Щелочноземельные элементы

Щелочноземельные металлы

Щелочноземельныеметаллы (по сравнению со щелочнымиметаллами) обладают более высокимиt╟пл.и t╟кип.,потенциалами ионизации, плотностями итвердостью.

Химическиесвойства

1. Оченьреакционноспособны.

2. Обладаютположительной валентностью +2.

3. Реагируют с водойпри комнатной температуре (кроме Be)с выделением водорода.

4. Обладают большимсродством к кислороду (восстановители).

5. С водородомобразуют солеобразные гидриды ЭH2.

6. Оксиды имеютобщую формулу ЭО. Тенденция к образованиюпероксидов выражена слабее, чем длящелочных металлов.

Mg

MgCO3 магнезит

CaCO3∙ MgCO3 доломит

KCl∙ MgSO4∙ 3H2O каинит

KCl∙ MgCl2∙ 6H2O карналлит

Ca

CaCO3 кальцит (известняк, мрамор и др.)

Ca3(PO4)2 апатит, фосфорит

CaSO4∙ 2H2O гипс

CaSO4 ангидрит

CaF2плавиковый шпат (флюорит)

Sr

SrSO4 целестин

SrCO3 стронцианит

Ba

BaSO4 барит

BaCO3 витерит

Получение

Бериллий получаютвосстановлением фторида:

BeF2+Mg═ t═Be + MgF2

Барий получаютвосстановлением оксида:

3BaO + 2Al═t═3Ba + Al2O3

Остальные металлыполучают электролизом расплавовхлоридов:

CaCl2= Ca + Cl2╜

катод:Ca2++ 2ē = Ca0

анод: 2Cl— 2ē = Cl02

MgO+ C = Mg + CO

Металлы главнойподгруппы IIгруппы — сильные восстановители; всоединениях проявляют только степеньокисления +2. Активность металлов и ихвосстановительная способностьувеличивается в ряду: BeMgCaSrBa╝

1. Реакция с водой.

В обычных условияхповерхность Beи Mgпокрыты инертной оксидной пленкой,поэтому они устойчивы по отношению кводе. В отличие от них Ca,Srи Baрастворяются в воде с образованиемгидроксидов, которые являются сильнымиоснованиями:

Mg+ 2H2O═t═Mg(OH)2+ H2

Ca + 2H2O= Ca(OH)2+ H2╜

2. Реакция скислородом.

Все металлы образуютоксиды RO,барий-пероксид BaO2:

2Mg + O2= 2MgO

Ba + O2=BaO2

3. С другиминеметаллами образуются бинарныесоединения:

Be + Cl2= BeCl2(галогениды)

Ba + S = BaS (сульфиды)

3Mg + N2= Mg3N2(нитриды)

Ca + H2= CaH2(гидриды)

Ca + 2C =CaC2(карбиды)

3Ba + 2P =Ba3P2(фосфиды)

Бериллий и магнийсравнительно медленно реагируют снеметаллами.

4. Все металлырастворяются в кислотах:

Ca + 2HCl =CaCl2+ H2╜

Mg +H2SO4(разб.)= MgSO4+ H2╜

Бериллий такжерастворяется в водных растворах щелочей:

Be + 2NaOH +2H2O= Na2[Be(OH)4]+ H2╜

5. Качественнаяреакция на катионы щелочноземельныхметаллов — окрашивание пламени в следующиецвета:

Ca2+- темно-оранжевый

Sr2+-темно-красный

Ba2+- светло-зеленый

Катион Ba2+обычно открывают обменной реакцией ссерной кислотой или ее солями:

Сульфат бария -белый осадок, нерастворимый в минеральныхкислотах.

Жесткостьводы

Природная вода,содержащая ионы Ca2+и Mg2+,называется жесткой. Жесткая вода прикипячении образует накипь, в ней неразвариваются пищевые продукты; моющиесредства не дают пены.

Карбонатная(временная) жесткость обусловленаприсутствием в воде гидрокарбонатовкальция и магния, некарбонатная(постоянная) жесткость — хлоридов исульфатов.

Общая жесткостьводы рассматривается как сумма карбонатнойи некарбонатной.

Удаление жесткостиводы осуществляется путем осажденияиз раствора ионов Ca2+и Mg2+:

1) кипячением:

Сa(HCO3)2═t═CaCO3¯+ CO2+ H2O

Mg(HCO3)2═t═ MgCO3¯+ CO2+ H2O

2) добавлениемизвесткового молока:

Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2= 2CaCO3¯+ 2H2O

3)добавлением соды:

Ca(HCO3)2+ Na2CO3= CaCO3¯+2NaHCO3

CaSO4+ Na2CO3= CaCO3¯+ Na2SO4

MgCl2+ Na2CO3= MgCO3¯+ 2NaCl

Для удалениявременной жесткости используют всечетыре способа, а для постоянной — толькодва последних.

Термическоеразложение нитратов.

Э(NO3)2 =t= ЭO+ 2NO2 + 1/2O2

Особенности химиииберилия.

Be(OH)2 +2NaOH (изб)= Na2[Be(OH)4]

Al(OH)3 +3NaOH (изб)= Na3[Al(OH)6]

Be+ 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2

Al + 3NaOH + 3H2O = Na3[Be(OH)4] + 3/2H2

Be,Al+ HNO3(Конц) = пассивация

Урок 9. Щелочные и щёлочноземельные металлы – HIMI4KA

Самоучитель по химии › Неорганическая химия

• Щелочные металлы
• Щелочноземельные металлы
• Выводы

Щелочные металлы — это элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Менделеева (ПСМ) (кроме водорода).

Задание 9.1. Назовите все щелочные металлы. Составьте схемы строения атомов натрия и калия. Укажите распределение их валентных электронов.

На внешнем уровне у атомов таких металлов находится по 1 электрону, но расстояние до ядра, а значит, и притяжение к нему, у этих электронов различно.

Вопрос. У какого элемента (натрия или калия) внешние электроны дальше от ядра?

Чем дальше электроны от ядра, тем слабее они притягиваются к нему, тем легче данный атом отдаёт электроны.

А это означает, что металлические свойства выражены тем ярче, чем дальше валентные электроны от ядра (при прочих равных условиях).

Вопрос. Какой металл более активный: натрий или калий?

Таким образом, активность щелочных металлов возрастает

Но поскольку на внешнем уровне любого щелочного металла находится один электрон, в любой химической реакции щелочные металлы могут отдать только один электрон. Значит, они имеют постоянную валентность I и образуют оксиды состава

Этот оксид растворяется в воде, реагирует с нею:

Полученное основание — щёлочь.

Вопрос. Что такое щёлочь? (См. урок 2.3.)

В подгруппе сверху вниз увеличивается и сила оснований, т. е. способность диссоциировать в водных растворах на ионы. Самой сильной щёлочью является CsOH.

Растворы щелочей мылкие на ощупь, разъедают кожу и ткани (щёлочи — едкие!), изменяют окраску индикаторов. Поскольку все металлы главной подгруппы I группы образуют щёлочи, — их называют «щелочные металлы».

Рассмотрим свойства щелочных металлов на примере натрия. При этом будем придерживаться схемы, изложенной начале второй части.

Строение атома Nа изображается схемой:

Имея один валентный электрон (…3s1), натрий является активным металлом с постоянной валентностью I:

Простое вещество «натрий» — очень лёгкий (легче воды) серебристо-белый металл, который легко режется ножом. Натрий активно реагирует с кислородом, водородом, неметаллами, водой:

Вопрос. Почему атом серы присоединил 2 электрона?

Задание 9.2. Составьте уравнения реакций натрия с хлором Cl2, азотом N2 и водой (при затруднениях см. пояснения в уроке 7).

Даже небольшие кусочки натрия (величиной с горошину) при попадании в воду вызывают оглушительный взрыв — это взрывается водород (см. урок 12). Тот же эффект будет, если натрий опустить в раствор кислоты или соли. Кроме того, здесь возможны более сложные побочные процессы. Поэтому составлять уравнения реакций для щелочных металлов в качестве примеров процессов

• металл + раствор кислоты →
• металл + раствор соли →

не рекомендуется.

Натрий образует основный оксид Nа2O, который реагирует с водой, с кислотами и кислотными оксидами (см. урок 2.1), например:

Задание 9.3. Составьте уравнения реакций оксида натрия с водой и с серной кислотой.

Гидроксид натрия NaOH (едкий натр, каустическая сода) проявляет все свойства щелочей: реагирует с кислотными оксидами, кислотами, растворами солей (см. урок 2.3), например:

Все соединения натрия окрашивают пламя в жёлтый цвет. Это качественная реакция на соединения натрия.

Задание 9.4. Составьте уравнения реакций гидроксида натрия с хлоридом железа III, фосфорной кислотой, оксидом серы IV. (При затруднениях см. урок 2.3.)

Задание 9.5. Опишите по разобранной схеме свойства калия и его соединений.

Многие соединения натрия нашли применение в быту и промышленности. Так, каустическая сода NаОН применяется для получения мыла, в производстве алюминия, искусственных волокон и др. Кальцинированная сода Na2CO3 также применяется при получении мыла, а также при варке стекла, стирке белья и др.

Эти вещества применяются и в технических целях.

Щелочноземельные металлы

Металлы главной подгруппы II группы в отличие от щелочных металлов имеют довольно разные свойства.

Вопросы

1. Сколько электронов на внешнем уровне атомов этих металлов?
2. Какой металл более активен: натрий или магний? Почему?

Эти металлы имеют на внешнем уровне по 2 электрона, следовательно, они менее активны, чем их «соседи» — щелочные металлы, так как на отрыв двух электронов нужно затратить больше энергии, чем на отрыв одного электрона.

Вопрос. Как изменяется активность металлов в подгруппе сверху вниз? Почему?

В этой подгруппе, как и у щелочных металлов, сверху вниз увеличивается сила оснований, т. е. способность диссоциировать в водных растворах на ионы. Кроме того, увеличивается заряд иона, а значит, усиливается притяжение группы ОН в гидроксиде металла: ионы Na+ и OH– притягиваются слабее, чем Са2+ и ОН–.

Поэтому первые два элемента этой подгруппы не образуют щелочей:

Кальций уже образует сильное основание — щёлочь, а стронцию и барию соответствуют ещё более сильные основания.

Запомните: Ca, Sr, Ba — щелочноземельные* металлы, так как их оксиды проявляют щелочные свойства.

* «Земли» — устаревшее название оксидов металлов, так как эти оксиды входят в состав земли (почвы).

Несмотря на эти различия, перечисленные элементы имеют много сходного в свойствах.

Вопрос. Какую валентность проявляют эти химические элементы в соединениях?

Главное сходство химических элементов главной подгруппы II группы заключается в том, что они проявляют в соединениях постоянную валентность II, так как на внешнем уровне имеют по два электрона, а на предвнешнем уровне нет незавершённых подуровней.

Рассмотрим свойства химических элементов главной подгруппы II группы на примере кальция. Строение атома кальция изображается схемой:

Имея два валентных электрона: …4s2, кальций является активным металлом, поскольку оба электрона расположены на внешнем уровне. Его постоянная валентность равна двум:

Простое вещество «кальций» — довольно прочный, серебристо-белый умеренно твёрдый металл. Активно реагирует с кислородом, водородом, неметаллами, водой, растворами кислот:

Рассмотрим как происходит взаимодействие кальция с азотом:

Вопрос. Почему атом азота присоединяет три электрона?

Задание 9.6. Составьте уравнения реакций кальция с кислородом, хлором (Cl2), серой, водой, соляной кислотой.

Этот процесс называется «гашением извести», а систему называют «кипелкой».

Вопрос. С какими ещё веществами может реагировать оксид кальция?

Как основный оксид CaO реагирует с кислотными оксидами и с кислотами:

• CaO + SO2 → СаSO3
• CaO + НNO3 → … (закончить уравнение этой реакции).

Гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашёная известь) проявляет все свойства щелочей.

Вопрос. С какими веществами могут реагировать щелочи? (При затруднении см. урок 2.3.)

Задание 9.7. Составить уравнения реакций:

• Са(ОН)2 + СO2 →
• Са(ОН)2 + H3PO4 →
• Са(ОН)2 + Na2CO3 →

Прозрачный раствор гидроксида кальция в воде называется известковой водой. Она мутнеет при пропускании через неё углекислого газа:

Этот эффект реакции считают качественным признаком того, что в данном растворе присутствуют ионы кальция. Убедиться в этом поможет также реакция с пламенем: все соединения кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.

Задание 9.8. Опишите по предложенной схеме свойства магния и его соединений.

Многие соединения кальция играют заметную роль в нашей жизни. Достаточно сказать, что фосфат кальция, карбонат кальция составляют основу костей, зубов. Без ионов кальция не может свертываться кровь. Без соединений кальция невозможно построить дом, так как известь (гашёная и негашёная) обеспечивает скрепление строительных блоков друг с другом:

Образование в результате этих реакций прочных нерастворимых карбонатов и силикатов кальция надёжно скрепляет стены. Аналогичные реакции происходят при схватывании цемента.

Оксид кальция в больших количествах получают обжигом известняка:

Карбонат кальция СаСО3 составляет основу мела, мрамора, известняка. Из него состоят целые горы и пласты земной коры. Под действием воды и углекислого газа из воздуха карбонат кальция переходит в водорастворимое состояние — гидрокарбонат кальция:

Аналогичные процессы происходят и с карбонатами магния. В результате этих и других процессов в природной воде появляются ионы кальция и магния.

Вода, содержащая ионы кальция и магния, называется ЖЁСТКОЙ.

Этот термин возник из-за того, что некоторые овощи и плоды под действием такой воды становятся жёсткими: ионы кальция и магния вступают в реакцию с органическими компонентами плодов и овощей.

Накипь, конечно, можно растворить при помощи соляной кислоты:

Задание 9.10. Можно ли растворить накипь при помощи серной, азотной, фосфорной кислот? Ответ подтвердите ионно-молекулярными уравнениями реакций.

Но лучше всего в случаях, когда жёсткость воды повышена, а это нежелательно, умягчать воду. Для этого ионы кальция и магния нужно перевести в нерастворимое состояние.

Вопрос. Умягчается ли вода при кипячении?

Частично вода умягчается при кипячении, так как при этом растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты. Но некоторые соли кальция и магния (сульфаты, хлориды) при нагревании не изменяются. В этом случае в воду добавляют вещества, образующие с ионами кальция и магния осадки.

Задание 9.11. Какие из солей: кальцинированная сода, фосфат натрия, поваренная соль — устраняют жёсткость воды? Ответ подтвердить ионными уравнениями реакций, считая, что в состав воды входит сульфат кальция.

Чаще всего для умягчения воды используют кальцинированную соду Na2CO3:

Кальцинированная сода входит в состав стиральных порошков, которые также содержат и фосфаты. Эти вещества «автоматически» смягчают воду при стирке.

Выводы

Щелочные металлы — это простые вещества, которые образованы элементами главной подгруппы первой группы. Это очень активные металлы, которые образуют с водой сильные растворимые основания — щёлочи.

Щелочноземельные металлы — это простые вещества, которые образованы некоторыми элементами главной подгруппы второй группы Ca, Sr, Ba. Это очень активные металлы, которые образуют с водой щёлочи. Ионы кальция и магния делают воду жёсткой.

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.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=2z6yO03uB4M

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.

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.