Egy elektron leadása sokféle sóhoz vezet
Li, Na és K az I.A főcsoport fémei; vegyértékhéjuk ns1. Jellemző ionjuk M+; elemi állapotban erős redukálószerek. Csoportban lefelé általában könnyebb a külső elektron leadása. A hidrogén ugyan az 1. oszlopban állhat, de nem alkálifém.
A Na és K puha, frissen vágva ezüstös; felületük levegőn változik. Nedvességtől és oxigéntől elzárva tárolják őket. Vegyületeikből megfelelő olvadék elektrolízisével nyerhetők; vizes NaCl-oldat katódján szokásos körülmények között hidrogén keletkezik, nem nátriumfém.
Az atom és az ion elektronszerkezete
| Elem | Atom | +1 töltésű ion |
|---|---|---|
| Li | 1s2 2s1; héjak: 2, 1 | Li+: 1s2; 2 elektron |
| Na | [Ne] 3s1; héjak: 2, 8, 1 | Na+: [Ne]; 2, 8 |
| K | [Ar] 4s1; héjak: 2, 8, 8, 1 | K+: [Ar]; 2, 8, 8 |
Puha fém, könnyen leadható elektron
A csoportba a Li, Na, K, Rb, Cs és Fr tartozik. Az újabb betöltött elektronhéjak miatt lefelé nő az atomméret, és a belső elektronok árnyékoló hatása is erősödik. A külső elektron eltávolításához általában kevesebb energia kell. Egy elektron leadásával nemesgáz-elektronszerkezetű kation képződik; a második elektron eltávolítása már lezárt héjat bontana meg. Ez magyarázza a jellemző +1 oxidációs számot.
Az elemi fémek fémrácsában az elektronok delokalizáltak, ezért jól vezetik az áramot és a hőt. A rácsban nem különálló Na2-molekulák ülnek. Puha, könnyen alakítható fémek; Na és K szobahőmérsékleten szilárd, de olvadáspontjuk viszonylag alacsony: Na körülbelül 98 °C, K körülbelül 64 °C. Sűrűségük kisebb a vízénél: Na körülbelül 0,97 gcm3, K körülbelül 0,89 gcm3. Az egész csoport kis sűrűségéből nem következik, hogy minden tag a vízénél könnyebb.
A természetben vegyületeikben fordulnak elő: NaCl a kősóban és a tengervízben, KCl a káliumsótelepekben. A fém nátrium redukálószerként és különleges hőátadó közegként használható; a mindennapi alkalmazások többsége a vegyületeié. A frissen vágott felület ezüstös, majd oxidáció miatt gyorsan eltompul. A petróleum vagy más megfelelő közeg a levegő oxigénjétől és a nedvességtől zárja el a fémet.
Alkálifémek lángfestése és hidratált ionjaik színe
Ábra szöveges leírása
| Elem | Lángfestés | Vizes oldat |
|---|---|---|
| Li | bíborvörös | Hidratált kationja színtelen |
| Na | sárga | Hidratált kationja színtelen |
| K | fakóibolya | Hidratált kationja színtelen |
Mit bizonyít a lángfestés?
Nátriumsó sárga, káliumsó fakóibolya lángfestést ad; a tankönyvi lítiumpélda bíborvörös. A lángszín az elem felismerését segíti, de keverékben az erős nátriumfény elfedheti a káliumét. Ugyanaz a nátriumion többféle sóban is kimutatható; a vizsgálat nem azonosítja önmagában az aniont.
A NaCl és KCl oldata színtelen, a KMnO4 oldata lila. Az utóbbi színt a permanganátion okozza, miközben a K+ mindkét káliumsóban ugyanaz a színtelen hidratált kation. A kristály színe, az oldat színe és a lángfestés három külön megfigyelés.
Fém és víz
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
Exoterm reakció; nátrium oxidálódik, a víz hidrogénje redukálódik. A termékoldat lúgos.
A nátrium vízreakciójának megfigyelései
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Úszás | A fém sűrűsége kisebb a vízénél. |
| Gázfejlődés | Hidrogén keletkezik. |
| Gömb alakú csepp | Megolvadás és felületi feszültség. |
| Indikátorszín | OH−-ionok miatt lúgos oldat. |
Nátrium és kálium vízzel
| Megfigyelés | Kémiai vagy fizikai magyarázat |
|---|---|
| Úszó fém, mozgás, gázfejlődés | Kis sűrűség; a vízzel való reakció hidrogént fejleszt. |
| A nátrium gömb alakú cseppé válhat | A reakcióhő megolvaszthatja; a csepp alakját felületi feszültség is meghatározza. |
| A kálium rendszerint hevesebben reagál | A külső elektron könnyebben távolítható el, és az eltérő olvadáspont, hőfejlődés és felület is befolyásolja a megfigyelést. |
| Káliumnál fakóibolya láng is megjelenhet | A fejlődő hidrogén meggyulladhat; az égő környezetben a kálium jellegzetes lángfestése látható. |
| Fenolftaleinnel rózsaszín oldat | NaOH vagy KOH keletkezik, az oldat OH−-ionokat tartalmaz. |
Kálium és víz
2 K + 2 H2O → 2 KOH + H2
A gáz hidrogén; a kálium oxidációs száma 0-ról +1-re, a víz hidrogénjéé +1-ről 0-ra változik.
Videó: fogalmazd meg külön a megfigyelést és az okát!
RSC: Reactivity of metals, a „Metals and water” rész 0:36-nál kezdődik. Figyeld a frissen vágott felületet, a mozgást, a gázfejlődést és az indikátor színét. Ezekből külön-külön következtess a fém fizikai tulajdonságára és a termékekre. A bemutató tanári kísérlet; a jegyzet a látottak értelmezésére szolgál.
Klórral és oxigénnel
| Reakció | Megfigyelés és következtetés |
|---|---|
| 2 Na + Cl2 → 2 NaCl | Heves reakció, fehér só keletkezik. Na: 0 → +1; Cl: 0 → −1. |
| 2 K + Cl2 → 2 KCl | Fehér kálium-klorid; a fém oxidálódik, a klór redukálódik. |
| 2 Na + O2 → Na2O2 | Oxigénben jellemzően peroxid keletkezik; a terméket nem szabad automatikusan Na2O-nak írni. |
| K + O2 → KO2 | Oxigénben jellemzően szuperoxid keletkezik; a kálium itt is +1 oxidációs számú. |
Nátriumvegyületek: ne csak a köznapi nevet tanuld
| Név | Képlet | Fontos tulajdonság / szerep |
|---|---|---|
| Konyhasó | NaCl | Ionrács; vizes oldata közel semleges. Só, vegyipari alapanyag. |
| Szóda | Na2CO3; kristályszóda: Na2CO3·10 H2O | Karbonát; oldata lúgos. Vízlágyítás, üveggyártás. |
| Szódabikarbóna | NaHCO3 | Hidrogén-karbonát; enyhén lúgos oldat, savval CO2-fejlődés. |
| Lúgkő / marónátron | NaOH | Erős, higroszkópos bázis; oldódása exoterm. Maró. |
| Glaubersó | Na2SO4·10 H2O | A köznapi név a dekahidráté; a vízmentes só Na2SO4. |
| Trisó | Na3PO4; gyakran hidratált | Lúgos oldat; Ca2+-ionnal rosszul oldódó foszfátot képezhet. |
A felhasználás oka a tulajdonság
NaCl: ételízesítés és tartósítás, valamint klór és nátrium-hidroxid gyártásának nyersanyaga. Az útsózásnál az oldat fagyáspontja a tiszta vízéhez képest csökken; az olvadást nem redoxireakció magyarázza. A kloridok a környezetet és a fémek korrózióját is befolyásolhatják.
Na2CO3: üveggyártási nyersanyag és vízlágyító. A Ca2+ + CO32− → CaCO3 egyenlet csapadékképződést ír le; a kalcium oxidációs száma nem változik. Trisónál: 3 Ca2+ + 2 PO43− → Ca3(PO4)2. A fehér csapadékban a keménységet okozó ionok egy része kiválik az oldatból.
NaHCO3: sütőporok egyik összetevője. Melegítéskor 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O; egy mol kiindulási sóhoz ilyenkor fél mol CO2 tartozik. Savval viszont egy mol sóból egy mol CO2 keletkezhet. A sütőpor savas összetevője is segítheti a gázfejlődést. Nem mindegy, melyik folyamatot írja le a feladat.
NaOH és KOH: fehér, higroszkópos szilárd anyagok; oldódásuk exoterm, oldatuk lúgos és maró. NaOH-ot a papíripar és a szappangyártás is használ. A levegő CO2-jával reagálnak: 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O; káliumnál ugyanez KOH-dal és K2CO3-tal írható fel. A hidroxidion mennyiségét így a tárolás is befolyásolhatja.
Miért nem semleges minden sóoldat?
A Na+ mellett az anion sav–bázis viselkedése döntő. NaCl-ben a Cl− nem hidrolizál számottevően. A karbonátion viszont protont vehet fel a víztől: CO32− + H2O ⇌ HCO3− + OH−; ezért a szódaoldat lúgos. A jól oldódó só és az erős bázis fogalma különbözik.
Gyakori káliumvegyületek
| Név | Képlet | Kapcsolat |
|---|---|---|
| Kálisó | KCl | Káliumtartalmú műtrágya. |
| Hamuzsír | K2CO3 | Lúgos karbonátoldat; történetileg fahamuból nyerték. |
| Kálilúg | KOH | Erős bázis; káliumszappanok készítésénél is szerepel. |
| Kálium-nitrát | KNO3 | N- és K-tartalmú só; nitrátjában N oxidációs száma +5. |
| Hipermangán | KMnO4 | Lila permanganátion, erős oxidálószer; színe nem a K+-ból ered. |
Karbonát savval
CO32− + 2 H+ → CO2 + H2O
Hidrogén-karbonát esetén egy mol H+ elegendő: HCO3− + H+ → CO2 + H2O.
Savreakció oxóniumionnal
CO32− + 2 H3O+ → CO2 + 3 H2O
Hidrogén-karbonáttal: HCO3− + H3O+ → CO2 + 2 H2O. A H+-os rövidítésről áttérve a víz együtthatóját is újra kell rendezni.
Karbonát és hidrogén-karbonát összehasonlítása
Ábra szöveges leírása
| Só | Savfogyás | Elméleti gázhozam |
|---|---|---|
| 1 mol Na2CO3 | 2 mol H3O+ | 1 mol CO2 |
| 1 mol NaHCO3 | 1 mol H3O+ | 1 mol CO2 |
Kidolgozott példa: szódabikarbóna és sav
Feladat: 8,40 g NaHCO3-hoz feleslegben savat adunk.
M=84,0 gmol;
Vm=24,5 dm3mol.
Mennyi CO2 keletkezik?
n=8,4084,0 = 0,100 mol.
Az ionegyenletben NaHCO3:CO2=1:1.
n(CO2)=0,100 mol;
V=2,45 dm3 a megadott állapotban.
A gáz egy része oldatban maradhat;
a feladat ideális, teljes gázfelszabadulást feltételez.
Kidolgozott példa: kristályszóda hatóanyaga
Feladat: 28,6 g Na2CO3·10 H2O-t feloldunk.
Mennyi vízmentes só van benne?
28,6286=0,100 mol hidrát, ezért 0,100 mol Na2CO3.
m(Na2CO3)=10,6 g;
a kristályvíz tömege 18,0 g.
Tömegmérleg: 10,6+18,0=28,6 g.
Kristályvíz és az oldott só tömege
Adattáblázat megtekintése
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Hidrát | 28,6 g, 0,100 mol |
| Vízmentes só | 10,6 g |
| Kristályvíz | 18,0 g |
| Oldat | 28,6 g + hozzáadott víz tömege |
Kidolgozott példa: Melyik tömeg kerül a tömegszázalékba?
Feladat: 28,6 g kristályszódához 171,4 g vizet adunk, teljesen feloldjuk, párolgás nincs.
Hány tömegszázalékos az oldat Na2CO3-ra nézve?
A már kiszámított 28,6 g hidrátban 10,6 g Na2CO3 és 18,0 g kristályvíz van.
A teljes oldat tömege 28,6 + 171,4 = 200,0 g.
w(Na2CO3) = 10,6200,0 = 0,0530;
az oldat 5,30 tömegszázalékos.
A 28,6200,0 hányados a bemért hidrát és az oldat tömegének aránya lenne, nem a kért vízmentes só tömegtörtje.
Víztömeg-ellenőrzés: 18,0 + 171,4 = 189,4 g;
189,4 + 10,6 = 200,0 g.
A kristályvíz az anyagmérlegben egyszer szerepel.
Felidéző gyakorlás
Mitől lila a KMnO4 vizes oldata?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Kidolgozott példa: Nátrium, konyhasó és lángfestés · 8 pont
Feladat: Egy tanári bemutatóban nátriumot vízzel reagáltatnak, külön pedig NaCl és KMnO4 oldatát vizsgálják.
Magyarázd meg a gázfejlődést, a lúgos kémhatást, a két sóoldat színét, és azt, miért nem viselkedik a konyhasó nátriumfémként!
Rendezett egyenlet: 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 (1 pont);
a gáz hidrogén (1 pont).
A NaOH ionjai között OH− van, ezért lúgos az oldat (1 pont);
a fenolftalein megfelelő koncentráció mellett rózsaszín (1 pont).
A konyhasóban Na+ van;
elektronszerkezete és tulajdonságai eltérnek a Na atométól (1 pont).
A NaCl oldata színtelen, mert hidratált Na+ és Cl− színtelen (1 pont).
A KMnO4 oldatát a MnO4−-ion színezi lilára (1 pont).
A K+ fakóibolya lángfestése külön vizsgálat, nem a vizes oldat színének magyarázata (1 pont).
Összesen 8 pont.
A pontozás önálló gyakorlófeladathoz készült.
Közép- és emelt szint: az s-mező kapcsolatainak ellenőrzése
Az OH 2.7.1 középszinten a Na, K, Ca és Mg szerkezetét, fizikai tulajdonságait, tárolását, klór-, oxigén- és vízreakcióit, valamint ionjaik szerepét kéri. A Ca és Mg a következő alkáliföldfém-jegyzethez tartozik. Emelten a lángfestés anyagszerkezeti magyarázata, a további nemfém- és lúgreakciók, a peroxid és az olvadékelektrolízis is ide kapcsolódik. A sók sav–bázis viselkedését a sav–bázis jegyzettel, a kristályvizes feladatokat az oldatok és számítások anyagával együtt gyakorold.
Források
Tankönyvi kapcsolódás
Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 146–149. nyomtatott oldal; 80. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.
A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.