Этот урок проведём в день ремонта в бабушкином доме: утром мастер гасит известь, днём чистят накипь в чайнике, вечером щёлочью прочищают раковину. За каждым событием стоят металлы главных подгрупп — натрий, калий, кальций, алюминий — и их соединения. Мы увидим их свойства в анимациях, научимся расчётам и решим задания ГЭЦ.
≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 5материал 9–11 классовВ субботу в бабушкином доме начинается ремонт. Мастер во дворе готовится белить стены: высыпает в металлическую бочку мешок белых камешков — негашёную известь (CaO) — и доливает воду из ведра. Через несколько минут смесь сама закипает, из бочки валит пар, камни рассыпаются в белое тесто. Мастер отводит ученика в сторону: «Не подходи близко, брызнет — известь обжигает глаза!»
Ученику интересно: огня нет — откуда тепло? Это реакция оксида кальция с водой. Мастер взял 5,6 кг негашёной извести. Сколько кг гашёной извести (Ca(OH)₂) получится и сколько воды на это уйдёт?
В бочке кипит известь, поднимается пар; в круге CaO соединяется с молекулой воды и становится Ca(OH)₂.Сначала предположиКак ты думаешь, сколько кг Ca(OH)₂ получится из 5,6 кг CaO? Ответ рассчитаем в 3-й главе.
Кальций — металл IIA-группы, натрий и калий — IA-группы, алюминий — IIIA-группы. Эти металлы «главных подгрупп» повсюду в быту: поваренная соль, сода, известь, гипс, алюминиевая посуда и фольга. В этом уроке пройдём от щелочных металлов к кальцию, жёсткости воды и алюминию — весь день вместе с событиями ремонта в бабушкином доме.
Глава 1Металлы IA-группы — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr — называют щелочными: их гидроксиды — растворимые в воде сильные основания, щёлочи. На внешнем слое один электрон (ns¹), степень окисления в соединениях всегда +1. Сверху вниз по группе радиус атома растёт, отдавать электрон легче — активность растёт от Li к Cs. Щелочные металлы мягкие (режутся ножом), лёгкие (Li, Na, K легче воды), легкоплавкие; на воздухе быстро окисляются, поэтому их хранят под керосином. Они окрашивают пламя: Li — в карминово-красный, Na — в жёлтый, K — в фиолетовый.
Анимация · Li, Na, K с водойВсе три дают щёлочь и водород, но с разной силой: литий спокойно, натрий плавится и бегает, калий поджигает водород. Фенолфталеин показывает образующуюся щёлочь.Химические свойства щелочных металловУстановите соответствие.1. X + O₂ t→ XO₂2. Y + O₂ t→ Y₂O3. Z + O₂ t→ Z₂O₂a. Ca b. Na c. Al d. Li e. K
Рисунок меняется вместе с шагами.При горении натрия и калия получается не оксид, а пероксид и надпероксид.
Запишем уравнения реакций данных металлов с кислородом … K + O₂ t→ KO₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025
По графикам реакции щелочного металла с соляной кислотой вычислите относительную атомную массу металла.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 39B) 24C) 1D) 23E) 7Каждые 2 атома металла дают одну молекулу H₂.
Реакцию щелочных металлов с соляной кислотой в общем виде можно выразить уравнением 2Me+2HCl → 2MeCl + H₂. Проведя расчёт по уравнению 2A_r(Me)------------1 моль H₂ 9,8 г Me-------0,7 моль H₂ Aᵣ(Me) =7. Относительная атомная масса металла равна 7.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026
Если n₂>n₁>n₃, сравните A₁, A₂ и A₃.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) A₂>A₁>A₃B) A₁>A₃>A₂C) A₃>A₂>A₁D) A₁>A₂>A₃E) A₃>A₁>A₂Например, при одинаковой массе количество вещества лития (7) более чем втрое больше, чем натрия (23).
Из металлов, взятых в одинаковой массе, количество вещества больше у того, у которого меньше относительная атомная масса. На хлорирование металла с большим количеством вещества расходуется больше хлора. По сравнению числа моль израсходованного хлора (n₂>n₁>n₃) … т. е. A₃>A₁>A₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)Проверь себя
3,9 г калия прореагировали с водой. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?
2K + 2H₂O → 2KOH + H₂: 0,1 моль K → 0,05 моль H₂.
Глава 2Гидроксид натрия NaOH (едкий натр) — белая гигроскопичная хорошо растворимая щёлочь; разъедает кожу. В промышленности его получают электролизом раствора поваренной соли (так производят в Сумгайыте): 2NaCl + 2H₂O электролиз→ 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑. Применяют в производстве мыла, бумаги, алюминия. Карбонат натрия Na₂CO₃ (сода) идёт на стекло и моющие средства, гидрокарбонат натрия NaHCO₃ — в хлебопечение и медицину, NaCl — в пищу и как сырьё химической промышленности. Соединения калия (KCl, KNO₃, K₂CO₃ — поташ) — в основном удобрения.
Пероксид и надпероксидПероксиды — соединения с ионом O₂²⁻ (O−1), надпероксиды — с ионом O₂⁻. С водой: Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂; с углекислым газом выделяют кислород: 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂, 4KO₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + 3O₂. Поэтому их используют для регенерации воздуха в подводных лодках и изолирующих дыхательных аппаратах.
Анимация · пероксид восстанавливает воздухПатрон поглощает CO₂ выдоха и взамен даёт кислород: с Na₂O₂ на 2 CO₂ — 1 O₂, с KO₂ на 2 CO₂ — 3 O₂. Поэтому KO₂ эффективнее — он возвращает кислорода больше, чем поглощает CO₂.Пример 1В дыхательном аппарате 142 г KO₂. Сколько литров (н. у.) CO₂ он может поглотить и сколько литров O₂ выделит?
Отношение коэффициентов 4 : 2 : 3; делим всё на 2.
78 г Na₂O₂ прореагировали с избытком CO₂. Сколько литров (н. у.) O₂ выделится?
n(Na₂O₂) = 78 / 78 = 1 моль; 2Na₂O₂ → O₂: 0,5 моль.
Глава 3Кальций стоит в IIA-группе (4s²), в соединениях +2; его называют щёлочноземельным металлом. Серебристо-белый металл, твёрже и менее активен, чем щелочные. Реагирует с водой: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑; горит: 2Ca + O₂ → 2CaO; окрашивает пламя в кирпично-красный цвет. В природе — известняк, мел, мрамор (CaCO₃), гипс (CaSO₄·2H₂O), фосфорит. Обжигом карбоната кальция получают негашёную известь: CaCO₃ t→ CaO + CO₂↑.
Анимация · гашение известиCaO бурно и экзотермически реагирует с водой: смесь кипит, куски рассыпаются в белую массу Ca(OH)₂. Нанесённый на стену раствор поглощает CO₂ воздуха, медленно превращается в CaCO₃ и твердеет.ИсторияВопрос про побелку. CaO + H₂O → Ca(OH)₂: n(CaO) = 5,6 / 56 = 0,1 кмоль = n(Ca(OH)₂), m = 0,1 · 74 = 7,4 кг; присоединяется 0,1 кмоль, т. е. 1,8 кг воды — остальная вода превращает известь в жидкое «молоко». Теплоты так много, что вода закипает: поэтому мастер должен работать в защитных очках, а дети — держаться подальше. Известковое молоко на стене на воздухе по реакции Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O превращается в твёрдый белый слой.
Гипс и алебастрГипс CaSO₄·2H₂O при нагревании до ≈ 150 °C теряет часть воды и превращается в алебастр: 2CaSO₄·2H₂O t→ (CaSO₄)₂·H₂O + 3H₂O. При смешивании с водой алебастр снова превращается в гипс и быстро твердеет — его используют для гипсовых повязок, скульптурных форм, штукатурки.
Пример 21,2 г кальция полностью прореагировали с водой. Сколько литров (н. у.) водорода выделится и сколько граммов Ca(OH)₂ получится?
Кальций отдаёт два электрона — один атом выделяет одну молекулу H₂ (у натрия — два атома).
Сколько граммов CaCO₃ надо обжечь, чтобы получить 11,2 г CaO?
n(CaO) = 11,2 / 56 = 0,2 моль = n(CaCO₃).
Глава 4Днём мастер просит чаю. Мама открывает крышку электрочайника и видит, что нагреватель и стенки покрыты толстым белым слоем — накипью, а вода закипает долго. Мама говорит: «Вода у нас очень жёсткая, и мыло не мылится». Чтобы очистить накипь, она наливает в чайник уксус.
Ученик считает: за два года в чайнике вскипятили около 100 л воды, в ней 162 мг/л гидрокарбоната кальция. Сколько граммов накипи могло накопиться?
Из чайника идёт пар; в круге ионы кальция превращаются на нагревателе в накипь, выходят пузырьки CO₂.ЖёсткостьЖёсткость воды — совокупность свойств, связанных с наличием в воде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺: в жёсткой воде мыло не мылится (образуются нерастворимые соли кальция), при кипячении образуется накипь. Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂, постоянная — сульфатами и хлоридами (CaSO₄, MgCl₂).
Анимация · при кипячении образуется накипьПри нагревании гидрокарбонат разлагается: ионы Ca²⁺ оседают на нагревателе в виде нерастворимого CaCO₃, CO₂ уходит. Такая жёсткость устраняется кипячением — поэтому её называют «временной».Устранение жёсткостиВопрос про чайник. В 100 л воды 100 · 162 = 16 200 мг = 16,2 г Ca(HCO₃)₂, n = 16,2 / 162 = 0,1 моль. При кипячении Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O: 0,1 моль CaCO₃, т. е. 10 г накипи. Уксус растворяет накипь: CaCO₃ + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Ca + CO₂↑ + H₂O — в чайнике поднимается пена. Накипь плохо проводит тепло, поэтому чайник с накипью тратит больше электричества.
Проверь себяДля устранения временной жёсткости 1 л воды потребовалось 0,74 г Ca(OH)₂. Сколько граммов Ca(HCO₃)₂ было в воде?
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O: 0,01 моль Ca(OH)₂ → 0,01 моль Ca(HCO₃)₂ (M = 162).
Глава 5Вечером в ванной засорилась раковина. Папа купил «средство для труб»: в банке белые гранулы NaOH вперемешку с блестящими крупинками алюминия. На банке написано: «Откройте окно, не наклоняйтесь, держите вдали от огня». Папа засыпает гранулы в слив и доливает немного воды — в сливе бурлит пена, поднимается горячий пар.
Ученик спрашивает: как алюминий растворяется в щёлочи и что за газ в пене? В одной порции 2,7 г алюминия. Сколько литров (н. у.) водорода выделится и зачем открывать окно?
В сливе бурлит пена; в круге атом алюминия растворяется в виде иона, выходит молекула водорода.Алюминий стоит в IIIA-группе (3s² 3p¹), в соединениях +3; это самый распространённый металл земной коры. Лёгкий (2,7 г/см³), серебристый, пластичный, электропроводный. Его поверхность покрыта тонкой прочной плёнкой Al₂O₃ — поэтому, хотя он стоит левее в ряду напряжений, на воздухе и в воде не разрушается. Если снять плёнку, алюминий — активный восстановитель: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, 2Al + 3S t→ Al₂S₃, 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑, алюминотермия. Холодные концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ его пассивируют. В промышленности его получают электролизом Al₂O₃ в расплаве криолита.
Анимация · алюминий в щёлочиЩёлочь сначала растворяет амфотерную оксидную плёнку, затем металл вытесняет водород из воды, а образующийся Al(OH)₃ сразу растворяется в щёлочи, давая тетрагидроксоалюминат.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025Сколько граммов алюминия вступит в реакцию с водным раствором NaOH, если получено 3,36 л (н. у.) H₂? Aᵣ(Al)=27
A) 5,4B) 18C) 9D) 3,6E) 2,7Al⁰ отдаёт 3 электрона, каждая молекула H₂ получает 2: 2 Al ↔ 3 H₂.
x г 3,36 литра 2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂ 2 · 27 3 · 22,4 x = 2,7 гИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)История
Вопрос про средство для труб. Расчёт обратен заданию ГЭЦ: n(Al) = 2,7 / 27 = 0,1 моль → n(H₂) = 0,15 моль → V = 0,15 · 22,4 = 3,36 л. Реакция выделяет много теплоты, щёлочь омыляет жиры, а пена выбивает засор. Водород образует с воздухом взрывчатую смесь — поэтому окно открывают, рядом не должно быть огня, а NaOH разъедает кожу: нужны перчатки и очки.
АмфотерностьAl₂O₃ и Al(OH)₃ амфотерны — реагируют и с кислотами, и со щелочами: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (в растворе), Al₂O₃ + 2NaOH t→ 2NaAlO₂ + H₂O (при сплавлении). Al(OH)₃ получают из солей действием щёлочи: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl; при избытке щёлочи осадок растворяется: AlCl₃ + 4NaOH → Na[Al(OH)₄] + 3NaCl. При нагревании: 2Al(OH)₃ t→ Al₂O₃ + 3H₂O.
В лаборатории добавляй NaOH к раствору 0,1 моль AlCl₃ и следи за массой осадка: когда она наибольшая, когда исчезает?
Лаборатория · Al(OH)₃ — амфотерный гидроксидАнимация · добавляем NaOH к раствору AlCl₃добавлено NaOH0.15 мольm(NaOH) = 0 г; m(Al(OH)₃) = 0 гДо 0,3 моль NaOH осадок растёт (1 : 3), затем избыток щёлочи его растворяет; при 0,4 моль (1 : 4) раствор снова прозрачен.Проверь себяК раствору, содержащему 13,35 г AlCl₃, добавили 0,35 моль NaOH. Сколько граммов осадка останется?
0,1 моль AlCl₃ + 0,3 моль NaOH → 0,1 моль Al(OH)₃; оставшиеся 0,05 моль NaOH растворяют 0,05 моль Al(OH)₃.
ПрактикумЭти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».
ГЭЦ · 07.06.2026Какие вещества образуются при реакции калия с водой?
A) K₂O и H₂B) K₂O₂ и H₂C) KOH и O₂D) KH и O₂E) KOH и H₂Ответ и пояснение ГЭЦОтвет: KOH и H₂ (вариант E). Примечание: обобщение в пояснении не вполне точно для щёлочноземельных металлов — Be с водой не реагирует, Mg реагирует только при нагревании, и Mg(OH)₂ не щёлочь.
При взаимодействии щелочных и щёлочноземельных металлов с водой образуются щёлочь и газообразный водород. 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)Итоги
При горении образуется пероксид Na₂O₂; Na₂O получают иначе. Оксид даёт только литий.
«Кипячение устраняет любую жёсткость».Только временную (гидрокарбонатную); CaSO₄, MgCl₂ остаются — нужны сода или фосфат.
«Чем больше NaOH добавить к AlCl₃, тем больше осадка».После отношения 1 : 3 избыток щёлочи растворяет амфотерный Al(OH)₃; при 1 : 4 осадка нет.
«Алюминий активен, поэтому разрушается в воде».Его защищает плотная плёнка Al₂O₃; если плёнку снять щёлочью или ртутью, начинается реакция с водой.
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1Как меняется активность щелочных металлов в группе?
Радиус растёт, валентный электрон дальше от ядра и отдаётся легче.
2 · Уровень 1Какова формула негашёной извести?
CaO — негашёная, Ca(OH)₂ — гашёная известь.
3 · Уровень 2Какое вещество обусловливает временную жёсткость?
Гидрокарбонаты при кипячении превращаются в карбонаты и выпадают.
4 · Уровень 2С обоими веществами какой пары реагирует Al(OH)₃?
Амфотерный гидроксид реагирует и с кислотой, и со щёлочью.
5 · Уровень ГЭЦ4,6 г натрия сгорели в кислороде. Сколько граммов продукта получится?
2Na + O₂ → Na₂O₂: 0,2 моль Na → 0,1 моль Na₂O₂ · 78 = 7,8 г.
6 · Уровень ГЭЦСколько моль NaOH нужно добавить к раствору 0,2 моль AlCl₃, чтобы осадок полностью растворился?
AlCl₃ + 4NaOH → Na[Al(OH)₄] + 3NaCl: 0,2 · 4 = 0,8 моль.
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.