S-блок

S-блок — это совокупность химических элементов, в атомах которых последний (валентный) электрон занимает s-орбиталь внешнего энергетического уровня. В периодической таблице Д. И. Менделеева s-блок включает в себя две основные группы: первую (щелочные металлы) и вторую (щелочноземельные металлы), а также водород и гелий. Элементы s-блока характеризуются наличием одного или двух электронов на внешней s-орбитали, что определяет их высокую химическую активность, металлические свойства (за исключением водорода и гелия) и способность образовывать преимущественно ионные соединения.

Место в периодической системе

Периодическая система элементов делится на четыре электронных блока (s, p, d, f) в зависимости от того, на какую орбиталь (s, p, d или f) поступает последний электрон при заполнении электронных оболочек. S-блок занимает левые два столбца таблицы (группы 1 и 2) и две отдельные ячейки в верхней части — водород и гелий.

Расположение в группах

• Группа 1 (IA) — щелочные металлы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). Водород (H) формально также относится к первой группе, но по химическим свойствам сильно отличается от щелочных металлов.
• Группа 2 (IIA) — щелочноземельные металлы: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra).
• Гелий (He) — инертный газ, расположен в 18-й группе, но его электронная конфигурация (1s²) относит его к s-блоку.

Периоды

Элементы s-блока встречаются во всех периодах таблицы, начиная с первого. В первом периоде находятся только водород и гелий. Во втором периоде — литий и бериллий. В третьем — натрий и магний. Далее, по мере увеличения номера периода, к ним добавляются более тяжёлые щелочные и щелочноземельные металлы.

Электронная конфигурация и строение атома

Основная особенность s-элементов — строение внешнего электронного слоя. У всех элементов s-блока (кроме гелия) на внешней s-орбитали находится один или два электрона. Общая формула внешнего слоя: ns¹ (для группы 1) или ns² (для группы 2), где n — номер периода.

• Водород: 1s¹. Единственный электрон делает его уникальным — он может как отдавать электрон (проявляя свойства восстановителя), так и принимать его (образуя гидриды).
• Гелий: 1s². Полностью заполненная s-орбиталь обуславливает его химическую инертность.
• Щелочные металлы: ns¹. Один внешний электрон слабо связан с ядром, что приводит к лёгкой ионизации и высокой реакционной способности.
• Щелочноземельные металлы: ns². Два внешних электрона также относительно легко отрываются, хотя энергия ионизации у них выше, чем у щелочных металлов.

Радиусы атомов и энергия ионизации

В пределах группы сверху вниз атомные радиусы s-элементов увеличиваются из-за роста числа электронных слоёв. Энергия ионизации, наоборот, уменьшается, что делает более тяжёлые элементы (например, цезий или франций) чрезвычайно активными. В пределах периода слева направо (от щелочного металла к щелочноземельному) атомный радиус уменьшается, а энергия ионизации возрастает.

Физические свойства

Большинство s-элементов (кроме водорода и гелия) — типичные металлы. Они обладают рядом общих физических характеристик:

• Металлический блеск — характерен для всех щелочных и щелочноземельных металлов в чистом виде.
• Низкая плотность — литий, натрий и калий легче воды.
• Мягкость — щелочные металлы легко режутся ножом; щелочноземельные металлы твёрже, но также сравнительно мягки.
• Низкие температуры плавления и кипения — по сравнению с большинством других металлов (например, цезий плавится уже при 28,5 °C).
• Высокая электро- и теплопроводность — обусловлена наличием свободных электронов.

Водород и гелий при стандартных условиях — газы. Водород — двухатомный газ (H₂), гелий — одноатомный.

Химические свойства

Химическая активность s-элементов определяется их стремлением потерять внешние электроны и превратиться в положительно заряженные ионы (катионы). Щелочные металлы — самые сильные восстановители среди всех элементов.

Реакции с водой

Щелочные металлы (начиная с натрия) бурно реагируют с водой, образуя щёлочь и водород: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ Реакция может сопровождаться воспламенением (калий, рубидий, цезий) или даже взрывом (цезий). Щелочноземельные металлы реагируют менее интенсивно: магний — только с горячей водой, кальций — с холодной, но спокойно.

Реакции с кислородом

При горении на воздухе щелочные металлы образуют различные оксиды и пероксиды. Литий даёт оксид Li₂O, натрий — пероксид Na₂O₂, калий, рубидий и цезий — надпероксиды (например, KO₂). Щелочноземельные металлы при горении образуют оксиды (MgO, CaO).

Образование соединений

S-элементы легко образуют ионные соединения с галогенами (хлориды, фториды), серой (сульфиды), азотом (нитриды) и другими неметаллами. Большинство их солей хорошо растворимы в воде. Гидроксиды щелочных металлов (NaOH, KOH) — сильные основания (щёлочи), гидроксиды щелочноземельных металлов (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂) — тоже основания, но менее растворимые.

Основные представители и их применение

Водород (H)

Самый лёгкий элемент. Используется в промышленности для синтеза аммиака (процесс Габера-Боша), в производстве метанола, в гидрокрекинге нефти, а также как ракетное топливо и перспективный энергоноситель.

Гелий (He)

Инертный газ, второй по распространённости во Вселенной. Применяется в криогенной технике (охлаждение сверхпроводников), в качестве защитной атмосферы при сварке, в воздухоплавании (наполнение аэростатов), в дыхательных смесях для глубоководных работ.

Литий (Li)

Самый лёгкий металл. Ключевой компонент литий-ионных аккумуляторов. Используется в производстве смазок, керамики, стекла, а также в ядерной энергетике (получение трития).

Натрий (Na)

Широко распространённый элемент. В виде хлорида натрия (поваренная соль) — важнейший пищевой продукт. Металлический натрий применяется в металлургии (восстановление титана), в химической промышленности (производство цианида натрия, перекиси водорода), а также в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

Калий (K)

Необходим для жизнедеятельности растений и животных. В сельском хозяйстве используется в виде калийных удобрений (хлорид калия, сульфат калия). Соединения калия применяются в производстве стекла, мыла, взрывчатых веществ.

Магний (Mg)

Лёгкий и прочный металл. Используется в авиа- и автомобилестроении (сплавы), в пиротехнике (яркое белое пламя), в медицине (слабительные средства, препараты от аритмии). Соединения магния входят в состав цемента и огнеупоров.

Кальций (Ca)

Один из основных элементов земной коры. Широко применяется в строительстве (цемент, известь, гипс), в металлургии (раскисление стали), в медицине (препараты кальция). Карбонат кальция (CaCO₃) — основа мрамора, известняка и мела.

Биологическая роль

Элементы s-блока играют фундаментальную роль в биологии.

• Водород — входит в состав воды и всех органических соединений.
• Натрий и калий — участвуют в поддержании водно-солевого баланса, передаче нервных импульсов, работе мышц (натрий-калиевый насос).
• Кальций — основной компонент костей и зубов, участвует в свёртывании крови, мышечном сокращении, передаче сигналов внутри клеток.
• Магний — кофактор многих ферментов, необходим для синтеза АТФ, стабилизирует структуру ДНК и РНК.

Распространённость в природе

Щелочные и щелочноземельные металлы не встречаются в свободном виде из-за высокой химической активности. Они входят в состав различных минералов и горных пород. Натрий и калий — одни из самых распространённых элементов земной коры (соответственно 2,6% и 2,4% по массе). Кальций (3,6%) и магний (2,1%) также входят в десятку самых распространённых элементов. Водород — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75% всей массы), на Земле он встречается в основном в связанном виде (вода, углеводороды). Гелий — второй по распространённости во Вселенной, но на Земле его запасы ограничены и образуются в основном при распаде радиоактивных элементов.

Источники

• Химия: учебник для 11 класса / О. С. Габриелян. — М.: Дрофа, 2014.
• Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева / под ред. Н. С. Ахметова. — М.: Высшая школа, 2002.
• Общая и неорганическая химия / А. В. Суворов, А. Б. Никольский. — СПб.: Химиздат, 2000.
• Greenwood, N. N., Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics. — 97th ed. — CRC Press, 2016.