Középszint

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

ElemAtom+1 töltésű ion
Li1s2 2s1; héjak: 2, 1Li+: 1s2; 2 elektron
Na[Ne] 3s1; héjak: 2, 8, 1Na+: [Ne]; 2, 8
K[Ar] 4s1; héjak: 2, 8, 8, 1K+: [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

Alkálifémek lángfestése és hidratált ionjaik színeA lítium sója bíborvörös, a nátriumé sárga, a káliumé fakóibolya lángfestést ad. A három hidratált kation vizes oldatban színtelen. Az alsó edények ezeket az ionokat szemléltetik; a teljes sóoldat színét az anion is befolyásolhatja. A lángszínek jelképesek: a fényképen látható árnyalat a megfigyelési körülményektől is függ. A nátrium erős sárga fénye a kálium halvány színét elfedheti.A láng és az oldat színeLibíborvörösLi+(aq)színtelenNasárgaNa+(aq)színtelenKfakóibolyaK+(aq)színtelenA lángfestés külön vizsgálat.
Ábra szöveges leírása
ElemLángfestésVizes oldat
LibíborvörösHidratált kationja színtelen
NasárgaHidratált kationja színtelen
KfakóibolyaHidratált kationja színtelen
A lítium sója bíborvörös, a nátriumé sárga, a káliumé fakóibolya lángfestést ad. A három hidratált kation vizes oldatban színtelen. Az alsó edények ezeket az ionokat szemléltetik; a teljes sóoldat színét az anion is befolyásolhatja. A lángszínek jelképesek: a fényképen látható árnyalat a megfigyelési körülményektől is függ. A nátrium erős sárga fénye a kálium halvány színét elfedheti.

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

A nátrium vízreakciójának megfigyeléseiA nátrium sűrűsége kisebb a vízénél, ezért a felszínen marad. A fejlődő hidrogén a fém mozgását is előidézheti. A felszabaduló hő a nátriumot megolvaszthatja; az olvadt csepp közel gömb alakú. A keletkező NaOH oldata lúgos, hozzáadott fenolftaleinnel rózsaszín. Indikátor nélkül az oldat színtelen lenne. A rajz a kísérlet értelmezését szolgálja; a gázbuborékok nem a NaOH molekulái.Nátrium a víz felszínénNaH2-fejlődésmozgásNa+(aq) és OH−(aq)Fenolftaleinnel: rózsaszínKis sűrűség: a fém úszik.Reakcióhő: megolvadhat.2 Na + 2 H2O→ 2 NaOH + H2
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
ÚszásA fém sűrűsége kisebb a vízénél.
GázfejlődésHidrogén keletkezik.
Gömb alakú cseppMegolvadás és felületi feszültség.
IndikátorszínOH−-ionok miatt lúgos oldat.
A nátrium sűrűsége kisebb a vízénél, ezért a felszínen marad. A fejlődő hidrogén a fém mozgását is előidézheti. A felszabaduló hő a nátriumot megolvaszthatja; az olvadt csepp közel gömb alakú. A keletkező NaOH oldata lúgos, hozzáadott fenolftaleinnel rózsaszín. Indikátor nélkül az oldat színtelen lenne. A rajz a kísérlet értelmezését szolgálja; a gázbuborékok nem a NaOH molekulái.

Nátrium és kálium vízzel

MegfigyelésKémiai vagy fizikai magyarázat
Úszó fém, mozgás, gázfejlődésKis sűrűség; a vízzel való reakció hidrogént fejleszt.
A nátrium gömb alakú cseppé válhatA reakcióhő megolvaszthatja; a csepp alakját felületi feszültség is meghatározza.
A kálium rendszerint hevesebben reagálA külső elektron könnyebben távolítható el, és az eltérő olvadáspont, hőfejlődés és felület is befolyásolja a megfigyelést.
Káliumnál fakóibolya láng is megjelenhetA fejlődő hidrogén meggyulladhat; az égő környezetben a kálium jellegzetes lángfestése látható.
Fenolftaleinnel rózsaszín oldatNaOH 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

ReakcióMegfigyelés és következtetés
2 Na + Cl2 → 2 NaClHeves reakció, fehér só keletkezik. Na: 0 → +1; Cl: 0 → −1.
2 K + Cl2 → 2 KClFehér kálium-klorid; a fém oxidálódik, a klór redukálódik.
2 Na + O2 → Na2O2Oxigénben jellemzően peroxid keletkezik; a terméket nem szabad automatikusan Na2O-nak írni.
K + O2 → KO2Oxigénben jellemzően szuperoxid keletkezik; a kálium itt is +1 oxidációs számú.

Nátriumvegyületek: ne csak a köznapi nevet tanuld

NévKépletFontos tulajdonság / szerep
KonyhasóNaClIonrács; vizes oldata közel semleges. Só, vegyipari alapanyag.
SzódaNa2CO3; kristályszóda: Na2CO3·10 H2OKarbonát; oldata lúgos. Vízlágyítás, üveggyártás.
SzódabikarbónaNaHCO3Hidrogén-karbonát; enyhén lúgos oldat, savval CO2-fejlődés.
Lúgkő / marónátronNaOHErős, higroszkópos bázis; oldódása exoterm. Maró.
GlaubersóNa2SO4·10 H2OA köznapi név a dekahidráté; a vízmentes só Na2SO4.
TrisóNa3PO4; gyakran hidratáltLúgos 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

NévKépletKapcsolat
KálisóKClKáliumtartalmú műtrágya.
HamuzsírK2CO3Lúgos karbonátoldat; történetileg fahamuból nyerték.
KálilúgKOHErős bázis; káliumszappanok készítésénél is szerepel.
Kálium-nitrátKNO3N- és K-tartalmú só; nitrátjában N oxidációs száma +5.
HipermangánKMnO4Lila 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

Karbonát és hidrogén-karbonát összehasonlításaKét külön reakciót hasonlítunk össze, a felső só nem alakul át közvetlenül az alsóvá a rajzon. Egy mol karbonátion két mol oxóniumiont, egy mol hidrogén-karbonát-ion egy mol oxóniumiont fogyaszt egy mol CO_{2} képződéséhez. A keletkező víz együtthatója az oxóniumionos egyenletben 3, illetve 2. A Na^{+}-ion nem része a nettó ionegyenletnek. A gáz ténylegesen mért térfogatánál az állapotjelzőket és az oldatban maradó CO_{2}-t is figyelembe kell venni.Azonos gázhozam, eltérő savfogyás1 mol Na2CO3+ 2 mol H3O+1 mol CO2 fejlődhet+ 3 mol H2O1 mol NaHCO3+ 1 mol H3O+1 mol CO2 fejlődhet+ 2 mol H2OA Na+ mindkét esetben nézőion.Feleslegben adott sav; teljes reakció.
Ábra szöveges leírása
SóSavfogyásElméleti gázhozam
1 mol Na2CO32 mol H3O+1 mol CO2
1 mol NaHCO31 mol H3O+1 mol CO2
Két külön reakciót hasonlítunk össze, a felső só nem alakul át közvetlenül az alsóvá a rajzon. Egy mol karbonátion két mol oxóniumiont, egy mol hidrogén-karbonát-ion egy mol oxóniumiont fogyaszt egy mol CO2 képződéséhez. A keletkező víz együtthatója az oxóniumionos egyenletben 3, illetve 2. A Na+-ion nem része a nettó ionegyenletnek. A gáz ténylegesen mért térfogatánál az állapotjelzőket és az oldatban maradó CO2-t is figyelembe kell venni.
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

Kristályvíz és az oldott só tömege28,6 g kristályszóda 10,6 g vízmentes Na_{2}CO_{3}-nak megfelelő sót és 18,0 g kristályvizet tartalmaz. A sávok szélessége a két tömegrész arányát mutatja. Feloldáskor a kristályvíz az oldószer víztartalmához járul, a só hidratált ionokként kerül az oldatba. Ha külön vizet is adunk hozzá, az oldat teljes tömegében ez is szerepel. A só tömegszázalékának számlálója a vízmentes só tömege; a feladatban mindig ellenőrizd, melyik anyag tömegszázalékát kérik.Kristályszóda: kétféle tömeg28,6 g Na2CO3·10 H2O10,6 g18,0 gNa2CO3kristályvízOldott só: 10,6 gOldószerhez kerül: 18,0 g víz+ a külön hozzáadott vízA teljes hidrát 0,100 mol.A só tömegszázalékához 10,6 g kell.
Adattáblázat megtekintése
LépésMagyarázat
Hidrát28,6 g, 0,100 mol
Vízmentes só10,6 g
Kristályvíz18,0 g
Oldat28,6 g + hozzáadott víz tömege
28,6 g kristályszóda 10,6 g vízmentes Na2CO3-nak megfelelő sót és 18,0 g kristályvizet tartalmaz. A sávok szélessége a két tömegrész arányát mutatja. Feloldáskor a kristályvíz az oldószer víztartalmához járul, a só hidratált ionokként kerül az oldatba. Ha külön vizet is adunk hozzá, az oldat teljes tömegében ez is szerepel. A só tömegszázalékának számlálója a vízmentes só tömege; a feladatban mindig ellenőrizd, melyik anyag tömegszázalékát kérik.
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.

Válassz egy választ
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.