Бериллий, магний, щелочноземельные металлы. Щелочноземельные металлы Химические свойства бериллия и магния
Распространение в природе и получение. Магний и кальций - распространенные на Земле элементы (магний - восьмой, кальций - шестой), а остальные элементы более редкие. Стронций и радий - радиоактивные элементы.
В земной коре бериллий находится в виде минералов: берилл Be 3 Al 2 (Si0 3) 6 , фенакит Be 2 Si0 4 . Окрашенные примесями прозрачные разновидности берилла (зеленые изумруды, голубые аквамарины и др.) - драгоценные камни. Известно 54 собственно бериллиевых минералов, важнейшие из них - берилл (и его разновидности - изумруд, аквамарин, гелиодор, воробьевит, ростерит, баццит).
Магний входит в состав силикатных (среди них преобладает оливин Mg 2 Si0 4), карбонатных (доломит CaMg(C0 3) 2 , магнезит MgC0 3) и хлоридных минералов (карналлит KClMgCl 2 -6H 2 0). Большое количество магния содержится в морской воде (до 0,38% MgCl 2) и в воде некоторых озер (до 30% MgCl 2).
Кальций содержится в виде силикатов и алюмосиликатов в горных породах (граниты, гнейсы и др.), карбоната в виде кальцита СаС0 3 , смеси кальцита и доломита {мрамор), сульфата {ангидрит CaS0 4 и гипс CaS0 4 -2H 2 0) а также фторида {флюорит CaF 2) и фосфата {апатит Са 5 (Р0 4) 3) и др.
Важнейшие минералы стронция и бария: карбонаты {стронцианит SrC0 3 , витерит ВаС0 3) и сульфаты {целестин SrS0 4 , барит BaS0 4). Радий встречается в урановых рудах.
В промышленности бериллий, магний, кальций, стронций и барий получают :
- 1) электролизом расплавов хлоридов МеС1 2 , в которые для понижения температуры плавления добавляют NaCl или другие хлориды;
- 2) мсталло- и углетермическим методами при температурах 1000-1300°С.
Особо чистый бериллий получают зонной плавкой. Для получения чистого магния (99,999% Mg) технический магний многократно сублимируют в вакууме. Барий высокой чистоты получают алюминотермическим методом из ВаО.
Физические и химические свойства. В виде простых веществ это - блестящие серебристо-белые металлы, бериллий - твердый (им можно резать стекло), но хрупкий, остальные мягкие и пластичные. Особенностью бериллия является то, что он покрывается на воздухе тонкой оксидной пленкой, защищающей металл от действия кислорода даже при высоких температурах. Выше 800°С происходит окисление бериллия, а при температуре 1200°С металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок ВеО.
С увеличением порядкового номера элемента плотность, температуры плавления и кипения возрастают. Электроотрицательность элементов этой группы различна. Для Be она довольно высока (зе = 1,57), что обусловливает амфотерный характер его соединений.
Все металлы в свободном виде менее реакционноспособны по сравнению со щелочными металлами, но довольно активны (их также хранят под керосином в запаянных сосудах, а кальций обычно в плотно закрывающихся металлических банках).
Взаимодействие с простыми веществами. Химическая активность металлов увеличивается по подгруппе сверху вниз с ростом порядкового номера.
На воздухе они окисляются с образованием оксидов МеО, а стронций и барий при нагревании на воздухе до ~500°С образуют пероксиды Ме0 2 , которые при более высокой температуре разлагаются на оксид и кислород. Взаимодействие с простыми веществами представлено на схеме:
Все металлы активно взаимодейстуют с неметаллами: с кислородом они образуют оксиды MeO (Me = Be - Ra), с галогенами - галогениды, например хлориды МеС1 2 , с водородом - гидриды МеЫ 2 , с серой - сульфиды MeS, с азотом - нитриды Me 3 N 2 , с углеродом - карбиды (ацетилениды) МеС 2 , и т.д.
С металлами они образуют эвтектические смеси, твердые растворы и интерметаллические соединения. Бериллий с некоторыми d-элементами образует бериллиды - соединения переменного состава МеВе 12 (Me = Ti, Nb, Та, Mo), MeBe tl (Me = Nb, Та), характеризующиеся высокими температурами плавления и устойчивостью к окислению при нагревании до 1200- 1600°С.
Отношение к воде , кислотам и щелочам. Бериллий на воздухе покрыт оксидной пленкой, которая обусловливает его пониженную химическую активность и препятствует взаимодействию его с водой. Он проявляет амфотерные свойства, реагирует с кислотами и щелочами с выделением водорода. При этом образуются соли катионного и анионного типов:
Концентрированными холодными HN0 3 и H 2 S0 4 бериллий пассивируется.
Магний, как и бериллий, устойчив по отношению к воде. С холодной водой он взаимодействует очень медленно, так как образующийся Mg(OH) 2 плохо растворим; при нагревании реакция ускоряется за счет растворения Mg(OII) 2 . В кислотах он растворяется очень энергично. Исключение составляют HF и Н 3 Р0 4 , образующие с ним малорастворимые соединения. Со щелочами магний, в отличие от бериллия, не взаимодействует.
Металлы подгруппы кальция (щелочноземельные) реагируют с водой и разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода и образованием соответствующих гидроксидов и солей:
Со щелочами, аналогично магнию, не взаимодействуют. Свойства соединений элементов подгруппы НА. Соединения с кислородом . Оксид и гидроксид бериллия обладают амфотерным характером, остальные - основным. Хорошо растворимыми в воде основаниями являются Sr(OH) 2 и Ва(ОН) 2 , их относят к щелочам.
Оксид ВеО тугоплавок (? пл = 2530°С), обладает повышенной теплопроводностью и, после предварительно прокаливания при 400°С, химической инертностью. Обладает амфотерным характером, взаимодействует при сплавлении и с кислотными, и с основными оксидами, а также с кислотами и щелочами при нагревании, образуя соответственно соли бериллия и бериллаты:
Аналогичным образом ведет себя и соответствующий гидроксид бериллия Ве(ОН) 2 - не растворяясь в воде, он растворим и в кислотах, и в щелочах:
Для его осаждения применяют не щелочь, а слабое основание - гидроксид аммония:
Гидролиз солей бериллия протекает с образованием осадков малорастворимых основных солей, например:
Растворимы бериллаты только щелочных металлов.
Оксид MgO (жженая магнезия) - тугоплавкое (? пл = 2800°С) инертное вещество. В технике его получают термическим разложением карбоната:
Мелкокристаллический MgO, напротив, химически активен, является основным оксидом. Он взаимодействует с водой, поглощает С0 2 , легко растворяется в кислотах.
Оксиды щелочноземельных металлов получают в лаборатории термическим разложением соответствующих карбонатов или нитратов:
в промышленности - термическим разложением природных карбонатов. Оксиды энергично взаимодействуют с водой, образуя сильные основания, по силе уступающие лишь щелочам. В ряду Ве(ОН) 2 -> Са(ОН) 2 -> Sr(OH) 2 -> Ва(ОН) 2 усиливается основный характер гидроксидов, их растворимость и термическая устойчивость. Все они энергично взаимодействуют с кислотами с образованием соответствующих солей:
В отличие от солей бериллия, растворимые в воде соли щелочноземельных металлов и магния гидролизу по катиону не подвергаются.
Растворимость в воде солей элементов ПА-подгруппы различна. Хорошо растворимыми являются хлориды, бромиды, иодиды, сульфиды (Са - Ва), нитраты, нитриты (Mg - Ва). Малорастворимыми и практически нерастворимыми - фториды (Mg - Ва), сульфаты (Са - Ва), ортофосфаты, карбонаты, силикаты.
Соединения с водородом и неметаллами . Гидриды МеН 2 , нитриды Me 3 N 2 , карбиды (ацетилениды) МеС 2 неустойчивы, разлагаются водой с образованием соответствующих гидроксидов и водорода или водородных соединений неметаллов:
Применение. Бериллий легко образует сплавы со многими металлами, придавая им большую твердость, прочность, жаростойкость и коррозионную стойкость. Уникальными свойствами обладают бериллиевые бронзы (сплавы меди с 1-3% бериллия). В отличие от чистого бериллия, они хорошо поддаются механической обработке, из них можно, например, изготовить ленты толщиной всего 0,1 мм. Разрывная прочность этих бронз больше, чем у многих легированных сталей. При старении их прочность возрастает. Они немагнитные, обладают высокими показателями электро- и теплопроводности. Благодаря такому комплексу свойств они широко используются в авиационной и космической технике. В атомных реакторах бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов. В смеси с препаратами радия он служит источником нейтронов, образующихся при действии на Be альфа-частиц:
ВеО применяют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики.
Магний в основном используется для производства «сверхлегких» сплавов, в металлотермии - для производства Ti, Zr, V, U и др. Наиболее важный сплав магния - электрон (3-10% А1 2 0 3 , 2-3% Zn, остальное Mg), который благодаря его прочности и малой плотности (1,8 г/см 3) применяют в ракетной технике и авиастроении. Смеси порошка магния с окислителями применяются для осветительных и зажигательных ракет, снарядов, в фото- и осветительной технике. Жженую магнезию MgO применяют в производстве магния, в качестве наполнителя в производстве резины, для очистки нефтепродуктов, в производстве огнеупоров, строительных материалов и др.
Хлорид MgCl 2 применяется для получения магния, в производстве магнезиального цемента, который получают смешиванием предварительно прокаленного MgO с 30%-ным водным раствором MgCl 2 . Эта смесь постепенно превращается в белую твердую массу, устойчивую но отношению к кислотам и щелочам.
Основное применение металлического кальция - восстановитель при получении многих переходных металлов, урана, редкоземельных элементов (РЗЭ).
Карбид кальция СаС 2 - для производства ацетилена, СаО - при получении хлорной извести, Са(ОН) 2 , СаС0 3 , CaS0 4 H 2 0 - в строительстве. Са(ОН) 2 (известковое молоко , гашеная известь) применяется в качестве дешевого растворимого основания. Природные соединения кальция широко применяются в производстве вяжущих материалов для строительных растворов, для изготовления бетона, строительных деталей и конструкций. К вяжущим веществам относятся цементы , гипсовые материалы , известь и др. Гипсовые материалы - это прежде всего жженый гипс , или алебастр , - гидрат состава 2CaS0 4 H 2 0. Главное применение стронция и бария - газопоглотители в электровакуумных приборах. Раствор Ва(ОН) 2 (баритовая вода , едкий барит) - лабораторный реактив для качественной реакции на С0 2 . Титанат бария (BaTi0 3) - основной компонент диэлектриков, пьезо- и сегнето- электриков.
Токсичность элементов. Все соединения бериллия токсичны! Особенно опасна пыль бериллия и его соединений. Стронций и барий, являясь нервными и мышечными ядами, также обладают общей токсичностью. Соединения бария вызывают воспалительные заболевания головного мозга. Ядовитость солей бария весьма зависит от их растворимости. Практически нерастворимый сульфат бария (чистый) не ядовит, растворимые же соли: хлорид, нитрат, ацетат бария и др. - сильно токсичны (0,2-0,5 г хлорида бария вызывают отравление, смертельная доза - 0,8-0,9 г). Токсическое действие солей стронция сходно с действием солей бария. Оксиды кальция и других щелочноземельных металлов в виде пыли раздражают слизистые оболочки, а при попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги. Оксид стронция действует аналогично оксиду кальция, но значительно сильнее. Соли щелочноземельных металлов вызывают кожные заболевания.
Строение и свойства атомов . Бериллий Be, магний Mg и щёлочноземельные металлы: кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радий Ra - элементы главной подгруппы II группы (IIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешнем энергетическом уровне два электрона, которые они отдают при химических взаимодействиях, и поэтому являются сильнейшими восстановителями. Во всех соединениях они имеют степень окисления +2.
С увеличением порядкового номера сверху вниз в подгруппе восстановительные свойства элементов усиливаются, что связано с увеличением радиусов их атомов.
Радий - радиоактивный элемент, содержание его в природе невелико.
Бериллий, магний и щёлочноземельные металлы - простые вещества . Лёгкие серебристо-белые металлы, стронций имеет золотистый оттенок. Он значительно твёрже бария, барий же по мягкости напоминает свинец.
На воздухе при обычной температуре поверхность бериллия и магния покрывается защитной оксидной плёнкой. Щёлочноземельные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха более активно, поэтому их хранят под слоем керосина или в запаянных сосудах, как и щелочные металлы.
При нагревании на воздухе все рассматриваемые металлы (обозначим их М) энергично сгорают с образованием оксидов:
Реакция сжигания магния сопровождается ослепительной вспышкой, раньше её применяли при фотографировании объектов в тёмных помещениях. В настоящее время используют электрическую вспышку.
Бериллий, магний и все щёлочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами - хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды и нитриды:
При высоких температурах металлы главной подгруппы II группы (IIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева окисляются водородом до гидридов:
Гидриды - это твёрдые солеподобные соединения металлов с водородом, похожие на галогениды - соединения металлов с галогенами. Теперь, очевидно, вам стало понятно, почему водород находится и в главной подгруппе VII группы (VIIA группы).
Из всех металлов главной подгруппы II группы (IIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева только бериллий практически не взаимодействует с водой (препятствует защитная плёнка на его поверхности), магний реагирует с ней медленно, остальные металлы бурно взаимодействуют с водой при обычных условиях (рис. 54):
Рис. 54.
Взаимодействие с водой металлов главной подгруппы II группы (IIА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева
Подобно алюминию, магний и кальций способны восстанавливать редкие металлы - ниобий, тантал, молибден, вольфрам, титан и др. - из их оксидов, например:
Такие способы получения металлов по аналогии с алюминотермией называют магниетермией и кальциетермией.
Магний и кальций применяют для производства редких металлов и лёгких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций - один из компонентов свинцовых сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек кабелей.
Соединения бериллия, магния и щёлочноземельных металлов . В природе щёлочноземельные металлы, как и щелочные металлы, находятся только в форме соединений вследствие своей высокой химической активности.
Оксиды МО - твёрдые белые тугоплавкие вещества, устойчивые к воздействию высоких температур. Проявляют основные свойства, кроме оксида бериллия, имеющего амфотерный характер.
Оксид магния малоактивен в реакции с водой, все остальные оксиды очень бурно взаимодействуют с ней:
МО + Н 2 O = М(ОН) 2 .
Оксиды получают обжигом карбонатов:
МСO 3 = МО + СO 2 .
В технике оксид кальция СаО называют негашёной известью, a MgO - жжёной магнезией. Оба этих оксида используют в производстве строительных материалов.
Лабораторный опыт № 15
Получение гидроксида кальция и исследование его свойств
Гидроксиды щёлочноземельных металлов относятся к щелочам. Их растворимость в воде увеличивается в ряду
Са(ОН) 2 → Sr(OH) 2 → Ва(ОН) 2 .
Эти гидроксиды получают взаимодействием соответствующего оксида с водой.
Реакция оксида кальция с водой сопровождается выделением большого количества теплоты и называется гашением извести (рис. 55), а образующийся Са(ОН)2 - гашёной известью:
СаО + Н 2 O = Са(ОН) 2 .
Рис. 55.
Гашение извести
Прозрачный раствор гидроксида кальция называют известковой водой, а белую взвесь Са(ОН) 2 в воде - известковым молоком. Гашёную известь широко используют в строительстве. Известковое молоко применяют в сахарной промышленности для очистки свекловичного сока.
Соли бериллия, магния и щёлочноземельных металлов получают взаимодействием их с кислотами. Галогениды (фториды, хлориды, бромиды и иодиды) этих металлов - белые кристаллические вещества, большинство из них растворимо в воде. Из сульфатов хорошо растворимы в воде только сульфаты бериллия и магния. Растворимость сульфатов элементов главной подгруппы II группы Периодической системы Д. И. Менделеева уменьшается от BeSO 4 к BaSO 4 . Карбонаты этих металлов малорастворимы или нерастворимы в воде.
Сульфиды щёлочноземельных металлов, содержащие в малых количествах примеси тяжёлых металлов, после предварительного освещения начинают светиться различными цветами - красным, оранжевым, голубым, зелёным. Они входят в состав специальных светящихся красок, которые называют фосфорами. Их используют для изготовления светящихся дорожных знаков, циферблатов часов и других изделий.
Рассмотрим наиболее важные соединения элементов главной подгруппы II группы (IIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева.
СаСО 3 - карбонат кальция - одно из самых распространённых на Земле соединений. Вам хорошо известны такие содержащие его минералы, как мел, мрамор, известняк (рис. 56).
Рис. 56.
Природные соединения кальция: а - мел; б - мрамор; в - известняк; г - кальцит
Мрамор - это минерал скульпторов, архитекторов и облицовщиков. Из него создавали свои прекрасные творения многие скульпторы (рис. 57).
Рис. 57.
Скульптура М. М. Антокольского «Царь Иоанн Васильевич Грозный» изготовлена из мрамора
Стены всемирно известного индийского мавзолея Тадж-Махал выложены из мрамора (рис. 58), им же облицованы многие станции московского метро (рис. 59).
Рис. 58.
Тадж-Махал - мавзолей-мечеть, находящийся в Агре (Индия), выполнен из мрамора
Рис. 59.
Станция московского метрополитена «Трубная» отделана мрамором
Однако самый важный из этих минералов - известняк, без которого не обходится ни одно строительство. Во-первых, он сам является прекрасным строительным камнем (вспомните знаменитые одесские катакомбы - бывшие каменоломни, в которых добывали камень для строительства города), во-вторых, это сырьё для получения других материалов: цемента, гашёной и негашёной извести, стекла и др.
Известковой щебёнкой укрепляют дороги, а порошком уменьшают кислотность почв.
Природный мел представляет собой остатки раковин древних животных. Один из примеров его использования - это школьные мелки, зубные пасты. Мел применяют в производстве бумаги, резины, побелки.
MgCO 2 - карбонат магния, необходим в производстве стекла, цемента, кирпича, а также в металлургии для перевода пустой породы, т. е. не содержащей соединения металла, в шлак.
CaSO 4 - сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса CaSO 4 2Н 2 O, представляющего собой кристаллогидрат. Используют в строительстве, в медицине для наложения фиксирующих гипсовых повязок, получения слепков (рис. 60). Для этого применяют полуводный гипс 2CaSO 4 Н 2 O - алебастр, который при взаимодействии с водой образует двуводный гипс:
2CaSO 4 Н 2 O + ЗН 2 O = 2(CaSO 4 2Н 2 O).
Эта реакция идёт с выделением теплоты.
Рис. 60.
Гипс применяется:
в медицине для изготовления гипсовых повязок (1), искусственных облицовочных и отделочных камней (2), в строительстве для изготовления скульптур и скульптурных элементов (3), гипсокартона (4)
MgSO 4 - сульфат магния, известный под названием горькая, или английская, соль, используют в медицине в качестве слабительного средства. Содержится в морской воде и придаёт ей горький вкус.
BaSO 4 - сульфат бария, благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяют в рентгенодиагностике («баритовая каша») для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта (рис. 61).
Рис. 61. «Баритовую кашу» используют в медицине для рентгенодиагностики
Са 3 (РO 4) 2 - фосфат кальция, входит в состав фосфоритов (горная порода) и апатитов (минерал), а также в состав костей и зубов. В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция в виде соединения Са 3 (РO 4) 2 .
Кальций имеет важное значение для живых организмов, это материал для постройки костного скелета. Он играет существенную роль в процессах жизнедеятельности: ионы кальция необходимы для работы сердца, участвуют в процессах свёртывания крови.
На долю кальция приходится более 1,5% массы тела человека, 98% кальция содержится в костях. Однако кальций необходим не только при формировании скелета, но и для работы нервной системы.
Человек должен получать в день 1,5 г кальция. Наибольшие количества кальция содержатся в сыре, твороге, петрушке, салате.
Магний также является необходимым биоэлементом, играя роль стимулятора обмена веществ, содержится в печени, костях, крови, нервной ткани и мозге. Магния в человеческом организме намного меньше, чем кальция, - всего около 40 г. Магний входит в состав хлорофилла, а следовательно, участвует в процессах фотосинтеза. Без хлорофилла не было бы жизни, а без магния - хлорофилла, ведь в нём содержится 2% этого элемента.
Соли щёлочноземельных металлов окрашивают пламя в яркие цвета, поэтому эти соединения добавляют в составы для фейерверков (рис. 62).
Рис. 62.
Соли щёлочноземельных металлов добавляют в составы для фейерверков
Открытие магния и кальция . Магний был впервые получен Г. Дэви в 1808 г. из белой магнезии - минерала, найденного близ греческого города Магнезия. По названию минерала и дали название простому веществу и химическому элементу.
Полученный Г. Дэви металл был загрязнён примесями, а чистый магний получил француз А. Бюсси в 1829 г.
Кальций был впервые получен также Г. Дэви в 1808 г. Название элемента происходит от латинского слова кальс, что означает «известь, мягкий камень».
Новые слова и понятия
- Строение атомов бериллия и магния, щёлочноземельных металлов.
- Химические свойства бериллия, магния и щёлочноземельных металлов: образование оксидов, хлоридов, сульфидов, нитридов, гидридов и гидроксидов.
- Магниетермия и кальциетермия.
- Оксиды кальция (негашёная известь) и магния (жжёная магнезия). 5. Гидроксиды кальция (гашёная известь, известковая вода, известковое молоко) и других щёлочноземельных металлов.
- Соли: карбонаты кальция (мел, мрамор, известняк) и магния; сульфаты (гипс, горькая соль, «баритовая каша»); фосфаты.
К понятию щелочноземельных металлов относится часть элементов II группы системы Менделеева: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий. Четыре последних металла имеют наиболее ярко выраженные признаки щелочноземельной классификации, поэтому в некоторых источниках бериллий и магний не включают в список, ограничиваясь четырьмя элементами.
Свое название металла получили благодаря тому, что при взаимодействии их оксидов с водой образуется щелочная среда. Физические свойства щелочноземельных металлов: все элементы имеют серый металлический цвет, при нормальных условиях имеют твердую структуру, с ростом порядкового номера увеличивается их плотность, имеют очень высокую температуру плавления. В отличие от щелочных металлов, элементы данной группы не режутся ножом (за исключением стронция). Химические свойства щелочноземельных металлов: имеют два валентных электрона, активность растет с повышением порядкового номера, в реакциях выступают в качестве восстановителя.
Характеристика щелочноземельных металлов свидетельствует об их высокой активности. В особенности это относится к элементам с большим порядковым номером. Например, бериллий в нормальных условиях не ступает во взаимодействие с кислородом и галогенами. Для запуска механизма реагирования его необходимо нагреть до температуры свыше 600 градусов по Цельсию. Магний в нормальных условиях имеет на поверхности оксидную пленку и также не реагирует с кислородом. Кальций окисляется, но достаточно медленно. А вот стронций, барий и радий окисляются практически мгновенно, поэтому их хранят в безкислородной среде под керосиновым слоем.
Все оксиды усиливают основные свойства с ростом порядкового номера металла. Гидроксид бериллия представляет собой амфотерное соединение, которое не реагирует с водой, но хорошо растворяется в кислотах. Гидроксид магния является слабой щелочью, нерастворимой в воде, но реагирующей с сильными кислотами. Гидроксид кальция - сильное, малорастворимое в воде основание, реагирующее с кислотами. Гидроксиды бария и стронция относятся к сильным основаниям, хорошо растворимым в воде. А гидроксид радия - это одна из сильнейших щелочей, которая хорошо реагирует с водой и практически всеми видами кислот.
Способы получения
Получают гидроксиды щелочноземельных металлов путем воздействия воды на чистый элемент. Реакция протекает при комнатных условиях (кроме бериллия, для которого требуется повышение температуры) с выделением водорода. При нагревании все щелочноземельные металлы реагируют с галогенами. Полученные соединения используются в производстве большого ассортимента продукции от химических удобрений до сверхточных деталей микропроцессора. Соединения щелочноземельных металлов проявляют такую же высокую активность, как и чистые элементы, поэтому их используют во многих химических реакциях.
Чаще всего это происходит при реакциях обмена, когда необходимо вытеснить из вещества менее активный металл. В окислительно-восстановительных реакциях принимают участие в качестве сильного восстановителя. Двухвалентные катионы кальция и магния придает воде так называемую жесткость. Преодоление этого явления происходит путем осаждения ионов при помощи физического воздействия или добавления в воду специальных смягчающих веществ. Соли щелочноземельных металлов образуются путем растворения элементов в кислоте либо в результате реакций обмена. Полученные соединения имеют прочную ковалентную связь, поэтому обладают невысокой электропроводностью.
В природе щелочноземельные металлы не могут находиться в чистом виде, так как быстро вступают во взаимодействие с окружающей средой, образую химические соединения. Они входят в состав минералов и горных пород, содержащихся в толще земной коры. Наиболее распространен кальций, немного уступает ему магний, довольно часто встречаются барий и стронций. Бериллий относится к редким металлам, а радий - к очень редким. За все время, которое прошло с момента открытия радия, во всем мире было добыто всего полтора килограмма чистого металла. Как и большинство радиоактивных элементов, радий имеет изотопы, коих у него насчитывается четыре штуки.
Получают щелочноземельные металлы путем разложения сложных веществ и выделения из них чистого вещества. Бериллий добывают путем восстановления его из фторида при воздействии высокой температуры. Барий восстанавливает из его оксида. Кальций, магний и стронций получают путем электролиза их хлоридного расплава. Сложнее всего синтезировать чистый радий. Его добывают путем воздействия на урановую руду. По подсчетам ученых в среднем на одну тонну руды приходится 3 грамма чистого радия, хотя встречаются и богатые месторождения, в которых содержится целых 25 грамм на тонну. Для выделения металла используются методы осаждения, дробной кристаллизации и ионного обмена.
Применение щелочноземельных металлов
Спектр применения щелочноземельных металлов очень обширен и охватывает многие отрасли. Бериллий в большинстве случаев используется в качестве легирующей добавки в различные сплавы. Он повышает твердость и прочность материалов, хорошо защищает поверхность от воздействия коррозии. Также благодаря слабому поглощению радиоактивного излучения бериллий используется при изготовлении рентгеновских аппаратов и в ядерной энергетике.
Магний используют как один из восстановителей при получении титана. Его сплавы отличаются высокой прочностью и легкостью, поэтому используются при производстве самолетов, автомобилей, ракет. Оксид магния горит ярким ослепительным пламенем, что нашло отражение в военном деле, где он используется для изготовления зажигательных и трассирующих снарядов, сигнальных ракет и светошумовых гранат. Является одним из важнейших элементов для регуляции нормального процесса жизнедеятельности организма, поэтому входит в состав некоторых лекарств.
Кальций в чистом виде практически не применяют. Он нужен для восстановления других металлов из их соединений, а также в производстве препаратов для укрепления костной ткани. Стронций используют для восстановления других металлов и в качестве основного компонента для производства сверхпроводящих материалов. Барий добавляют во многие сплавы, которые предназначены для работы в агрессивной среде, так как он обладает отличными защитными свойствами. Радий используется в медицине для кратковременного облучения кожи при лечении злокачественных образований.
Щелочноземельные металлы представляют собой элементы, которые относятся ко второй группе периодической таблицы. Сюда можно отнести такие вещества, как кальций, магний, барий, бериллий, стронций и радий. Название этой группы свидетельствует о том, что в воде они дают щелочную реакцию.
Щелочные и щелочноземельные металлы, а точнее их соли, широко распространены в природе. Они представлены минералами. Исключением является радий, который считается довольно редким элементом.
Все вышеперечисленные металлы имеют некоторые общие качества, которые и позволили объединить их в одну группу.
Щелочноземельные металлы и их физические свойства
Практически все эти элементы представляют собой твердые вещества сероватого цвета (по крайне мере, при нормальных условиях и Кстати, физические свойства немного отличаются — эти вещества хотя и довольно стойкие, но легко поддаются воздействию.
Интересно, что с порядковым номером в таблице растет и такой показатель металла, как плотность. Например, в этой группе наименьшим показателем обладает кальций, в то время как радий по плотности сходен с железом.
Щелочноземельные металлы: химические свойства
Для начала стоит отметить, что химическая активность возрастает согласно порядковому номеру таблицы Менделеева. Например, бериллий является довольно стойким элементом. В реакцию с кислородом и галогенами вступает лишь при сильном нагревании. То же касается и магния. А вот кальций способен медленно окисляться уже при комнатной температуре. Остальные три представителя группы (радий, барий и стронций) быстро реагируют с кислородом воздуха уже при комнатной температуре. Именно поэтому хранят эти элементы, покрывая слоем керосина.
Активность оксидов и гидроксидов этих металлов возрастает по той же схеме. Например, гидроксид бериллия не растворяется в воде и считается амфотерным веществом, а считается довольно сильной щелочью.
Щелочноземельные металлы и их краткая характеристика
Бериллий представляет собой стойкий металл светло-серого цвета, обладающий высокой токсичностью. Впервые элемент был обнаружен еще в 1798 году химиком Вокленом. В природе существует несколько минералов бериллия, из которых самыми известными считаются следующие: берилл, фенакит, даналит и хризоберилл. Кстати, некоторые изотопы бериллия обладают высокой радиоактивностью.
Интересно, что некоторые формы берилла являются ценными ювелирными камнями. Сюда можно отнести изумруд, аквамарин и гелиодор.
Бериллий используют для изготовления некоторых сплавов, В этот элемент применяют для замедления нейтронов.
Кальций является одним из самых известных щелочноземельных металлов. В чистом виде он представляет собой мягкое вещество белого цвета с серебристым оттенком. Впервые чистый кальций был выделен в 1808 году. В природе этот элемент присутствует в форме таких минералов, как мрамор, известняк и гипс. Кальций широко применяется в современных технологиях. Его используют как химический источник топлива, а также в качестве огнеустойчивого материала. Ни для кого не секрет, что соединения кальция используются при производстве строительных материалов и лекарственных средств.
Этот элемент также содержится в каждом живом организме. В основном, он отвечает за работу двигательного аппарата.
Магний представляет собой легкий и достаточно ковкий металл с характерным сероватым цветом. В чистом виде был выделен в 1808 году, но его соли стали известными намного раньше. В магний содержится в таких минералах, как магнезит, доломит, карналлит, кизерит. Кстати, соль магния обеспечивает Огромное количество соединений этого вещества можно найти в морской воде.
S-элементы 2 группы
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. К щелочноземельным металлам обычно
относят кальций, стронций и барий, поскольку их оксиды (земли) при
растворении в воде дают щелочи. Оксиды бериллия и магния в воде не
растворяются. Иногда и все металлы из 2А группы называют
щелочноземельными. На внешнем уровне атомы имеют 2 электрона (Be -
2s2, Mg - 3s2, Ca - 4s2 и т.д.).
При возбуждении s-электроны переходят на р-
подуровень и тогда возможно образование двух связей
(валентность равна двум). В соединениях металлы
проявляют степень окисления +2.
1. Щелочноземельные металлы сильные восстановители, хотя и
уступают щелочным металлам. Восстановительные свойства растут
сверху вниз, что совпадает с увеличением атомных радиусов (Be - 0,113
нм, Ba - 0,221 нм) и ослаблением связи электронов с ядром. Так, Ве и Mg
разлагают воду очень медленно, а Са, Sr, Ва бурно.
2. На воздухе Be и Mg покрываются защитной пленкой и сгорают при
только при поджигании, тогда как Ca, Sr, Ba самовоспламеняются при
контакте с воздухом.
3. Оксиды Be и Mg нерастворимы в воде и гидроксиды Be и Mg
получают косвенным путем, тогда как оксиды Ca, Sr, Ba cоединяясь с
водой, образуют гидроксиды. Оксид бериллия имеет амфотерные
свойства, остальные оксиды - основные свойства.
4. Be(OH)2 и Mg(OH)2 почти нерастворимы в воде (0,02 и 2 мг на 100 г).
Растворимость Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2 составляет 0,1, 0,7 и 3,4 г. При
этом Be(OH)2 - амфотерный гидроксид, Mg(0H)2, - слабое основание,
Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(0H)2 - сильные основания.
5. Галогениды хорошо растворимы в воде, но растворимость
сульфатов падает сверху вниз. Так, в 100 г воды растворяется 35,6 г
MgSO4, но только 0,2 г CaSO4, 0,01 г SrSO4 и 0,0002 г BaSO4.
6. Растворимость карбонатов снижается сверху вниз. MgCO3 - 0,06 г на
100 г воды, ВаСО3 всего - 0,002г. Термическая устойчивость карбонатов
растет сверху вниз: Если BeCO3 разлагается при 100о, MgCO3 - при 350о, то
СаСО3 - при 900о, SrCO3 - 1290о BaCO3 - при 1350о.
БЕРИЛЛИЙ - имеет более выраженные ковалентные
(неметаллические) свойства, чем другие элементы 2А группы. И сам
бериллий, его оксид и гидроксид имеют амфотерные свойства.
Ве + 2НСl = BeCl2 + H2 Вe + 2KOH + 2H2O = K2 + H2
BeO + 2HCl = BeCl2 + H2O BeO + 2KOH + H2O = K2
Be(OH)2 + 2HCl = BeCl2 + 2H2O Be(OH)2 + 2KOH = K2
Магний и кальций
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ . Содержание магния и кальция в земной коре 2,1
и 3,6%. Минералы магния - MgCO3. CaCO3 - доломит, MgCO3 - магнезит, KCl .
6H2O - карналлит; MgSO4
KCl . 3H2O - каинит. Минералы кальция :
CaCO3 - кальцит (известняк, мел, мрамор), СaSO4
2H2O - гипс, Ca3(PO4)2 -
фосфорит, 3Ca3(PO4)2
CaF2 - апатит.
Магний и кальций - серебристо-белые металлы плавятся при 651 и
851о С. Кальций и его соли окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.
ПОЛУЧЕНИЕ. Кальций и магний получают электролизом расплава
хлорида кальция или хлорида магния или алюмотермическим методом.
электролиз to
СaCl2 Ca + Cl2 4CaO + 2Al = 3Ca + CaO . Al2O3
Химические свойства кальция и магния.
В соединениях оба металла проявляют степень окисления +2. При
этом кальций более активен, чем магний, хотя и уступает стронцию и
1. Взаимодействие с кислородом идет с воспламенением и
выделением тепла и света.
Mg + O2 = 2MgO; 2Ca + O2 = 2CaO
2. Взаимодействие с галогенами. Фтор соединяется с Са и Mg
непосредственно, остальные галогены только при нагревании.
Mg + Cl2 = MgCl2; Ca + Br2 = CaBr2
3. При нагревании Са и Mg образует с водородом гидриды, которые
легко гидролизуются и окисляются. to to
Mg + Н2 = MgН2 ; Ca + Н2 = CaН2
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2H2; CaН2 + О2 = СаО + Н2О
4. При нагревании оба металла взаимодействуют с другими
неметаллми:
Mg + S = MgS; 3Ca + N2 = Ca3N2; 3Mg + 2P = Mg3P2
3Ca + 2As = Mg3As2; Ca + 2C = CaC2; Mg + 2C = MgC2
Нитриды, сульфиды и карбиды кальция и магния подвержены
гидролизу:
Ca3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3 ; CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 +
5. Бериллий и магний с водой и спиртами взаимодействуют только
при нагревании, тогда как кальций бурно вытесняет из них
Mg + H2O = MgO + H2; Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
Са + 2С2Н5ОН = Са(С2Н5О)2 + Н2
6. Магний и кальций отнимают кислород у оксидов менее активных
металлов.
CuO + Mg = Cu + MgO; MoO3 + 3Ca = Mo + 3CaO
7. Из кислот-неокислителей магний и кальций вытесняют водород,
а кислоты-окислители эти металлы глубоко восстанавливают.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2; Ca + 2CH3COOH = Ca(CH3COO)2 + H2
3Mg + 4H2SO4к = 3MgSO4 + S + 4H2O; 4Ca + 10HNO3к= 4Ca(NO3)2 + N2O
4Ca + 10HNO3оч.разб. = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
8. Кальций и магний легко окисляются растворами окислителей:
5Mg + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5MgSO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
Са + K2Cr2O7 + 7H2SO4 = 3СаSO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Оксиды гидроксиды кальция и магния.
Оксид магния - MgO - белый порошок, тугоплавкий (огнеупор),
нерастворимый в воде и кислотах и только аморфная форма оксида
магния медленно взаимодействует с кислотами. Получают оксид магния
нагреванием гидроксида магния.
MgO (аморфный) + 2HCl = MgCl2 + H2O; Mg(OH)2 = MgO + H2O
Гидроксид магния - Mg(OH)2 - малорастворимое и
малодиссоциирующее основание. Получают действием щелочей на соли
магния. При пропускании диоксида углерода через его раствор выпадает
осадок карбоната магния, который в дальнейшем растворяется при
избытке СО2.
MgCl2 + 2KOH = Mg(OH)2 + 2KCl MgCl2 + 2NH4OH = Mg(OH)2 + 2NH4Cl
Mg(OH)2 + CO2 = MgCO3 + H2O MgCO3 + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2
Оксид кальция - СаО - негашенная известь. Белое тугоплавкое
вещество с выраженными основными свойствами (образует с водой
гидроксид, реагирует с кислотными оксидами, кислотами и амфотерными
оксидами).
СаО + Н2О = Са(ОН)2 СаО + СО2 = СаСО3 СаО + 2НCl = CaCl2
СaO + Al2O3 = Ca(AlO2)2 CaO + Fe2O3 = Ca(FeO2)2
Получают обжигом известняка или восстановлением сульфата
СаСО3 = СаО + СО2; 2СаSO4 + 2C = 2CaO + 2SO2 + CO2
Гидроксид кальция Са(ОН)2 - гашеная известь (пушенка), получают
при взаимодействии оксида кальция с водой. Сильное основание, кроме
того растворяет некоторые неметаллы и амфотерные металлы.
Са(ОН)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O Ca(OH)2 + SO3 = CaSO4 +
3Ca(OH)2 2FeCl3 = 2Fe(OH)3+ 3CaCl2 2NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + NH3
2Са(ОН)2 + Сl2 = CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O Са(ОН)2 + 2Al + 2H2O =
Гашеная известь входит в состав строительного раствора.
Затвердение основано на реакциях:
Ca(OH)2 + СO2 = CaCO3 + H2O; Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O
из воздуха песок
При пропускании диоксида углерода через раствор Ca(OH)2
(известковую воду) выпадает осадок карбоната кальция, который при
дальнейшем пропускании СО2 растворяется вследствие образования
растворимого гидрокарбоната кальция.
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О; СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2
