_2O_2}) = 15{,}6$ г

Найти

$m(\mathrm{H_2O_2})$ . $\mathrm{Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2}$ $M(\mathrm{Na_2O_2}) = 2 \cdot 23 + 2 \cdot 16 = 78$ г/моль
$n = \dfrac{15{,}6}{78} = 0{,}2$ моль

Решение

По уравнению $n(\mathrm{H_2O_2}) = n(\mathrm{Na_2O_2}) = 0{,}2$ моль, $m = 0{,}2 \cdot 34 = 6{,}8$ г.

Ответ: 6,8 г

Сложный

Массовая доля щёлочи после реакции лития с водой

Условие

1,4 г лития растворили в 50 г воды. Найдите массовую долю гидроксида лития в растворе.

Дано

$m(\mathrm{Li}) = 1{,}4$ г
$m(\mathrm{H_2O}) = 50$ г

Найти

$w(\mathrm{LiOH})$ . $\mathrm{2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2\uparrow}$ $n(\mathrm{Li}) = \dfrac{1{,}4}{7} = 0{,}2$ моль
$n(\mathrm{LiOH}) = 0{,}2$ моль
$m(\mathrm{LiOH}) = 0{,}2 \cdot 24 = 4{,}8$ г

Решение

Водорода $$0{,}1$$ моль, это $$0{,}2$$ г — он улетает из раствора.

$m(\text{р-ра}) = 1{,}4 + 50 - 0{,}2 = 51{,}2$ г, $w = \dfrac{4{,}8}{51{,}2} \cdot 100\% \approx 9{,}4\%$ .

Ответ: 9,4 %

Типичные ошибки

Пишут, что натрий сгорает в оксид Na₂O

Почему неверно

По общей схеме «металл + кислород = оксид» так и хочется написать $\mathrm{4Na + O_2 \rightarrow 2Na_2O}$ . Но при горении натрия на воздухе получается пероксид. Оксид натрия получают иначе — нагреванием пероксида с натрием.

Как правильно

Литий — $\mathrm{4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O}$ ; натрий — $\mathrm{2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2}$ ; оксид натрия — $\mathrm{Na_2O_2 + 2Na \rightarrow 2Na_2O}$ .

Ставят кислороду в пероксиде степень окисления −2

Почему неверно

Если у кислорода в $\mathrm{Na_2O_2}$ записать $$-2$$ , сумма получится $2 \cdot (+1) + 2 \cdot (-2) = -2$ , а не ноль. Значит, привычное значение тут не работает.

Как правильно

В пероксидах атомы кислорода связаны друг с другом, и у каждого степень окисления $$-1$$ : $\mathrm{Na_2\overset{-1}{O_2}}$ , $\mathrm{H_2\overset{-1}{O_2}}$ .

Записывают водород одним атомом

Почему неверно

Схема $\mathrm{Na + H_2O \rightarrow NaOH + H}$ выглядит уравненной, но атомарного водорода в продуктах нет: газ состоит из молекул $\mathrm{H_2}$ .

Как правильно

Пишем $\mathrm{H_2}$ и уравниваем удвоением: $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}$ . На каждые 2 моль металла — 1 моль водорода.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какой объём водорода (н. у.) выделится при реакции 4,6 г натрия с избытком воды?

Подсказка

На 2 моль натрия выделяется 1 моль водорода.

Решение

\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}

$n(\mathrm{Na}) = \dfrac{4{,}6}{23} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{H_2}) = \dfrac{0{,}2}{2} = 0{,}1$ моль.

$V(\mathrm{H_2}) = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24$ л.

Ответ

2,24 л

База Задача 2

Определите степени окисления всех элементов в веществах: Li₂O, Na₂O₂, Li₃N, NaH.

Подсказка

Щелочной металл в соединениях всегда +1; сумма степеней окисления в веществе равна нулю.

Решение

$\mathrm{Li_2O}$ : литий $$+1$$ , кислород $$-2$$ .
$\mathrm{Na_2O_2}$ : натрий $$+1$$ , на два атома кислорода приходится $$-2$$ , значит у каждого $$-1$$ — это пероксид.
$\mathrm{Li_3N}$ : литий $$+1$$ , азот $$-3$$ .
$\mathrm{NaH}$ : натрий $$+1$$ , водород $$-1$$ — в гидридах металлов водород отрицателен.

Ответ

Li₂O — Li +1, O −2; Na₂O₂ — Na +1, O −1; Li₃N — Li +1, N −3; NaH — Na +1, H −1

Средний Задача 3

Какая масса гидроксида натрия получится при растворении в воде 12,4 г оксида натрия?

Подсказка

M(Na₂O) = 62 г/моль; из 1 моль оксида получается 2 моль щёлочи.

Решение

\mathrm{Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH}

$n(\mathrm{Na_2O}) = \dfrac{12{,}4}{62} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{NaOH}) = 2 \cdot 0{,}2 = 0{,}4$ моль.

$m(\mathrm{NaOH}) = 0{,}4 \cdot 40 = 16$ г.

Ответ

16 г

Средний Задача 4

Напишите уравнения реакций для цепочки превращений: Na → Na₂O₂ → NaOH → NaHCO₃ → Na₂CO₃.

Подсказка

Пероксид натрия с водой даёт щёлочь и пероксид водорода; избыток CO₂ со щёлочью даёт кислую соль.

Решение

Горение натрия на воздухе: $\mathrm{2Na + O_2 \xrightarrow{t} Na_2O_2}$ .
Обмен с водой: $\mathrm{Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2}$ .
Пропускание избытка углекислого газа: $\mathrm{NaOH + CO_2 \rightarrow NaHCO_3}$ .
Нагревание: $\mathrm{2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow}$ .

Ответ

2Na + O₂ → Na₂O₂; Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂; NaOH + CO₂ → NaHCO₃; 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Сложный Задача 5

7,8 г калия растворили в 92,4 г воды. Найдите массовую долю гидроксида калия в полученном растворе.

Подсказка

Масса раствора — это масса калия плюс масса воды минус масса улетевшего водорода.

Решение

\mathrm{2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow}

$n(\mathrm{K}) = \dfrac{7{,}8}{39} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{KOH}) = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{H_2}) = 0{,}1$ моль.

$m(\mathrm{KOH}) = 0{,}2 \cdot 56 = 11{,}2$ г, $m(\mathrm{H_2}) = 0{,}1 \cdot 2 = 0{,}2$ г.

$m(\text{р-ра}) = 7{,}8 + 92{,}4 - 0{,}2 = 100$ г, $w(\mathrm{KOH}) = \dfrac{11{,}2}{100} \cdot 100\% = 11{,}2\%$ .

Ответ

11,2 %

Сложный Задача 6

При прокаливании пищевой соды масса образца уменьшилась на 3,1 г. Какой была масса гидрокарбоната натрия, если он разложился полностью?

Подсказка

Масса уменьшается за счёт улетевших воды и углекислого газа.

Решение

\mathrm{2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow}

Из 2 моль соды улетает 1 моль воды и 1 моль $\mathrm{CO_2}$ , всего $$18 + 44 = 62$$ г.

Потеря 3,1 г соответствует $\dfrac{3{,}1}{62} = 0{,}05$ моль «пар воды + газ», значит $n(\mathrm{NaHCO_3}) = 2 \cdot 0{,}05 = 0{,}1$ моль.

$m(\mathrm{NaHCO_3}) = 0{,}1 \cdot 84 = 8{,}4$ г.

Ответ

8,4 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите пищевую и кальцинированную соду, соль: во всех них натрий, но сам металл в природе свободным не бывает — он слишком охотно отдаёт свой единственный внешний электрон. Сравните с ребёнком, у которого в кармане одна монетка: чем длиннее и слабее «карман» (больше атом), тем легче её отдать — поэтому цезий активнее лития. Можно капнуть уксус на пищевую соду и показать пузыри углекислого газа — так работает разрыхлитель теста.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему щелочные металлы хранят под керосином, а не в воде? 2) Чем пероксид отличается от оксида? 3) Как различить соли натрия и калия без реактивов?

На что обратить внимание. Ребёнок должен писать продукт горения натрия как $\mathrm{Na_2O_2}$ , водород — молекулой $\mathrm{H_2}$ и уметь объяснить рост активности ростом радиуса атома. Напомните о безопасности: едкий натр в средствах для прочистки труб разъедает кожу и глаза, работать с ним — только в перчатках.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9