12. Магний, кальций, жесткость воды

Магний и кальций находятся в главной подгруппе II группы периодической системы.

Магний и особенно кальций принадлежат к числу широко распространенных в природе элементов: на долю кальция приходится 3,6 % от массы земной коры, магния – 2,1 %. Эти металлы химически активны, поэтому в природе встречаются исключительно в виде соединений. Важнейшими минералами магния являются магнезит MgCO₃, доломит MgCO₃ ∙CaCO₃, карналлит

KCl ∙MgCl₂∙6H₂O; кальция – известняки, мел, мрамор CaCO₃, гипс CaSO₄∙2H₂O, фосфорит Ca₃(PO₄)₂, а также различные содержащие кальций силикаты. Соединения кальция и магния содержатся в большинстве природных вод и обусловливают их жесткость. Получают магний и кальций электролизом расплавленных солей.

Физические и химические свойства

Магний и кальций – серебристо-белые металлы, легкие (Mg – 1,74 г/см³, Са – 1,5 г/см³), температура плавления магния 650 ⁰С, кальция – 850 ⁰С.

На воздухе магний устойчив, т.к. покрыт защитной пленкой оксида MgО. Кальций на воздухе покрывается желтоватой пленкой продуктов взаимодействия металла с составными частями воздуха. Эта пленка не предохраняет кальций от дальнейшего окисления, поэтому его хранят под слоем керосина.

На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов содержится по два s-электрона, которые они легко отдают и потому являются активными восстановителями. Кальций химически активнее магния. Во всех своих соединениях эти металлы проявляют единственную степень окисления +2.

В ряду напряжений Са и Mg расположены значительно левее водорода.

Отношение к воде. Кальций легко реагирует с водой при обычной температуре, магний разлагает воду очень медленно, т.к. Mg(ОН)₂ – малорастворимое вещество. При нагревании скорость реакции увеличивается:

Ме + 2Н₂О = Ме(ОН)₂ + Н₂.

Магний бурно взаимодействует с водой при обычной температуре в присутствии NH₄Cl, который удаляет с поверхности магния защитную пленку из Mg(OH)₂:

Mg + 2H₂O + 2NH₄Cl = MgCl₂ + H₂ + 2NH₄OH

Отношение к кислотам. В кислотах эти металлы легко растворяются:

Me + 2HCl = MeCl₂ + H₂; Me + H₂SO_4(разб.) = MeSO₄ + H₂;

4Me + 10HNO_{3(оч. разб.)} = 4Me(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Отношение к кислороду. При нагревании на воздухе магний сгорает ярким белым, а кальций ярким красным пламенем с образованием оксидов MgO и СаО. Обычно оксиды получают не окислением металлов, а прокаливанием природных карбонатов кальция и магния:

MgCO₃ → MgO(жженая магнезия) + CO₂;

СаСО₃ → СаО(негашеная или жженая известь) + СО₂.

Оксиды кальция и магния – белые, очень тугоплавкие порошки, проявляют основные свойства. При взаимодействии с водой MgO медленно превращается в Mg(OH)₂, оксид кальция с водой реагирует энергично с выделением значительного количества теплоты:

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂, ∆Н⁰ = - 65 кДж – гашение извести

негашеная гашеная

известь иэвесть

Оксидам кальция и магния соответствуют гидроксиды. Это малорастворимые вещества, проявляют основные свойства. Mg(ОН)₂ – основание средней силы, Са(ОН)₂ – сильное основание. Получают:

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂; MgSO₄ + 2KOH = Mg(OH)₂↓ + 2KCl.

Отношение к другим окислительным элементам. Со всеми окислительными элементами Са и Mg образуют бинарные соединения (-иды):

С водородом гидриды Ca + H₂ → CaH₂.

Гидриды являются сильными восстановителями и имеют основной характер:

СaH₂ + 2H₂O → Сa(OH)₂ + 2H₂.

С галогенами галогениды. Несмотря на то, что эти металлы непосредственно окисляются галогенами, получают галогениды в основном по реакции обмена или нейтрализации: СаСО₃ + 2НCl → СаCl₂ + H₂O + CO₂

Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl ₂ + 2H₂O.

Галогениды представляют собой кристаллические вещества белого цвета, хорошо растворимые в воде.

С серой сульфиды: 2Mg + S → MgS; Са + S → СаS.

С азотом нитриды. 3Мg + N₂ → Mg₃N₂.

Нитриды легко разлагаются водой и имеют основной характер:

Са₃N₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2NH₃.

С углеродом при нагревании кальций и магний карбиды (ацетилениды):

Mg + 2C → MgC₂; Са + C → СаC₂;

Эти солеподобные карбиды разлагаются водой:

СаC₂ + 2H₂O → Са(OH)₂ + C₂H₂;