Щелочные и щёлочноземельные металлы

Щелочные металлы — металлы IА группы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий): их гидроксиды — щёлочи. Кальций, стронций и барий во IIА группе — щёлочноземельные металлы. У атомов этих металлов на внешнем уровне один или два электрона, которые отдаются очень легко; это самые сильные восстановители среди металлов. Активность растёт сверху вниз по группе: литий реагирует с водой спокойно, натрий — бурно, калий воспламеняется, цезий взрывается.

Щелочные металлы

Мягкие, легкоплавкие, серебристые металлы; на воздухе быстро окисляются, поэтому натрий и калий хранят под слоем керосина. С кислородом литий даёт оксид, натрий — пероксид, калий — надпероксид. Пероксид натрия реагирует с водой и углекислым газом, выделяя кислород, — им регенерируют воздух в изолирующих противогазах и подводных лодках:

\[ \ce{2Na + O2 -> Na2O2}; \qquad \ce{2Na2O2 + 2CO2 -> 2Na2CO3 + O2 ^}; \qquad \ce{Na2O2 + 2Na -> 2Na2O} \]

С водой щелочные металлы образуют щёлочь и водород, с водородом — гидриды, с галогенами и серой — соли:

\[ \ce{2K + 2H2O -> 2KOH + H2 ^}; \qquad \ce{2Na + H2 ->[t^\circ] 2NaH}; \qquad \ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}; \qquad \ce{6Li + N2 -> 2Li3N} \]

Гидроксиды натрия и калия получают электролизом растворов хлоридов. Почти все соли щелочных металлов растворимы. Ионы щелочных металлов окрашивают пламя: литий — в карминово-красный цвет, натрий — в жёлтый, калий — в фиолетовый.

Магний и кальций

Кальций реагирует с водой при обычной температуре, магний — при кипячении. Магний горит ослепительно белым пламенем, причём продолжает гореть в углекислом газе и в азоте:

\[ \ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^}; \qquad \ce{2Mg + CO2 ->[t^\circ] 2MgO + C}; \qquad \ce{3Mg + N2 ->[t^\circ] Mg3N2} \]

Гидрид кальция с водой выделяет водород — им пользуются как переносным источником водорода: \(\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}\). Пламя окрашивают кальций (кирпично-красный цвет), стронций (карминовый) и барий (жёлто-зелёный).

Соединения кальция

Обжигом известняка получают негашёную известь, её гашение водой даёт гашёную известь. Известковая вода мутнеет от углекислого газа (качественная реакция на \(\ce{CO2}\)), а при избытке газа муть растворяется:

\[ \ce{CaCO3 ->[t^\circ] CaO + CO2 ^}; \qquad \ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}; \qquad \ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}; \qquad \ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2} \]

Прокаливанием извести с коксом получают карбид кальция, из него — ацетилен: \(\ce{CaO + 3C ->[t^\circ] CaC2 + CO}\), \(\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2 ^}\).

Жёсткость воды

Жёсткость воды обусловлена ионами кальция и магния. Временная (карбонатная) жёсткость вызвана гидрокарбонатами и устраняется кипячением: \(\ce{Ca(HCO3)2 ->[t^\circ] CaCO3 v + CO2 ^ + H2O}\) — так образуется накипь. Постоянная жёсткость вызвана сульфатами и хлоридами, кипячением не устраняется; её устраняют содой или фосфатом натрия, осаждая ионы: \(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 v + Na2SO4}\).