Химия Инфо

Натрий, калий и их соединения

Натрий и калий принадлежат к одной группе периодической системы, поэтому их соединения во многом похожи. При этом нельзя переносить свойства мягкого металлического натрия на хлорид натрия: в соли находятся ионы, а не кусочки металла.

Положение в периодической системе

Натрий и калий — щелочные металлы группы 1. В обычных школьных соединениях их степень окисления равна +I, а катионы имеют заряд +1.

У нейтрального атома натрия 11 электронов, у калия — 19. Распределение по оболочкам в школьной модели: для Na — 2, 8, 1; для K — 2, 8, 8, 1. Внешний электрон сравнительно легко отдаётся. При образовании катиона число протонов не меняется, а электронов становится на один меньше.

Химическое сходство связано со строением внешнего электронного слоя. Различия определяются в том числе размерами атомов: калий обычно реагирует с водой интенсивнее натрия. Однако сравнение наблюдаемой скорости требует одинаковых условий; ряд активности и скорость — разные характеристики.

Простые вещества и их реакции

Натрий и калий — мягкие серебристые металлы, быстро изменяющиеся на воздухе. Из-за высокой активности в природе они находятся преимущественно в соединениях. Взаимодействие этих металлов с водой сопровождается выделением теплоты и водорода.

Суммарные уравнения взаимодействия с водой:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑.

2K + 2H2O → 2KOH + H2↑.

На два моля металла приходится один моль водорода. Вода здесь реагент, а не только растворитель. Поэтому натрий в водном растворе соли меди нельзя описывать простой схемой прямого вытеснения меди.

С хлором натрий образует хлорид:

2Na + Cl2 → 2NaCl.

Соединения с кислородом требуют особого внимания. Формулы обычных оксидов — Na2O и K2O. Но типичные продукты взаимодействия металлов с избытком кислорода — пероксид натрия Na2O2 и надпероксид калия KO2. Во всех этих соединениях металл имеет +I; состав кислородсодержащего иона различен. Утверждение «горение любого металла всегда даёт обычный оксид» неверно.

Гидроксиды натрия и калия

NaOH и KOH — растворимые сильные основания, щёлочи. В водном растворе они дают катионы металла и гидроксид-ионы. Их химические свойства в типичных реакциях связаны прежде всего с OH−.

Нейтрализация соляной кислотой:

NaOH + HCl → NaCl + H2O.

При взаимодействии с раствором сульфата меди(II) образуется осадок:

CuSO4 + 2KOH → Cu(OH)2↓ + K2SO4.

Щёлочи поглощают углекислый газ. При достаточном количестве NaOH суммарная запись имеет вид:

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O.

При другом соотношении возможен гидрокарбонат. Сила основания характеризует его кислотно-основное поведение, а не концентрацию раствора. Твёрдые щёлочи и их концентрированные растворы вызывают химические повреждения.

Важнейшие соли

ФормулаНазваниеОтличительная особенность
NaClХлорид натрияСредняя соль, сырьё химической промышленности
Na2CO3Карбонат натрияСредняя соль; водный раствор имеет щелочную среду
NaHCO3Гидрокарбонат натрияКислая соль по составу; раствор слабощелочной
KCl, K2SO4Хлорид и сульфат калияСодержат один и тот же катион, но разные анионы

Карбонат натрия, гидрокарбонат натрия и гидроксид натрия — разные вещества. Сходство бытовых названий не позволяет заменять одно другим.

Карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с сильными кислотами с выделением CO2. Гидрокарбонат-ион содержит один атом водорода, но кислотность среды раствора определяется его взаимодействием с водой, а не одной буквой H.

Получение и применение

Металлический натрий получают электролизом расплава его соединений. При электролизе обычного водного раствора NaCl на катоде выделяется водород, а не натрий. Производство калия тоже требует специальных промышленных процессов; его нельзя считать результатом простого выделения из водного раствора соли.

Соединения натрия используют в производстве стекла, бумаги и других материалов. Калийные соли применяют в производстве удобрений. Свойства металлического калия и его соединений различаются.

Три разобранных примера

1. Количество водорода по уравнению

С водой полностью прореагировало 0,10 моль Na. По уравнению соотношение Na : H2 равно 2 : 1:

n(H2) = 0,10 / 2 = 0,050 моль.

2. Нейтрализация гидроксида калия

Какое количество HCl нужно для 5,6 г чистого KOH? Примем M(KOH) = 56 г/моль и полную нейтрализацию:

KOH + HCl → KCl + H2O.

n(KOH) = 5,6 / 56 = 0,10 моль; n(HCl) = 0,10 моль.

Коэффициенты показывают равенство количеств веществ, а не равенство их масс.

3. Различие карбоната и гидрокарбоната

Для 0,10 моль Na2CO3 требуется 0,20 моль HCl, а для 0,10 моль NaHCO3 — 0,10 моль. Объяснение видно из уравнений:

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2↑ + H2O.

NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2↑ + H2O.

В обоих случаях образуется 0,10 моль газа, хотя расход кислоты различается.

Типичные ошибки

  • Приписывать катиону Na+ бурную реакцию металлического натрия с водой.
  • Называть Na2O2 обычным оксидом и давать кислороду степень окисления −II.
  • Считать все вещества с названием «сода» взаимозаменяемыми.
  • При нейтрализации сравнивать граммы без перехода к количествам вещества.

Проверьте себя

  1. Сколько электронов у Na+ и K+?
  2. Назовите NaOH и Na2CO3; укажите классы соединений.
  3. Какой кислородсодержащий продукт типичен для калия в избытке кислорода?
  4. Сколько HCl нужно для нейтрализации 0,20 моль NaOH?
  5. Какое количество CO2 образуется из 0,30 моль NaHCO3 с избытком HCl?

Ответы и объяснения

  1. 10 и 18 электронов соответственно: нейтральный атом потерял один электрон, ядро осталось прежним.
  2. Гидроксид натрия — основание, щёлочь. Карбонат натрия — средняя соль.
  3. KO2, надпероксид калия; простая схема образования только K2O не отражает заданные условия.
  4. 0,20 моль HCl: в уравнении нейтрализации соотношение 1 : 1.
  5. 0,30 моль CO2: один моль гидрокарбоната даёт один моль газа; кислоты достаточно.

Связанные темы и источники

Сравните общие свойства металлов и магний и кальций. Повторите основания и соли.

Источники: МГУ: натрий и калий; OpenStax: оксиды, пероксиды и гидроксиды.