Химия. 11 класс

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.

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: 

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):

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: 

Получают оксид магния прокаливанием карбоната магния: 

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 · 7Н₂О — 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.

Кальций — серебристо-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 + 

Эта реакция сопровождается большим выделением теплоты.

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

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:

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

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).

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.