5. Загальна характеристика елементів ііа-підгрупи періодичної системи

ІІА-підгрупу періодичної системи об’єднують s-елементи: Берилій, Магній, Кальцій, Стронцій, Барій та Радій. Атоми цих елементів на зовніш-ньому електронному рівні мають по два електрони (s²) з протилежними спінами. При витраті необхідної енергії один із електронів s-стану пере-ходить у р-стан, тобто обидва електрони стають неспареними. Тому еле-менти ІІА-підгупи виявляють ступінь окиснення +2. При утворенні моле-кул ЕХ₂ відбувається гібридизація s і р-електронних хмар атома Е, утворю-ються молекули лінійної будови.

Елементи, які входять до ІІА-підгрупи, називають лужноземельними металами, оскільки їх гідроксиди мають лужні властивості, а оксиди схожі з оксидами алюмінію і важких металів (так званих “земель”).

Ці метали хімічно активні і зустрічаються у природі лише у вигляді сполук. До найважливіших способів отримання цих металів належить електроліз їх розплавлених хлоридів (чи інших галогенідів).

У вільному стані елементи ІІА-підгупи – легкі метали, вони твердіші, ніж лужні метали. Відновна властивість елементів ІІА-підгрупи збільшу-ється від Берилію до Радію, але в цілому усі вони – дещо менш активні відновники, ніж лужні метали; тільки Барій не поступається за активністю лужним металам. На повітрі (при звичайній температурі) поверхня бери-лію та магнію покривається захисною плівкою оксидів. Інші метали ІІА-підгрупи взаємодіють з киснем повітря більш енергійно, тому їх збері-гають під шаром гасу чи в запаяних посудинах, як і лужні метали. При нагріванні усі метали ІІА-підгрупи згоряють на повітрі з утворенням оксидів:

2Е + О₂  2ЕО.

Крім того, при високих температурах метали цієї групи взаємодіють з азотом, утворюючи нітриди:

3Е + N₂  E₃N₂.

Із усіх металів ІІА-підгупи лише берилій практично не взаємодіє з водою, магній реагує з нею повільно, а інші метали бурхливо:

Е + 2Н₂О  E(OH)₂ + H₂.

Із кислот (крім нітратної) ці метали витісняють водень:

Е + H₂SO₄  ESO₄ + H₂,

а розбавлену (з масовою часткою 10-15%) нітратну кислоту відновлюють до амоній-іона за схемою:

4E + 10HNO₃  NH₄NO₃ + 4E(NO₃)₂ + 3H₂O.

6. Магній і Кальцій

Атом Магнію на останньому енергетичному рівні має два неспарених електрони, тому у сполуках Магній має ступінь окиснення +2. Магній-іон Mg²⁺ має значну поляруючу дію і здатний до утворення як іонних, так і ковалентних полярних зв’язків, а за рахунок вільної 3d-орбіталі ще й коор-динаційних зв’язків за донорно-акцепторним механізмом (координаційне число дорівнює шести). Як комплексоутворювач, Магній входить до скла-ду чотирипірольного кільця порфіну і утворює систему хлорофілу.

Магній – сріблясто-білий легкий метал, який на повітрі згоряє сліпучим полум’ям із виділенням ультрафіолетових променів:

2Mg + O₂  2MgO.

Він застосовується для виготовлення освітлювальних ракет, “магнієві спалахи” застосовують у фотозйомках.

Магній хімічно активний і розкладає воду з виділенням водню:

Mg + H₂O  Mg(OH)₂ + H₂.

Він легко розчиняється у розбавлених кислотах (крім HF), концен-тровану сульфатну кислоту відновлює до сульфур(IV) оксиду; з лугами не взаємодіє.

Магній оксид MgO (палена магнезія) – білий тугоплавкий порошок. Одержують його прожарюванням магній карбонату (магнезиту):

MgCO₃  MgO + CO₂.

Цей оксид має основні властивості. Суміш магній оксиду з концентро-ваним розчином магній хлориду здатна затвердівати у міцну поліруючу масу – магнезіальний цемент (цемент Сореля):

MgO + MgCl₂ + H₂O  2MgOHCl.

Із нього виготовляють точильне каміння.

Магній гідроксид Mg(OH)₂ отримують дією лугів на розчинні солі магнію:

MgCl₂ + 2NaOH  Mg(OH)₂ + 2NaCl.

Цей оксид також утворюється при нагріванні магній оксиду з водою. Магній гідроксид погано розчиняється у воді ( = 6  10^-10), є ос-новою середньої сили ( = 2,5  10^-3), не розчиняється у лугах, але добре розчиняється у кислотах і розчинах амонійних солей:

Mg(OH)₂ + 2NH₄Cl  MgCl₂ + 2NH₄OH.

Реакції на магній-іон Mg²⁺.

1. Утворення малорозчинного магній гідроксиду. При дії лугів на розчини солей магнію утворюється білий аморфний осад Mg(OH)₂:

Mg²⁺ + 2OH^-  Mg(OH)₂.

2. Утворення малорозчинного магній-амоній фосфату. Натрій гідроген-фосфат в присутності амоній гідроксиду і амоній хлориду утворює з соля-ми Mg²⁺ білий кристалічний осад магній-амоній фосфату:

MgCl₂ + NH₃  H₂O + Na₂HPO₄ MgNH₄PO₄ + 2NaCl + H₂O.

Біологічна роль Магнію. Фізіологічна роль Магнію дуже велика. Він входить до складу хлорофілу, за участю якого в зелених рослинах здійсню-ється процес фотосинтезу. Магній-іони суттєво впливають на окисно-від-новні процеси у рослинах. У тваринних організмах Магній міститься в органах і тканинах головним чином у внутрішньоклітинній речовині. В біологічних рідинах і тканинах організму Магній знаходиться у вигляді вільних іонів і у зв’язаному вигляді з білками стерину проявляє судинно-розширюючу і антиспазматичну дію, входить до складу цілого ряду фер-ментів і активізує багато з них, зокрема ферменти синтезу і розпаду адено-зин- і гуанінтрифосфатної кислот.

Магній-іони Mg²⁺ утворюють у клітинах комплекси з нуклеїновими кислотами, беруть участь у передачі нервових імпульсів, скороченні м’я-зів, метаболізмі вуглеводів. Магній є одним із найважливіших елементів енергетичних процесів, які пов’язані з окисним фосфорилюванням.

Якщо в організм надходить недостатньо Магнію, то його кількість поповнюється за рахунок кісткової тканини. При надлишкових кількостях Магній пригнічує ріст тварин, особливо це відчутно, якщо в кормах не-стача Кальцію, Фосфору і вітамінів.

За вмістом у літосфері Кальцій посідає п’яте місце. До найбільш роз-повсюджених мінералів, що містять Кальцій, належать вапняк (мармур чи крейда) CaCO₃, доломіт CaCO₃  MgCO₃, гіпс CaSO₄  2H₂O, плавиковий шпат CaF₂, фосфорит Ca₃(PO₄)₂ і апатіт 3Ca₃(PO₄)₂  CaF₂ (CaCl₂).

Чистий кальцій – це білий, твердий і ковкий метал, який на повітрі покривається оксидною плівкою. Він є сильним відновником. При нагрі-ванні спалахує:

2Ca + O₂  2CaO.

Більшість сполук Кальцію мають іонну будову. Кальцій легко витісняє Гідроген із розбавлених кислот (крім нітратної). Він безпосередньо з’єд-нується з Нітрогеном, Фосфором, Карбоном і Гідрогеном, утворюючи від-повідні нітриди, фосфіди, карбіди та гідриди.

Ca + H₂  CaH₂.

Кальцій гідрид розкладається водою з виділенням водню:

CaH₂ + 2H₂O  2H₂ + Ca(OH)₂.

Кальцій оксид CaO (негашене вапно) – біла тугоплавка речовина, яку отримують випалюванням вапняку:

CaCO₃  CaO + CO₂.

Це основний оксид, він енергійно взаємодіє з водою з утворенням кальцій гідроксиду (гашеного вапна):

CaO + H₂O  Ca(OH)₂.

Цей процес має назву “гасіння” вапна.

При взаємодії кальцій оксиду з вугіллям утворюється кальцій карбід:

CaO + 3C  CaC₂ + CO.

Ця реакція відбувається з поглинанням великої кількості теплоти. Її проводять в електричних печах при температурі понад 2173 К. Кальцій карбід розкладається водою з виділенням ацетилену:

CaC₂ + 2H₂O  Ca(OH)₂ + C₂H₂.

Кальцій гідроксид Ca(OH)₂ – cильна основа, добре розчинна у воді. Суспензію кальцій гідроксиду називають вапняним молоком і викорис-товують у будівництві як в’яжучий матеріал для скріплення цегли і шту-катурки. Кальцій гідроксид поглинає вуглекислий газ повітря і перетво-рюється у кальцій карбонат:

Ca(OH)₂ + CO₂  CaCO₃ + H₂O.

З часом міцність кладки зростає внаслідок взаємодії кальцій гідроксиду з піском і утворення силікату:

Ca(OH)₂ + SiO₂  CaSiO₃ + H₂O.

Прозорий розчин кальцій гідроксиду називають вапняною водою.

Реакція кальцій-іона Са²⁺.

Розчинні солі кальцію утворюють із розчином амоній оксалату (NH₄)₂C₂O₄ білий дрібнокристалічний осад кальцій оксалату CaC₂O₄:

Ca²⁺ +  CaC₂O₄.

Біологічна роль Кальцію. У біологічному кругообігу речовин Кальцію відведена одна із найбільш значних функцій. Він бере участь у процесах ґрунтоутворення, покращує структуру ґрунту, впливає на реакцію середо-вища, і, як наслідок, рухомість інших біологічно необхідних елементів.

Кальцій сприяє фіксації атмосферного азоту, мінералізації органічних сполук і вивільненню різноманітних поживних речовин. Цей елемент бере участь у синтезі білкових речовин, сприяє утворенню хлорофілу.

Порівняно з іншими біометалами Кальцію в тваринних організмах міс-титься значно більше. Основна маса його (близько 99%) зосереджена у кістковій тканині, яка швидко реагує на зміну водно-сольового складу крові і виконує роль своєрідного буфера, який підтримує рівновагу внут-рішнього середовища організму.

В організм людини і тварин Кальцій потрапляє в основному з харчо-вими продуктами: молоком, овочами, злаками. Наявність грубої клітчатки і великої кількості оксалатної кислоти не сприяє засвоєнню Кальцію. Особ-ливо важливе значення для збагачення організму кальцій-іонами має питна вода, у якій міститься кальцій гідрогенкарбонат Ca(HCO₃)₂.

Обмін Кальцію здійснюється під впливом біологічно активних речо-вин, серед яких особливо важливим є вітамін D. При недостатньому вмісті в організмі цього вітаміну уповільнюється надходження Кальцію у кіст-кову тканину, що призводить до розвитку рахіту та інших порушень, пов’язаних із розм’якшенням кісток.

Особлива роль належить Кальцію в механізмі м’язового скорочення. Цей процес відбувається при взаємодії двох основних м’язових білків – міозину і актину. В результаті приєднання кальцій-іонів актин здатний взаємодіяти з міозином з утворенням актоміозину, який виконує роль ката-лізатора розщеплення АТФ, при якому вивільняється енергія для м’язового скорочення.

Кальцій-іони знаходяться в біологічному антагонізмі з натрій-, калій- і магній-іонами.

Кальцій міститься у всіх тканинах і рідинах тварин і рослинних орга-нізмів і впливає на велику кількість біохімічних процесів. За своїми влас-тивостями в живих системах це універсальний біометал.