Уменьшение химической активности нейтральных атомов

К, Са, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H₂, Cu, Hg, Ag, Au

Уменьшение способности ионов к присоединению электронов

В этом ряду помещен и водород, так как он тоже может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей и в свою очередь вытесняется многими металлами из растворов кислот.

* Бекетов Николай Николаевич (182,7—1911) — крупнейший русский ученый - физико-химик. Наиболее выдающимся трудом Бекетова являются его «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими», опубликованные в 1865 г. На основании своих исследований Бекетов расположил все металлы в ряд, получивший впоследствии название ряда напряжений. Он открыл свойство алюминия вытеснять при высокой температуре металлы из их окислов. Это открытие легло впоследствии в основу алюминотермии, получившей большое применение в металлургии.

Характеристика элементов второй группы периодической системы

1. Общая характеристика элементов группы

2. Понятие жесткости воды

3. Характеристика подгруппы цинка

1. Вторая группа периодической системы объединяет элементы, содержащие в наружном слое атома два электрона и способные отдавать только эти два электрона. Типическими элементами вто­рой группы являются бериллий и магний. По строению предпоследнего электронного слоя (восемь электронов) к ним примыкают элементы четных рядов больших периодов: кальций, стронций, барий и радий.

Все шесть указанных элементов объединяются в одну главную подгруппу второй группы. Побочную подгруппу образуют металлы цинк, кадмий и ртуть, стоящие в нечетных рядах больших периодов и имеющие в предпоследнем электронном слое атома восемнадцать электронов.

Все элементы, входящие в главную подгруппу второй группы, кроме бериллия, обладают ярко выраженными металли­ческими свойствами. В свободном состоянии они представляют собой серебристо-белые вещества, более твердые, чем щелочные металлы, с довольно высокими температурами плавления и кипе­ния. По плотности все они, кроме радия, относятся к легким метал­лам. Первые два члена рассматриваемой группы занимают в ней несколько особое положение, отличаясь во многих отношениях от остальных четырех элементов. Бериллий, если не учитывать его иную валентность, приближается по своим свойствам к алюминию, а магний проявляет сходство с элементами нечетной подгруппы, особенно с цинком.

Имея в наружном слое два электрона, удаленные на значительное расстояние от ядра, атомы элементов главной подгруппы легко отдают их, превращаясь в положительно заряженные ионы. Поэтому в отношении химической активности эти элементы лишь немного уступают щелочным металлам. Подобно последним, они довольно быстро окисляются на воздухе и могут вытеснять водород из воды при обыкновенной температуре. Однако бериллий и магний взаимодействуют с водой очень медленно, так как образующиеся при этом гидроксиды мало растворимы в воде; покрывая поверхность металла, они затрудняют дальнейшее течение реакции. Остальные четыре металла ввиду лучшей растворимости их гидроксидов реагируют с водой значительно энергичнее.

Входящие в состав главной подгруппы кальций, стронций и барий издавна получили название щелочноземельных металлов. При сжигании щелочноземельных металлов всегда получаются нормальные оксиды типа МО. Перекиси, поскольку они вообще образуются, гораздо менее стойки, чем перекиси щелочных металлов.

Оксиды кальция, стронция и бария непосредственно соединяются с водой, переходя в гидроокиси. Растворимость последних сильно увеличивается при переходе от кальция к следующим щелочно­земельным металлам, составляя для гидроокиси барий уже 38 г в литре. В такой же последовательности увеличивается и основной характер гидроокисей.

Щелочноземельные металлы могут соединяться с водородом, образуя гидриды, аналогичные гидридам щелочных металлов (например, СаН2).

Замечательна склонность щелочноземельных металлов соеди­няться с азотом, возрастающая по мере увеличения их атомного веса. Уже при обыкновенной температуре щелочноземельные ме­таллы медленно соединяются с азотом, образуя нитриды.

В отличие от солей щелочных металлов многие из солей щелочноземельных металлов мало растворимы в воде. К таким солям относятся карбонаты, сульфаты, фосфаты и некоторые другие соли.

Во всех своих соединениях щелочноземельные металлы только двухвалентны.

Бериллий (Beryllium)

Бериллий мало распространен в природе (содержание бериллия в земной коре 0,0004%). Он входит в состав некоторых минералов, из которых чаще всего встречается берилл ВезА12(SiOз)6. Некоторые разновидности берилла, окрашенные примесями в различные цвета, являются драгоценными камнями. Таковы, например, зеленые изумруды, голубовато-зеленые аквамарины и др.

Металлический бериллий получается электролизом смеси рас­плавленного хлористого бериллия и хлористого натрия. Это очень твердый, белый, легкий металл плотностью 1,85 г/см³, плавящийся при 1280 °С. Бериллий коррозионно стоек вследствие образования па его поверхности защитной пленки окиси. Вода почти не действует на бериллий; в кислотах же он легко растворяется с выделе­нием водорода.

Чрезвычайно характерно для бериллия, что щелочи тоже рас­творяют его, причем образуются соли, называемые бериллатами, в которых бериллий играет роль металлоида

Be + 2NaOH = Na₂Be0₂ + Н₂ бериллат натрия

Металлический бериллий обладает многими замечательными свойствами. Тонкие пластинки бериллия легко пропускают рент­геновские лучи и являются незаменимым материалом для изготов­ления тех частей рентгеновских трубок, через которые лучи выхо­дят наружу. Сплавы бериллия с магнием и алюминием отличаются легкостью и прочностью, благодаря чему, несмотря на высокую стоимость бериллия, все шире применяются в самолетостроении. Сплавление бериллия с медью позволяет получать бериллиевые бронзы, обладающие высокой твердостью, прочностью, хорошей электропроводностью и коррозионной стойкостью. Из такой бронзы изготовляют пружины превосходного качества.

Бериллий высокой степени чистоты используется в ядерных реакторах. Применяемый для этой цели металл должен содержать не более 1 г бора на 1 т бериллия.

Оксид бериллия ВеО — белое, очень тугоплавкое вещество, соединяющееся с водой с образованием гидроокиси бериллия. Применяется она в качестве химически устойчивого огнеупорного материала (для изготовления тиглей, в реактивных двигателях, в электротехнике), а также как конструкционный материал в ядерных реакторах.

Гидроксид бериллия Ве(ОН)2 имеет ясно выраженный амфо-терный характер, чем резко отличается от гидроокисей типичных щелочноземельных металлов. В воде она практически нераство­рима, но легко растворяется как в кислотах, так и в щелочах, в последнем случае с образованием бериллатов

Ве(ОН)₂ + 2NaOH = Na₂Be0₂ + 2Н₂О

Кислотные свойства гидроокиси бериллия выражены очень слабо, поэтому в водном растворе бериллаты подвергаются полному гидролизу.

Большинство солей бериллия, в том числе и сульфат, легко растворимы в воде, тогда как сульфаты типичных щелочноземель­ных металлов в воде практически нерастворимы.

Магний (Magnesium);

Магний весьма распространен в природе. В больших количествах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит MgCO₃ и доломит MgCO₃ • СаСО₃. Сульфат и хлорид магния входят в состав калийных минералов - каинита КС1 • MgSO₄ • ЗН₂О и карналлита КС1 MgCl₂ • 6Н₂О, а также содержатся в морской воде, сообщая ей горький вкус. Общее количество магния в земной коре составляет около 2,35%.

Магний получается главным образом электролизом расплавленного хлористого магния или, что чаще, электролизом расплавленного карналита.

Магний - серебристо-белый, очень легкий металл плотностью 1,74 г/см³. На воздухе он мало изменяется, так как быстро покры­вается тонким слоем окиси, защищающим его от дальнейшего окисления.

Хотя магний стоит в ряду напряжений далеко впереди водо­рода, но, как мы уже говорили, воду он разлагает очень медленно вследствие образования малорастворимой гидроокиси магния. В кислотах магний легко растворяется с выделением водорода. Щелочи не действуют на магний. При нагревании магний заго­рается и сгорает, образуя окись магния и небольшое количество нитрида магния Mg₃N₂. Свет горящего магния очень ярок и содер­жит много ультрафиолетовых лучей. Поэтому магнием иногда пользуются для освещения при фотографических съемках. Магний применяется также для изготовления осветительных ракет и зажигательных снарядов. Главная же область применения металлического магния - это приготовление на его основе различных легких сплавов. Прибавка к магнию небольших количеств других металлов резко изменяет его механические свойства, сообщая сплаву значительную твердость, прочность и сопротивляемость коррозии.

Оксид магния MgO обычно получают путем прокаливания природного магнезита MgCO₃. Она представляет собой белый рыхлый порошок, известный под названием жженой магнезии. Благодаря высокой температуре плавления (около 3000 °С) техни­ческая окись магния применяется для приготовления огнеупорных тиглей, труб, кирпичей.

Гидроксид магния Mg (OH)₂ получается в виде белого осадка при действии щелочей на растворимые соли магния. В отличие от гидроокиси бериллия гидроокись магния обладает только основ­ными свойствами, представляя собой основание средней силы. В воде гидроокись магния мало растворима.

Из солей магния чаще всего применяются:

Сульфат магния MgSO₄ • 7Н₂О, или горькая соль. В отличие от сульфатов щелочноземельных металлов хорошо растворим в воде. Растворимость этой соли и ее кристаллическая структура сближают магний с цинком.

Хлорид магния, или хлористый магний, MgCl₂ • 6Н2О. Образует бесцветные, хорошо растворимые, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Гигроскопичность неочищенной поваренной соли обусловливается примесью к ней незначительных количеств хлористого магния.

Карбонат магния, или углекислый магний, MgCO3. Встречается в природе в виде минерала магнезита.

Соли магния содержатся в небольшом количестве во всякой почве и необходимы для питания растений, так как магний входит в состав хлорофилла

Кальций (Calcium).

Кальций очень широко распространен в природе в виде различных соединений. Огромные отложениях известняков и мела, а местами также мрамора, представляющих собой природные разновидности карбоната кальция СаСО₃. В больших количествах встречается также гипс CaSO₄ ■ 2Н₂О, фосфорит Са₃(РО₄)2 и, наконец, различные содержащие кальций силикаты. Общее содержание кальция в земной коре составляет 3,25%.

Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлористого кальция или путем термического восстановления окиси кальция некоторыми металлами. Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция

СаС₂.

Кальций представляет собою ковкий, довольно твердый белый металл, плавящийся при 850 °С. На воздухе он быстро покрывается слоем окиси, а при нагревании сгорает ярким красноватым пламенем. С холодной водой кальций реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды быстро вытесняет водород, образуя гидроксид. Кальций - очень активный металл, легко соединяю­щийся с галогенами, серой, азотом и восстанавливающий при наг­ревании окислы многих металлов.

Активностью кальция объясняется его широкое использование и производстве стали и чугуна для очистки последних от кислорода, фосфора и серы. Кальций применяют также как восстановитель, и производстве тугоплавких металлов (цирконий, титан, тантал, ниобий и др.). Значительные количества кальция расходуются на получение свинцово-кальциевых сплавов, применяющихся для изготовления подшипников и оболочек кабелей.

При нагревании в струе водорода металлический кальций соединяется с водородом, образуя гидрид.

Гидрид кальция СаН₂ — белое кристаллическое вещество, бурно реагирующее с водой с выделением водорода

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂

Ввиду способности выделять большое количество водорода гидрид кальция применяется иногда для получения этого газа. Кроме того, его используют как весьма эффективный осушитель, способный отнимать воду даже от кристаллогидратов.

Оксид кальция СаО представляет собой белое, очень огнестойкое вещество, плавящееся только в электрической печи при температуре около 3000 °С. В технике окись кальция называется обычно негашеной или жженой известью. Последнее название указывает на способ ее получения - накаливание, или «об­жигание», карбоната кальция в виде известняка или мела.

СаСОз = СО₂ + СаО

Если облить жженую известь водой, то вода сначала впитывается пористыми кусками извести, а затем реагирует с ней с выделением значительного количества тепла. При этом часть воды пре­вращается в пар, а куски извести рассыпаются в рыхлую массу гидроокиси кальция СаО + Н₂О = Са (ОН)₂ + 16 ккал

Эта операция носит название «гашения» извести, а образующийся продукт называется в технике гашеной известью.

Гидроксид кальция Са(ОН)2 — сильное основание, мало рас­творимое в воде; 1 л воды растворяет при 20 °С всего 1,56 г Са(ОН)₂. Насыщенный раствор гидроокиси кальция называется известковой водой и имеет щелочную реакцию. На воздухе известковая вода быстро становится мутной вследствие поглощения ею двуокиси углерода и образования нерастворимого карбоната кальция.

Гашеную известь широко используют в строительном деле. Смесь ее с песком и водой называется известковым раствором и служит для скрепления кирпичей при кладке стен.

Гашеную известь применяют также в качестве штукатурки. Затвердевание извести происходит сначала из-за испарения воды, а затем в результате поглощения гашеной известью двуокиси углерода из воздуха и образования карбоната кальция

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСОз, + Н₂О

Важнейшими солями кальция являются: хлорид кальция СаС1₂, сульфат кальция CaSO₄, карбонат кальция СаСО₃ нитрат кальция Ca(NO₃)₂ фосфаты кальция гидросульфит кальция Ca(HSO₃)₂ и гипохлорит кальция Са(СЮ)₂

Ввиду широкого распространения кальция в природе соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако если вода содержит двуокись углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната Са(НСО₃)₂.

2. Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция в виде гидрокарбоната и сульфата, а также соот­ветствующие соли магния, называется жесткой водой в противоположность мягкой воде, содержащей мало кальциевых солей или совсем не содержащей их.

Жесткость воды, обусловленная главным образом присутствием гидрокарбоната кальция, называется временной или устранимой, так как при кипячении эта соль разлагается с выделе­нием карбоната кальция, выпадающего в осадок, и вода становится мягкой. Если же вода содержит сульфаты кальция CaSO₄ или маг- ния MgSO₄, то жесткость ее называется постояннойи может быть устранена только перегонкой воды или химическим путем.

Жесткая вода не дает пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли жирных кислот — пальмити­новой и стеариновой — переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот

2C1₇H₃₅COONa + CaSO₄ = (С17НззСОО)2Са + Na2SO₄