Элементы 1(I), 2(II), 3(III) группы и их соединения

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 100–105
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 107–111
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 112–117
• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 209
• Википедия, «Бор (элемент)», https://ru.wikipedia.org/wiki/Бор_(элемент)
• Chemistry LibreTexts, «Boron Oxides, Hydroxides, and Oxyanions», https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Chemistry_of_the_Main_Group_Elements_(Barron)/06:_Group_13/6.07:_Boron_Oxides_Hydroxides_and_Oxyanions

Главное

• IA — щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr: $ns^1$, степень окисления $+1$, оксиды $R_2O$, гидроксиды $ROH$ (щёлочи).
• IIA — Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra: $ns^2$, степень окисления $+2$, оксиды $RO$, гидроксиды $R(OH)_2$.
• Al (IIIA): $1s^22s^22p^63s^23p^1$, степень окисления $+3$; металл, оксид и гидроксид амфотерны.
• Сверху вниз в группах растут радиус и восстановительные (металлические) свойства: $Li < Na < K < Rb < Cs$.

Теория

Щелочные металлы. Каждый период (кроме первого) начинается щелочным металлом. Na и K — серебристо-белые, мягкие (режутся ножом), лёгкие; хранят под керосином. В природе только в соединениях. Образуют оксиды, пероксиды, гидроксиды, гидриды $RH$.

• $2Na + 2H_2O = 2NaOH + H_2\uparrow$
• $Na_2O + H_2O = 2NaOH$; $Na_2O + SiO_2 = Na_2SiO_3$
• NaOH (едкий натр, каустическая сода) — сильный электролит, лакмус синий, фенолфталеин малиновый. Реагирует с кислотами, кислотными оксидами ($2NaOH + CO_2 = Na_2CO_3 + H_2O$), солями ($CuCl_2 + 2NaOH = Cu(OH)_2\downarrow + 2NaCl$), амфотерными веществами ($2NaOH + ZnO = Na_2ZnO_2 + H_2O$).
• Пероксид регенерирует кислород: $2Na_2O_2 + 2CO_2 = 2Na_2CO_3 + O_2$.

Элементы IIA. Активные металлы, сильные восстановители. От Be к Ra усиливаются металлические свойства и основный характер оксидов и гидроксидов.

• $Ca + 2H_2O = Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$; $Ca + 2HCl = CaCl_2 + H_2\uparrow$.

Соединения кальция

Вещество	Название	Факты
$CaO$	негашёная (жжёная) известь	$CaCO_3 \xrightarrow{800^\circ C} CaO + CO_2$
$Ca(OH)_2$	гашёная известь	$CaO + H_2O = Ca(OH)_2 + Q$ (гашение); раствор — известковая вода, взвесь — известковое молоко
$CaSO_4 \cdot 2H_2O$	гипс	при 150–180 °C → алебастр $CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O$
$CaOCl_2$	хлорная известь	отбеливание, дезинфекция

Качественная реакция на $CO_2$: $Ca(OH)_2 + CO_2 = CaCO_3\downarrow + H_2O$ (помутнение). При избытке $CO_2$: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O = Ca(HCO_3)_2$ (осадок растворяется); при нагревании гидрокарбонат снова разлагается до $CaCO_3$ — основа круговорота кальция.

Алюминий. Третий по распространённости элемент и первый среди металлов; в природе только в соединениях. Получают электролизом: $2Al_2O_3 \to 4Al + 3O_2$. Лёгкий ($\rho = 2{,}7$ г/см³), $t_{пл} = 660$ °C, пластичный, хороший проводник.

• $4Al + 3O_2 = 2Al_2O_3$; $2Al + 3S = Al_2S_3$; $2Al + N_2 = 2AlN$; $4Al + 3C = Al_4C_3$
• без оксидной плёнки: $2Al + 6H_2O = 2Al(OH)_3 + 3H_2$
• алюмотермия: $8Al + 3Fe_3O_4 = 4Al_2O_3 + 9Fe$
• концентрированные $H_2SO_4$ и $HNO_3$ пассивируют Al.

Амфотерность — способность проявлять и основные, и кислотные свойства. $2Al + 2NaOH + 2H_2O = 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$ $Al_2O_3 + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2O; \quad Al_2O_3 + 2NaOH = 2NaAlO_2 + H_2O$ $AlCl_3 + 3NaOH = Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl; \quad Al(OH)_3 + NaOH = Na[Al(OH)_4]$ $Al_2O_3$ тугоплавок ($t_{пл} = 2050$ °C); $2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O$.

Жёсткость воды создают ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$. Временная (карбонатная) — гидрокарбонаты, устраняется кипячением: $Ca(HCO_3)_2 \to CaCO_3\downarrow + CO_2 + H_2O$. Постоянная — $CaSO_4$, $CaCl_2$, $MgSO_4$, кипячением не устраняется; добавляют соду, известковую воду, фосфат натрия: $CaCl_2 + Na_2CO_3 \to CaCO_3\downarrow + 2NaCl$; применяют также ионообменные смолы.

Бор — p-элемент 13-й группы ($2s^22p^1$), степень окисления в соединениях $+3$; очень твёрдый полуметалл. $B_2O_3$ — кислотный оксид, $H_3BO_3$ — слабая кислота. Природный источник — бура. Получение: $B_2O_3 + 3Mg \to 2B + 3MgO$.

Примеры

1. Какой металл активнее — Na или K? K: больше радиус, внешний электрон отрывается легче.
2. Сколько литров $H_2$ (н. у.) выделит 4,6 г Na с водой? $n(Na) = 0{,}2$ моль, $n(H_2) = 0{,}1$ моль, $V = 2{,}24$ л.
3. Как доказать амфотерность $Al(OH)_3$? Осадок растворяется и в HCl, и в NaOH.
4. Что будет, если долго пропускать $CO_2$ через известковую воду? Сначала помутнение ($CaCO_3$), затем раствор просветлеет ($Ca(HCO_3)_2$).

Типичные ошибки на ЕНТ

• Пишут $NaO$ или $CaO_2$ вместо $Na_2O$ и $CaO$ — забывают про степени окисления $+1$ и $+2$.
• Путают негашёную ($CaO$) и гашёную ($Ca(OH)_2$) известь.
• Считают, что Al растворяется в концентрированной $HNO_3$: он пассивируется.
• Забывают, что Al реагирует со щелочами с выделением водорода.
• Активность щелочных металлов в группе сверху вниз растёт, а не падает.

Самопроверка

1. Электронная конфигурация внешнего слоя щелочных металлов? — $ns^1$.
2. Что образуется при гашении извести? — $Ca(OH)_2$ с выделением теплоты.
3. Как получают алюминий в промышленности? — Электролизом $Al_2O_3$.
4. Как называется $NaOH$? — Едкий натр, каустическая сода.
5. Формула продукта $Al(OH)_3$ с избытком NaOH? — $Na[Al(OH)_4]$.