Щелочноземельные металлы

К щелочноземельным металлам относятся металлы IIa группы: бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Отличаются легкостью, мягкостью и сильной реакционной способностью.

Общая характеристика

От Be к Ra (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционная способность. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns²:

• Be - 2s²
• Mg - 3s²
• Ca - 4s²
• Sr - 5s²
• Ba - 6s²
• Ra - 7s²

Природные соединения

В природе щелочноземельные металлы встречаются в виде следующих соединений:

• Be - BeO*Al₂O₃*6SiO₂ - берилл
• Mg - MgCO₃ - магнезит, MgO*Al₂O₃ - шпинель, 2MgO*SiO₂ - оливин
• Ca - CaCO₃ - мел, мрамор, известняк, кальцит, CaSO₄*2H₂O - гипс, CaF₂ - флюорит

Получение

Это активные металлы, которые нельзя получить электролизом раствора. С целью их получения применяют электролиз расплавов, алюминотермию и вытеснением их из солей другими более активными металлами.

MgCl₂ → (t) Mg + Cl₂ (электролиз расплава)

CaO + Al → Al₂O₃ + Ca (алюминотермия - способ получения металлов путем восстановления их оксидов алюминием)

MgBr₂ + Ca → CaBr₂ + Mg

Химические свойства

• Реакции с водой

Все щелочноземельные металлы (кроме бериллия и магния) реагируют с холодной водой с образованием соответствующих гидроксидов. Магний реагирует с водой только при нагревании.

Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑


• Реакции с кислотами

Щелочноземельные металлы - активные металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, и, следовательно, способные вытеснить водород из кислот:

Ba + HCl → BaCl₂ + H₂

• Реакции с неметаллами

Хорошо реагируют с неметаллами: кислородом, образуя оксиды состава RO, с галогенами (F, Cl, Br, I). Степень окисления у щелочноземельных металлов постоянная +2.

Mg + O₂ → MgO (оксид магния)

Ca + I₂ → CaI₂ (йодид кальция)

При нагревании реагируют с серой, азотом, водородом и углеродом.

Mg + S → (t) MgS (сульфид магния)

Ca + N₂ → (t) Ca₃N₂ (нитрид кальция)

Ca + H₂ → (t) CaH₂ (гидрид кальция)

Ba + C → (t) BaC₂ (карбид бария)


• С оксидами других металлов

Ba + TiO₂ → BaO + Ti (барий, как более активный металл, вытесняет титан)

Оксиды щелочноземельных металлов

Имеют общую формулу RO, например: MgO, CaO, BaO.

Получение

Оксиды щелочноземельных металлов можно получить путем разложения карбонатов и нитратов:

MgCO₃ → (t) MgO + CO₂

Ca(NO₃)₂ → (t < 560°C) Ca(NO₂)₂ + O₂

Ca(NO₃)₂ → (t > 560°C) CaO + O₂ + NO₂

Рекомендую взять на вооружение общую схему разложения нитратов:

Химические свойства

Проявляют преимущественно основные свойства, все кроме BeO - амфотерного оксида.

• Реакции с кислотами и кислотными оксидами

BaO + HCl → BaCl₂ + H₂O

CaO + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O

MgO + SO₃ → MgSO₄

CaO + CO₂ → CaCO₃

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

• Реакция с водой

В нее вступают все, кроме оксида бериллия.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

MgO + H₂O → Mg(OH)₂

• Амфотерный оксид бериллия

Амфотерные свойства оксида бериллия требуют особого внимания. Этот оксид проявляет двойственные свойства: реагирует с кислотами с образованием солей, и с основаниями с образованием комплексных солей.

BeO + HCl → BeCl₂ + H₂O

BeO + NaOH + H₂O → Na₂[Be(OH)₄] (тетрагидроксобериллат натрия)

Если реакция проходит при высоких температурах (в расплаве) комплексная соль не образуется, так как происходит испарение воды:

BeO + NaOH → Na₂BeO₂ + H₂O (бериллат натрия)

BeO + Na₂O → Na₂BeO₂

Гидроксиды щелочноземельных металлов

Проявляют основные свойства, за исключением гидроксида бериллия - амфотерного гидроксида.

Получение

Получают гидроксиды в реакции соответствующего оксида металла и воды (все кроме Be(OH)₂)

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Химические свойства

Основные свойства большинства гидроксидов располагают к реакциям с кислотами и кислотными оксидами.

Ba(OH)₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + H₂O

Ca(OH)₂ + 2CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O + CO₂

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Реакции с солями (и не только) идут в том случае, если соль растворимы и по итогам реакции выделяется газ, выпадает осадок или образуется слабый электролит (вода).

Ba(OH)₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + NaOH

Гидроксид бериллия относится к амфотерным: проявляет двойственные свойства, реагируя и с кислотами, и с основаниями.

Be(OH)₂ + HCl → BeCl₂ + H₂O

Be(OH)₂ + NaOH → Na₂[Be(OH)₄]

Жесткость воды

Жесткостью воды называют совокупность свойств воды, зависящую от присутствия в ней преимущественно солей кальция и магния: гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов.

Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость.

Вероятно, вы часто устраняете жесткость воды у себя дома, осмелюсь предположить - каждый день. Временная жесткость воды устраняется обычным кипячением воды в чайнике, и известь на его стенках - CaCO₃ - бесспорное доказательство устранения жесткости:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Также временную жесткость можно устранить, добавив Na₂CO₃ в воду:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + NaHCO₃

С постоянной жесткостью бороться кипячением бесполезно: сульфаты и хлориды не выпадут в осадок при кипячении. Постоянную жесткость воды устраняют добавлением в воду Na₂CO₃:

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ + H₂O → [Mg(OH)]₂CO₃↓ + CO₂↑ + Na₂SO₄

Жесткость воды можно определить с помощью различных тестов. Чрезмерно высокая жесткость воды приводит к быстрому образованию накипи на стенках котлов, труб, чайника.