§ 47. Металы IIA-групы перыядычнай сістэмы

Агульныя звесткі пра металы IIA-групы

У табліцы 33 падсумаваны звесткі пра будову і ўласцівасці атамаў металаў IIA-групы.

Табліца 33. Характарыстыкі атамаў металаў IIA-групы

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

Па электроннай будове атамаў элементы IIA-групы адносяцца да s-элементаў. На знешнім электронным слоі іх атамаў знаходзяцца 2 электроны (ns²), ва ўсіх сваіх злучэннях яны праяўляюць дадатную ступень акіслення +2. Як і шчолачныя, металы IIA-групы з’яўляюцца моцнымі адноўнікамі. Атамныя радыусы элементаў IIA-групы меншыя за радыусы атамаў суседніх шчолачных металаў, а іх знешнія электроны больш трывала звязаны з ядрамі. Адпаведна, электраадмоўнасць металаў IIA-групы вышэйшая, чым у металаў IA-групы, таму яны крыху менш актыўныя (гл. табл. 32 і 33).

Як і ў шчолачных металаў IA-групы, з павелічэннем парадкавага нумара ў элементаў IIA-групы ўзрастае атамны радыус, памяншаецца электраадмоўнасць, узмацняюцца металічныя ўласцівасці і ў асноўным памяншаецца тэмпература плаўлення. Так, T_пл.(Ca) = 850 °C, T_пл. (Sr) = 777 °C, T_пл. (Ba) = 727 °C. Звярніце ўвагу, што тэмпературы плаўлення металаў IIA-групы вышэйшыя, чым у іх аналагаў IA-групы. Гэты факт абумоўлены ўмацаваннем металічнай сувязі з павелічэннем ліку электронаў на знешнім электронным слоі атамаў.

Злучэнні кальцыю і магнію распаўсюджаны ў прыродзе дастаткова шырока. Да найважнейшых з іх адносяцца магнезіт MgCО₃, даламіт CaMg(CO₃)₂, кальцыт CaCO₃, гіпс CaSO₄ · 2H₂O, флюарыт CaF₂ і розныя сілікаты. Злучэнні іншых элементаў IIA-групы менш распаўсюджаныя. Стронцый і барый знаходзяцца ў прыродзе ў выглядзе карбанатаў і сульфатаў. Радый, з’яўляючыся радыеактыўным элементам, прысутнічае ва ўранавых рудах як прадукт распаду ўрану.

Распазнаць прысутнасць таго ці іншага металу ў злучэнні можна па афарбоўцы полымя. У прысутнасці злучэнняў кальцыю колер полымя цагляначырвоны, стронцыю і радыю — кармінава-чырвоны, барыю — жаўтавата-зялёны. Злучэнні магнію полымя не афарбоўваюць (Дадатак 3).

Металы IIA-групы, як правіла, атрымліваюць электролізам расплаву хларыдаў (§ 45, мал. 108).

Хімічныя ўласцівасці металаў IIA-групы і іх злучэнняў

Аднаўленчая здольнасць металаў IIA-групы ўзрастае з павелічэннем атамнага нумара. Пры ўзаемадзеянні з неметаламі яны ўтвараюць аксіды (CaО), гідрыды (CaН₂), нітрыды (Ca₃N₂), галагеніды (CaСl₂), карбіды (CaС₂), сульфіды (CaS) і г. д.

Шчолачназямельныя металы актыўна рэагуюць з вадой і кіслотамі, выцясняючы з іх вадарод.

У злучэннях металаў IIA-групы з неметаламі ўтвараюцца хімічныя сувязі пераважна іоннага характару.

Асобна знаходзіцца толькі берылій, атамы якога маюць значна меншыя памеры і таму больш схільныя да ўтварэння сувязей кавалентнага характару.

Хімічная актыўнасць аксідаў і гідраксідаў металаў IIA-групы павялічваецца з узрастаннем атамнага нумара металу.

Солі элементаў IIA-групы маюць розную растваральнасць, што звязана з адрозненнем памераў іх атамаў.

Разам з агульнымі хімічнымі ўласцівасцямі ў кожнага з металаў IIA-групы і яго злучэнняў ёсць свае асаблівасці.

Берылій па многіх уласцівасцях адрозніваецца ад іншых элементаў IIA-групы. На паветры паверхня берылію пакрываецца стойкай аксіднай плёнкай BeO, што, відавочна, абумоўлівае яго нізкую рэакцыйную здольнасць. Аксід і гідраксід берылію праяўляюць амфатэрныя ўласцівасці:

Сплавы на аснове берылію адрозніваюцца павышанай цвёрдасцю, трываласцю і каразійнай устойлівасцю. Яны выкарыстоўваюцца ў атамнай энергетыцы, для абшыўкі касмічных апаратаў, вырабу вогнетрывалых матэрыялаў.

Злучэнні берылію таксічныя.

Металічны магній вельмі павольна рэагуе з халоднай вадой, але ў вадзе, якая кіпіць, гэтая рэакцыя працякае больш інтэнсіўна:

Спалучэнне лёгкасці (шчыльнасць прыкладна на 35 % меншая, чым у алюмінію) і высокай трываласці (амаль у 2 разы вышэйшая, чым у алюмінію) робіць сплавы на аснове магнію запатрабаванымі ў авія-, аўтамабіле- і прыборабудаванні.

Аксід магнію MgO — парашок белага колеру, вельмі тугаплаўкі. Узаемадзейнічае з вадой толькі пры кіпячэнні, утвараючы нерастваральны гідраксід:

Атрымліваюць аксід магнію гартаваннем карбанату магнію:

Аксід магнію выкарыстоўваюць у вырабе вогнетрывалых вырабаў (цэглы, тыгляў, цэменту і г. д.), а таксама ў медыцыне для зніжэння кіслотнасці страўнікавага соку.

Гідраксід магнію Mg(OH)₂, будучы нерастваральнай асновай, усё ж стварае ў вадзе шчолачнае асяроддзе (рН > 7, выяўляецца фенолфталеінам), паколькі гідраксід пры пераходзе ў раствор у зусім малой колькасці дысацыіруе:

Mg(OH)₂ як аснова раствараецца ў кіслотах:

Яго атрымліваюць пры дзеянні шчолачаў на растваральныя солі магнію. Пры гэтым выпадае белы студзяністы асадак:

Солі магнію. Растваральныя солі магнію бясколерныя і горкія на смак, але не ядавітыя. З растваральных солей магнію найбольш значныя хларыд і сульфат.

MgCl₂, які змяшчаецца ў марской вадзе, служыць асноўным рэсурсам для атрымання металічнага магнію электролізам. MgSО₄ · 7Н₂О — горкая англійская соль, знаходзіць прымяненне ў раслінаводстве як мікраўгнаенне (крыніца магнію і серы), медыцыне (кампанент заспакаяльных, спазмалітычных прэпаратаў і сродкаў для паніжэння ціску).

Біялагічная роля. Магній уваходзіць у склад хларафілаў — зялёнага пігменту раслін, неабходнага для ажыццяўлення працэсу фотасінтэзу. Недахоп іонаў Mg²⁺ у арганізме чалавека выклікае цяжкія парушэнні сардэчнай дзейнасці, павышае схільнасць да інфарктаў.

Кальцый — серабрыста-белы лёгкі метал. Кальцый і іншыя шчолачназямельныя металы па сваіх уласцівасцях падобныя да магнію, але валодаюць значна большай хімічнай актыўнасцю.

Аксід кальцыю — белы тугаплаўкі парашок, мае тэхнічную назву — паленая, або нягашаная, вапна. Гэта тыповы асноўны аксід: ён рэагуе з вадой, кіслотамі і кіслотнымі аксідамі.

Працэс узаемадзеяння CaO з вадой называюць гашэннем:

Гэтая рэакцыя суправаджаецца вялікім вылучэннем цеплаты.

У прамысловасці аксід кальцыю атрымліваюць абпалам пры 900 °С вапняку або мелу:

Гідраксід кальцыю Са(ОН)₂ — белы парашок, мала раствараецца ў вадзе (1,56 г на 1 дм³ вады пры 20 °С), але цалкам дысацыіруе, утвараючы моцнашчолачны раствор (рН = 12,6):

Як тыповая аснова гідраксід кальцыю рэагуе з кіслотамі, кіслотнымі аксідамі, растворамі солей.

Пры прапусканні вуглякіслага газу праз вапнавую ваду спачатку з’яўляецца асадак карбанату:

які затым цалкам знікае з-за ўтварэння растваральнага гідракарбанату кальцыю Са(НСО₃)₂:

Гідракарбанат кальцыю няўстойлівы, ён існуе толькі ў растворы. З гэтымі працэсамі звязана ўтварэнне пячор у вапняковых масівах, а ў іх — сталактытаў і сталагмітаў.

Гашаную вапну, або «пушонку», выкарыстоўваюць у будаўніцтве, а таксама для зніжэння часовай жорсткасці вады, памяншэння кіслотнасці глеб.

Солі кальцыю. Карбанат кальцыю СаСО₃ — белае рэчыва, нерастваральнае ў вадзе. З яго сфарміраваны мел, мармур, жэмчуг, ракавіны малюскаў (мал. 111).

Сульфат кальцыю існуе ў прыродзе ў выглядзе двух мінералаў — ангідрыду (CaSO₄) і гіпсу (CaSО₄ · 2H₂О). Яны дрэнна растваральныя ў вадзе. Пры гартаванні гіпсу ўтвараецца будаўнічы гіпс — алебастр («палены гіпс») — CaSО₄ · 0,5H₂О. Яго выкарыстоўваюць як вязкі сродак у будаўніцтве для вырабу панэлей, перагародак, сухой тынкоўкі, барэльефаў, арнаментаў і інш., а таксама ў медыцыне для накладання гіпсавых павязак. Цвярдзенне паленага гіпсу адбываецца ў выніку рэакцыі гідратацыі:

Хларыд кальцыю CaCl₂ у выглядзе раствору ўжываецца як лекавы сродак, які папаўняе дэфіцыт іонаў Ca²⁺ ў арганізме чалавека. Катыёны Са²⁺ ўдзельнічаюць у рэгуляцыі сардэчных скарачэнняў і згушчальнасці крыві, а таксама ў фарміраванні касцявой тканкі.

Дэфіцыт кальцыю зніжае ўрадлівасць глеб, выклікае хваробы шкілета чалавека і жывёл, запавольвае рост арганізма. Таму вялікае значэнне мае ўзбагачэнне кальцыем глеб, кармоў для свойскіх жывёл і г. д.

Жорсткасць вады і спосабы яе змяншэння

Працэс ліквідацыі жорсткасці вады перад яе выкарыстаннем называецца памякчэннем вады. Любы з яго варыянтаў прадугледжвае выдаленне з вады іонаў кальцыю і магнію. У адносінах да працэсаў памякчэння вады адрозніваюць жорсткасць часовую і пастаянную.

Часовая (карбанатная, ліквідуецца кіпячэннем) жорсткасць абумоўлена прысутнасцю ў вадзе гідракарбанатаў кальцыю і магнію. Яна ліквідуецца кіпячэннем, пры якім адбываецца поўнае раскладанне гідракарбанатаў. Яны пераходзяць у выглядзе карбанатаў у нерастваральны стан:

Менавіта такія рэакцыі выклікаюць утварэнне накіпу ў чайніку.

Пастаянная (некарбанатная) жорсткасць абумоўлена ўтрыманнем раствораных солей кальцыю і магнію (сульфатаў, хларыдаў і інш.), якія пры кіпячэнні застаюцца ў растворы. У гэтым выпадку жорсткасць вады можа быць ліквідавана ўвядзеннем у раствор рэагентаў (Nа2CO₃, Na₃РO₄, Са(ОН)₂), якія ўтвараюць з растворанымі солямі кальцыю і магнію асадкі:

У лабараторыі для ачысткі вады выкарыстоўваюць метад перагонкі, гэта значаць выпарэнне вады з наступнай яе кандэнсацыяй. Пры гэтым асноўная частка солей застаецца ў вадзе, якая не выпарылася. Кандэнсаваная вада называецца дыстыляванай.

Сучасны, больш эканамічны спосаб заснаваны на ўжыванні іонаабменнай смалы. Пры прапусканні вады праз слой іонаабменнай смалы (іаніту) іоны кальцыю, магнію і жалеза пераходзяць у састаў смалы, а са смалы ў раствор пераходзяць іоны Н⁺ або Na⁺:

Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR,

дзе Na₂R — умоўнае абазначэнне іаніту, сінтэтычнай арганічнай смалы, на паверхні якой знаходзяцца іоны Na⁺.

Пытанні, заданні, задачы

1. Як даказаць, што аксід магнію пры кіпячэнні ў вадзе пераходзіць у гідраксід, які хоць і дрэнна, але ўсё ж раствараецца ў вадзе?

2. Па тэрмахімічным ураўненні вызначце колькасць цеплаты, якая вылучылася пры згаранні ў кіслародзе магнію масай 1 г.

3. Чым можна растлумачыць утварэнне асадку ў растворы гідраксіду барыю пры яго захоўванні ў адкрытай колбе?

4. Якая вада найменш жорсткая: артэзіянская, рачная або дажджавая? Адказ патлумачце.

5. Прапануйце план распазнавання раствораў нітратаў кальцыю і натрыю, што знаходзяцца ў дзвюх пранумараваных прабірках.

6. Пастаянная жорсткасць вады можа быць ліквідавана ўжываннем рэагентаў, якія ўтвараюць з растворанымі солямі кальцыю і магнію асадкі. Выкарыстоўваючы табліцу растваральнасці, прапануйце гэтыя рэагенты і прывядзіце для ілюстрацыі неабходныя ўраўненні магчымых рэакцый.

7. Прапануйце спосаб ачысткі чайніка ад накіпу, зыходзячы з яго хімічнага складу.

8. Аналіз забору вады са свідравіны паказаў, што ўтрыманне ў ёй іонаў кальцыю складае 0,2 г на 1 дм³ вады. Вызначце масу кальцыніраванай соды, якая спатрэбіцца для памяншэння ўтрымання кальцыю да 0,04 г/дм³ у такой вадзе аб’ёмам 100 м³.

9. Складзіце тры ўраўненні рэакцый паводле схемы:

10. Складзіце ўраўненні рэакцый паводле схемы:

*Самакантроль

1. Асноўныя кампаненты ракушачніку і гіпсу адпаведна:

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

2. У радзе металаў Mg—Ca—Ba:

• а) памер атама павялічваецца;
• б) электраадмоўнасць памяншаецца;
• в) лік электронаў на знешнім слоі павялічваецца;
• г) прадстаўлены s-, p- і d-элементы.

3. Металы IIА-групы можна атрымаць электролізам расплаву солі:

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

4. І берылій, і кальцый рэагуюць з:

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

5. Жорсткасць вады можна паменшыць, дадаючы:

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