Изучение свойств щелочноземельных металлов и их соединений Основные теоретические положения
Элементы бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий составляют главную подгруппу второй группы. Групповое название элементов – щелочноземельные металлы.
Строение внешнего энергетического уровня атомов элементов II A группы выражается общей формулой ns2. С увеличением порядкового номера (сверху вниз в таблице Менделеева) радиусы атомов закономерно растут, а энтальпии ионизации и электроотрицательности уменьшаются. По сравнению со щелочными элементами первые энтальпии ионизации атомов существенно выше, а вторые – ниже. Это свидетельствует о склонности элементов II A подгруппы к образованию двухзарядных катионов. Единственная степень окисления, проявляемая атомами данной подгруппы в различных соединениях, равна +2.
По сравнению со щелочными металлами, в соединениях элементов этой подгруппы полярность химических связей уменьшается, что приводит к уменьшению склонности к образованию ионных связей. Элементы II A подгруппы легче, чем щелочные элементы, образуют комплексные соединения, прочность которых уменьшается при переходе от бериллия к барию (координационные числа при этом возрастают от 4 до 8).
Большинство соединений элементов II A подгруппы бесцветны, поскольку для катионов этих элементов в обычных условиях электронные переходы не характерны. Такие переходы, однако, происходят при нагревании их соединений, поэтому соли щелочноземельных металлов окрашивают пламя в характерные цвета. Например, солт кальция придают оранжево-красную окраску пламени, соли стронция – карминово-красную, соли бария – зелёную.
Магний и кальций относятся к наиболее распространенным элементам в земной коре. Стронций и барий встречаются реже, а бериллий считается редким элементом. Из-за высокой химической активности элементы II A подгруппы в свободном виде не встречаются.
Соли кальция и магния содержатся в соленой и пресной воде. Именно эти катионы обусловливают жесткость воды. Гидрокарбонаты данных элементов придают воде временную жесткость, а их хлориды и сульфаты – постоянную жесткость.
В чистом виде металлы II A подгруппы имеют серебристо-белый цвет. Все они, кроме бериллия, очень мягкие. Плотности металлов не велики, поэтому их относят к группе легких металлов. Температуры плавления и кипения вниз по группе изменяются не монотонно. Это обусловлено изменением типа кристаллической структуры металла.
Щелочноземельные металлы химически чрезвычайно активны. На воздухе быстро окисляются. Например,
2Са + О2 = 2СаО .
Они также взаимодействуют со многими неметаллами. Так, все металлы II A подгруппы, кроме бериллия, реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды. Они также легко окисляются галогенами, серой, азотом (при нагревании). С углеродом при повышенной температуре образуют карбиды различного состава (например, СаС2 – карбид кальция).
Металлы II A подгруппы (кроме бериллия и магния) вступают в реакцию с водой уже при комнатной температуре. Например,
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2 .
Магний не взаимодействует с холодной водой, так как поверхность металла покрывается оксидной пленкой малорастворимого гидроксида. Скорость диффузии молекул воды через слой гидроксида магния при комнатной температуре мала. При повышении температуры диффузия молекул воды усиливается, увеличивается растворимость гидроксида магния, защитная пленка становится тоньше. Поэтому в кипящей воде магний растворяется по реакции
Mg + 2Н2О(гор.) = Mg(ОН)2 + Н2 .
Оксидная пленка на поверхности магния не устойчива в слабокислой среде, поэтому магний разрушается и под дейсвтием горячего концентрированного раствора хлорида аммония
Mg + 2NH4Cl = MgCl2 + 2NH3 + Н2 .
Бериллий не реагирует с водой даже при очень высокой температуре.
Все металлы II A
подгруппы легко реагируют с кислотами,
давая соответствующие соли (реакция не
идет, если образуются малорастворимые
соединения). Концентрированная азотная
кислота пассивирует бериллий и магний.
Остальные металлы, взаимодействуя с
концентрированной азотной кислотой,
восстанавливают её преимущественно до
NH
,
монооксида азота и оксида диазота.
Со щелочами элементы II A подгруппы не взаимодействуют (исключение составляет бериллий). При высоких температурах данные металлы реагируют с аммиаком с образованием соответствующих нитридов и водорода (в случае бериллия и магния) или гидридов кальция, стронция и бария.
Известно несколько типов кислородных соединений элементов. Все они образуют оксиды состава МеО. Это термически устойчивые соединения с очень высокими и сравнительно близкими по величине температурами плавления. Химическая активность оксидов возрастает от бериллия к барию. Оксиды металлов II A подгруппы способны поглощать из воздуха не только пары воды, но и диоксид углерода, переходя в карбонаты. Например,
ВаО + СО2 = ВаСО3 .
Оксиды щелочноземельных элементов взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов состава Ме(ОН)2. Например,
ВаО + Н2О = Ва(ОН)2 .
С увеличением порядкового номера элемента растворимость соответствующих гидроксидов постепенно увеличивается. Гидроксид бария относят к щелочам, то есть к хорошо растворимым сильным основаниям. В ряду гидроксидов элементов от бериллия к барию наблюдается усиление основных свойств.
Гидроксиды щелочноземельных металлов термически неустойчивы и при нагревании разлагаются по схеме
Ме(ОН)2 = МеО + Н2О .
Они довольно агрессивны, обладают разъедающим действием, плохо растворимы в воде. Их насыщенные растворы имеют значение рН > 7 за счет появления заметного количества гидроксид–ионов в результате фазового равновесия
Ме(ОН)2(тв) Ме2+(р-р) + 2ОН–(р-р) .
Гидроксиды магния, кальция и стронция выпадают в осадок при действии на водные растворы их солей растворами гидроксида калия или натрия, если исключен доступ к реагентам диоксида углерода.
Среди солей щелочноземельных элементов хорошо растворимы лишь нитраты, перхлораты, ацетаты и некоторые другие. Многие растворимые соли элементов II A подгруппы образуют устойчивые кристаллогидраты. В частности безводные галогениды магния и кальция используются в качестве осушителей, так как они поглощают пары воды из воздуха.
Катионы щелочноземельных металлов не учавствуют в процессе гидролиза.