Print bookPrint book

§ 47. Металлы IIA-группы периодической системы

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 47. Металлы IIA-группы периодической системы
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 3:12 PM

Металлы IIA-группы периодической системы

В группе IIA периодической системы находятся бериллий Be, магний Mg и принадлежащие подгруппе щёлочноземельных металлов кальций Са, барий Ва, стронций Sr, радий Ra. Своё название щёлочноземельные металлы получили потому, что в древние времена землями называли выделяемые из минералов и горных пород тугоплавкие оксиды многих металлов. При взаимодействии с водой растворимые «земли» образовывали раствор щёлочи. Именно к таким растворимым оксидам металлов IIA-группы относятся CaO, BaO, SrO. Be и Mg по многим свойствам схожи со щёлочноземельными металлами, однако их основания нерастворимы,  поэтому они не входят в группу щелочей.

Общие сведения о металлах IIA-группы

В таблице 33 суммированы сведения о строении и свойствах атомов металлов IIA-группы.

По электронному строению атомов элементы IIA-группы относятся к s-элементам. На внешнем электронном слое их атомов имеется 2 электрона (ns2), во всех своих соединениях они проявляют положительную степень окисления +2. Как и щелочные, металлы IIA-группы являются сильными восстановителями. Атомные радиусы элементов IIA-группы меньше радиусов атомов соседних щелочных металлов, а их внешние электроны прочнее связаны с ядрами. Соответственно, электроотрицательность металлов IIA-группы выше, чем у металлов IA-группы, поэтому они несколько менее активны (см. табл. 32 и 33).

Как и у щелочных металлов IA-группы, с увеличением порядкового номера у элементов IIA-группы возрастает атомный радиус, уменьшается электроотрицательность, усиливаются металлические свойства и в основном уменьшается температура плавления. Так, Tпл. (Ca) = 850 °C, Tпл. (Sr) = 777 °C,

Таблица 33. Характеристики атомов металлов IIA-группы

Элемент Be Mg Ca Sr Ba Ra
Электронная конфигурация [He]2s2 [Ne]3s2 [Ar]4s2 [Kr]5s2 [Xe]6s2 [Rn]7s2
Атомный радиус, нм 0,113 0,160 0,197 0,215 0,221 0,235
Электроотрицательность 1,6 1,3 1,0 0,95 0,9 0,9

Tпл. (Ba) = 727 °C. Обратите внимание, что температуры плавления металлов IIA-группы выше, чем их аналогов IA-группы. Этот факт обусловлен упрочнением металлической связи с увеличением числа электронов на внешнем электронном слое атомов.

Соединения кальция и магния распространены в природе достаточно широко. К важнейшим из них относятся магнезит MgCО3, доломит CaMg(CO3)2, кальцит CaCO3, гипс CaSO4 · 2H2O, флюорит CaF2 и различные силикаты. Соединения других элементов IIA-группы менее распространены. Стронций и барий находятся в природе в виде карбонатов и сульфатов. Радий, являясь радиоактивным элементом, присутствует в урановых рудах как продукт распада урана.

Распознать присутствие того или иного металла в соединении можно по окраске пламени. В присутствии соединений кальция цвет пламени кирпично-красный, стронция и радия — карминово-красный, бария — желтовато-зелёный. Соединения магния пламя не окрашивают (Приложение 3).

Металлы IIA-группы, как правило, получают электролизом расплава хлоридов (§ 45, рис. 108).

Химические свойства металлов IIA-группы и их соединений

Восстановительная способность металлов IIA-группы возрастает с увеличением атомного номера. При взаимодействии с неметаллами они образуют оксиды (CaО), гидриды (CaН2), нитриды (Ca3N2), галогениды (CaСl2), карбиды (CaС2), сульфиды (CaS) и т. д.

Щёлочноземельные металлы активно реагируют с водой и кислотами, вытесняя из них водород.

В соединениях металлов IIA-группы с неметаллами образуются химические связи преимущественно ионного характера.

img
Рис. 110. Горение магния

Особняком находится лишь бериллий, атомы которого имеют значительно меньшие размеры и поэтому более склонны к образованию связей ковалентного характера.

Химическая активность оксидов и гидроксидов металлов IIA-группы увеличивается с возрастанием атомного номера металла.

Соли элементов IIA-группы имеют различную растворимость, что связано с различием в размере их атомов.  

Наряду с общими химическими свойствами у каждого из металлов IIA-группы и его соединений есть свои особенности.

Бериллий по многим свойствам отличается от других элементов IIA-группы. На воздухе поверхность бериллия покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO, что, очевидно, обусловливает его низкую реакционную способность. Оксид и гидроксид бериллия проявляют амфотерные свойства: 

Ве left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 space equals space ВеSO subscript 4 space plus space 2 straight Н subscript 2 straight О semicolon space

begin mathsize 16px style Ве left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space plus space 2 NaOH space equals with t on top space Na subscript 2 BeO subscript 2 space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space left parenthesis образуется space straight в space расплаве right parenthesis semicolon end style

begin mathsize 16px style Ве left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space plus space 2 NaOH space equals space Na subscript 2 left square bracket Be left parenthesis OH right parenthesis subscript 4 right square bracket space left parenthesis образуется space straight в space растворе right parenthesis. end style

Сплавы на основе бериллия отличаются повышенной твёрдостью, прочностью и коррозионной устойчивостью. Они используются в атомной энергетике, для обшивки космических аппаратов, для изготовления огнеупорных материалов.

Соединения бериллия токсичны.

Магний — металл серебристо-белого цвета. На воздухе поверхность магния покрывается оксидной плёнкой MgO, что препятствует его дальнейшему окислению кислородом. При нагревании до 300–400 °С магний сгорает ослепительно ярким пламенем (рис. 110):

2 Mg subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight О subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space equals with t on top space 2 MgO subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space 1202 comma 5 space кДж.

Металлический магний очень медленно реагирует с холодной водой, но в кипящей воде эта реакция протекает интенсивнее: 

Mg + 2H2О = Mg(ОH)2↓ + H2↑.

Сочетание лёгкости (плотность примерно на 35 % меньше, чем у алюминия) и высокой прочности (почти в 2 раза выше, чем у алюминия) делает сплавы на основе магния востребованными в авиа-, автомобиле- и приборостроении.

Оксид магния MgO — порошок белого цвета, весьма тугоплавок. Взаимодействует с водой только при кипячении, образуя нерастворимый гидроксид: 

MgO space plus space straight Н subscript 2 straight О space equals with t on top space Mg left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2.

Получают оксид магния прокаливанием карбоната магния: 

MgCО subscript 3 space space space equals with 500 space degree straight С space space on top space MgO space plus space СО subscript 2 text ↑ end text.

Оксид магния используют в изготовлении огнеупорных изделий (кирпичей, тиглей, цемента и т. д.), а также в медицине для снижения кислотности желудочного сока.

Гидроксид магния Mg(OH)2, будучи нерастворимым основанием, всё же создаёт в воде щелочную среду (рН > 7, обнаруживается фенолфталеином), так как переходящий в раствор в ничтожно малом количестве гидроксид диссоциирует:

Mg(ОН)2 → Mg2+ + 2ОН.

Mg(OH)2 как основание растворяется в кислотах:

Mg(OH)2 + 2НСl = MgCl2 + 2Н2О.  

Его получают при действии щелочей на растворимые соли магния. При этом выпадает белый студенистый осадок:

MgCl2 + 2КОН = Mg(ОН)2↓ + 2КСl.

Соли магния. Растворимые соли магния бесцветны и горьки на вкус, но не ядовиты. Из растворимых солей магния наиболее значимы хлорид и сульфат. 

MgCl2, содержащийся в морской воде, служит основным ресурсом для получения металлического магния электролизом. MgSО4 ·2О — горькая английская соль, находит применение в растениеводстве как микроудобрение (источник магния и серы), медицине (компонент успокаивающих, противосудорожных, спазмолитических препаратов и средств для понижения давления). 

Биологическая роль. Магний входит в состав хлорофиллов — зелёного пигмента растений, необходимого для осуществления процесса фотосинтеза.  Недостаток ионов Mg2+ в организме человека вызывает тяжёлые нарушения сердечной деятельности, повышает предрасположенность к инфарктам.

Кальцийсеребристо-белый лёгкий металл. Кальций и другие щёлочноземельные металлы по своим свойствам похожи на магний, но обладают гораздо большей химической активностью.

Оксид кальция — белый тугоплавкий порошок, имеет техническое название — жжёная, или негашёная, известь. Это типичный основный оксид: он реагирует с водой, кислотами и кислотными оксидами.

Процесс взаимодействия CaO с водой называют гашением: СаО + 

stack СаО space with негашёная space известь space below plus space straight Н subscript 2 straight О space equals space stack Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space with гашёная space известь below plus space straight Q.

Эта реакция сопровождается большим выделением теплоты.

В промышленности оксид кальция получают обжигом при 900 °С известняка или мела: 

CаСO subscript 3 space equals with t on top space CаO space plus space СО subscript 2 text ↑ end text.

Гидроксид кальция Са(ОН)2 — белый порошок, мало растворим воде (1,56 г на 1 дм3 воды при 20 °С), но полностью диссоциирует, образуя сильнощелочной раствор (рН = 12,6):

Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH.

Как типичное основание гидроксид кальция реагирует с кислотами, кислотными оксидами, растворами солей.

При пропускании углекислого газа через известковую воду вначале появляется осадок карбоната:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О,

который затем полностью исчезает из-за образования растворимого гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2:

СаСО subscript 3 space plus space straight Н subscript 2 straight О space plus space СО subscript 2 space rightwards arrow over leftwards arrow Са left parenthesis HCO subscript 3 right parenthesis subscript 2.

Гидрокарбонат кальция неустойчив, он существует только в растворе. С этими процессами связано образование пещер в известняковых массивах, а в них — сталактитов и сталагмитов.

img

Раствор гидроксида кальция Са(ОН)2 называют известковой водой. Суспензию гидроксида кальция называют известковым молоком. Твёрдый гидроксид кальция называют гашёной известью.

Гашёную известь, или «пушонку», применяют в строительстве, а также для снижения временной жёсткости воды, уменьшения кислотности почв.

Соли кальция. Карбонат кальция СаСО3 — белое вещество, нерастворимое в воде. Из него сформирован мел, мрамор, жемчуг, ракушки моллюсков (рис. 111).

img
Рис. 111. Ракушка, кусочек мела, ваза из мрамора

Сульфат кальция существует в природе в виде двух минералов — ангидрита (CaSO4) и гипса (CaSО4 · 2H2О). Они плохо растворимы в воде. При прокаливании гипса образуется строительный гипс — алебастр («жжёный гипс») — CaSО4 · 0,5H2О. Его применяют как вяжущее средство в строительстве для изготовления панелей, перегородок, сухой штукатурки, барельефов, орнаментов и др., а также в медицине для наложения гипсовых повязок. Твердение жжёного гипса происходит в результате реакции гидратации:

CaSО4 · 0,5H2О + 1,5Н2О = CaSО4 · 2H2О + Q.

Хлорид кальция CaCl2 в виде раствора применяется как лекарственное средство, восполняющее дефицит ионов Ca2+ в организме человека. Катионы Са2+ участвуют в регуляции сердечных сокращений и свёртываемости крови, а также в формировании костной ткани.

Дефицит кальция снижает плодородие почв, вызывает болезни скелета человека и животных, замедляет рост организма. Поэтому большое значение имеет обогащение кальцием почв, кормов для домашних животных и т. д.

Жёсткость воды и способы её уменьшения

img
Рис. 112. Накипь на обогревательном элементе стиральной машины

Соединения магния и кальция являются основным компонентом горных пород, составляющих верхнюю часть земной коры. Вода, проходя через эти породы, насыщается этими соединениями, становясь «жёсткой». При нагревании жёсткой воды на нагревателях стиральных машин, трубах теплоцентралей, на внутренних стенках котлов ТЭЦ и чайников образуется накипь, состоящая из карбонатов кальция и магния (рис. 112). Накипь обладает низкой теплопроводностью, поэтому вызывает перегрев стенок котлов. Случайное отделение части накипи от раскалённой стенки котла может привести к быстрому испарению воды, повышению давления внутри котла и его взрыву. Жёсткая вода оставляет разводы на посуде, поверхности сантехники. В жёсткой воде повышен расход моющих средств. 

Процесс устранения жёсткости воды перед её использованием называется умягчением воды. Любой из его вариантов предполагает удаление из воды ионов кальция и магния. По отношению к процессам умягчения воды различают жёсткость временную и постоянную.

Временная (карбонатная, или устранимая кипячением) жёсткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Она устраняется кипячением, при котором происходит полное разложение гидрокарбонатов. Они переходят в виде карбонатов в нерастворимое состояние:

Са(НСО3)2 equals with t on top СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О;

Mg(НСО3)2 equals with t on top MgСО3↓ + СО2↑ + Н2О.

Именно такие реакции вызывают образование накипи на чайнике.

Постоянная (некарбонатная) жёсткость обусловлена содержанием растворимых солей кальция и магния (сульфатов, хлоридов и др.), которые при кипячении остаются в растворе. В этом случае жёсткость воды может быть устранена введением в раствор реагентов (Nа2CO3, Na3РO4, Са(ОН)2 и др.), образующих с растворёнными солями кальция и магния осадки:

Ca to the power of 2 plus end exponent space plus space CO subscript 3 superscript 2 minus end superscript space equals space CaCO subscript 3 text ↓ end text semicolon

Mg to the power of 2 plus end exponent space plus space 2 OH to the power of – space equals space Mg left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 downwards arrow semicolon

3 Ca to the power of 2 plus end exponent space plus space 2 РO subscript 4 superscript 3 minus end superscript space equals space Ca subscript 3 left parenthesis РO subscript 4 right parenthesis subscript 2 text ↓ end text.

img

Уменьшить количество растворённых солей в воде можно её вымораживанием. Постепенно замораживая воду, оставляют примерно 10 % жидкости от первоначального количества. При образовании льда растворённые соли накапливаются в жидкой фазе, где их растворимость выше. Оставшуюся воду сливают, а лёд затем расплавляют.

В лаборатории для очистки воды используют метод перегонки, то есть испарение воды с последующей её конденсацией. При этом основная часть солей остаётся в неиспарившейся воде. Конденсированная вода называется дистиллированной.

Современный, более экономичный способ основан на применении ионообменных смол. При пропускании воды через слой ионообменной смолы (ионита) ионы кальция, магния и железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н+ или Na+:

Ca2+ + Na2R = 2Na+ + CaR,

где Na2R — условное обозначение ионита, синтетической органической смолы, на поверхности которой находятся ионы Na+.

Металлы IIA-группы — s-элементы с общей электронной конфигурацией валентного слоя ns2. В соединениях с неметаллами образуют химические связи преимущественно ионного характера и находятся в степени окисления +2.

Являются сильными восстановителями, но менее активными, чем щелочные металлы. Оксиды и гидроксиды бериллия обладают амфотерными свойствами, остальных элементов — основными.

Растворимые соли кальция и магния обусловливают жёсткость воды.

Металлы IIA-группы получают электролизом расплавов солей.

Вопросы, задания, задачи

  1. Как доказать, что оксид магния при кипячении в воде переходит в гидроксид, который хотя и плохо, но всё же растворяется в воде?
  2. По термохимическому уравнению определите количество теплоты, выделившейся при сгорании в кислороде магния массой 1 г.
  3. Чем можно объяснить образование осадка в растворе гидроксида бария при его хранении в открытой колбе?
  4. Какая вода наименее жёсткая: артезианская, речная или дождевая? Ответ поясните.
  5. Предложите план распознавания растворов нитратов кальция и натрия, находящихся в двух пронумерованных пробирках.
  6. Постоянная жёсткость воды может быть устранена применением реагентов, образующих с растворёнными солями кальция и магния осадки. Используя таблицу растворимости, предложите эти реагенты и приведите для иллюстрации необходимые уравнения возможных реакций.
  7. Предложите способ очистки чайника от накипи, исходя из её химического состава.
  8. Анализ забора воды из скважины показал, что содержание в ней ионов кальция составляет 0,2 г на 1 дм3 воды. Определите массу кальцинированной соды, которая понадобится для уменьшения содержания кальция до 0,04 г/дм3 в такой воде объёмом 100 м3
  9. Составьте три уравнения реакций согласно схеме: 
  10. Составьте уравнения реакций согласно схеме: begin mathsize 14px style СaCl subscript 2 space space rightwards arrow with 1 on top space Ca space rightwards arrow with 2 on top space CaO space rightwards arrow with 3 on top space Ca left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 space rightwards arrow with 4 on top space CaCO subscript 3 space rightwards arrow with 5 on top space Са left parenthesis HCO subscript 3 right parenthesis subscript 2. end style

*Самоконтроль

1. Основные компоненты ракушечника и гипса соответственно:

  • а) MgCO3 и CaSO4 2H2O;
  • б) CaSO4 0,5H2O и CaCO3;
  • в) CaSO4 и CaMg(CO3);
  • г) CaCO3 и CaSO4 2H2O.

2. В ряду металлов Mg—Ca—Ba:

  • а) размер атома увеличивается;
  • б) электроотрицательность уменьшается;
  • в) число электронов на внешнем слое увеличивается;
  • г) представлены s-, p- и d-элементы.

3. Металлы IIА-группы можно получить электролизом расплава соли:

  • а) MgCO3;
  • б) MgCl2;
  • в) CaCl2;
  • г) CaSO4 2H2O.

4. И бериллий, и кальций реагируют с:

  • а) H2O (20 °С);
  • б) O2;
  • в) HCl;
  • г) NaOH.

5. Жёсткость воды можно уменьшить, добавляя:

  • а) Na2CO3;
  • б) NaCl;
  • в) K3PO4;
  • г) Na3PO4.