Щелочноземельные металлы

Физические свойства

Щелочноземельные металлы (по сравнению со щелочными металлами) обладают более высокими t°пл. и t°кип., потенциалами ионизации, плотностями и твердостью.

Химические свойства

1. Очень реакционноспособны.
2. Обладают положительной валентностью +2.
3. Реагируют с водой при комнатной температуре (кроме Be) с выделением водорода.
4. Обладают большим сродством к кислороду (восстановители).
5. С водородом образуют солеобразные гидриды ЭH₂.
6. Оксиды имеют общую формулу ЭО. Тенденция к образованию пероксидов выражена слабее, чем для щелочных металлов.

Нахождение в природе

Be

3BeO • Al₂O₃ • 6SiO₂ – берилл

Mg

MgCO₃ – магнезит

CaCO₃ • MgCO₃ – доломит

KCl • MgSO₄ • 3H₂O – каинит

KCl • MgCl₂ • 6H₂O – карналлит

Ca

CaCO₃ – кальцит (известняк, мрамор и др.)

Ca₃(PO₄)₂ – апатит, фосфорит

CaSO₄ • 2H₂O – гипс

CaSO₄ – ангидрит

CaF₂ – плавиковый шпат (флюорит)

Sr

SrSO₄ – целестин

SrCO₃ – стронцианит

Ba

BaSO₄ – барит

BaCO₃ – витерит

Получение

Бериллий получают восстановлением фторида:

BeF₂ + Mg  –^t°>  Be + MgF₂

Барий получают восстановлением оксида:

3BaO + 2Al  –^t°>  3Ba + Al₂O₃

Остальные металлы получают электролизом расплавов хлоридов:

CaCl₂ -> Ca + Cl₂­

катод: Ca²⁺ + 2ē = Ca⁰

анод: 2Cl^— – 2ē = Cl⁰₂­

  Химические свойства

Металлы главной подгруппы II группы — сильные восстановители; в соединениях проявляют только степень окисления +2. Активность металлов и их восстановительная способность увеличивается в ряду: ––Be–Mg–Ca–Sr–Ba –>

1. Реакция с водой.

В обычных условиях поверхность Be и Mg покрыты инертной оксидной пленкой, поэтому они устойчивы по отношению к воде. В отличие от них Ca, Sr и Ba растворяются в воде с образованием гидроксидов, которые являются сильными основаниями:

Mg + 2H₂O  –^t°>  Mg(OH)₂ + H₂­

Ca + 2H₂O -> Ca(OH)₂ + H₂­

2. Реакция с кислородом.

Все металлы образуют оксиды RO, барий-пероксид – BaO₂:

2Mg + O₂ -> 2MgO

Ba + O₂ -> BaO₂

3. С другими неметаллами образуются бинарные соединения:

Be + Cl₂ -> BeCl₂(галогениды)

Ba + S -> BaS(сульфиды)

3Mg + N₂ -> Mg₃N₂(нитриды)

Ca + H₂ -> CaH₂(гидриды)

Ca + 2C -> CaC₂(карбиды)

3Ba + 2P -> Ba₃P₂(фосфиды)

Бериллий и магний сравнительно медленно реагируют с неметаллами.

4. Все металлы растворяются в кислотах:

Ca + 2HCl -> CaCl₂ + H₂­

Mg + H₂SO₄(разб.) -> MgSO₄ + H₂­

Бериллий также растворяется в водных растворах щелочей:

Be + 2NaOH + 2H₂O -> Na₂[Be(OH)₄] + H₂

­5. Качественная реакция на катионы щелочноземельных металлов – окрашивание пламени в следующие цвета:

Ca²⁺ — темно-оранжевый

Sr²⁺— темно-красный

Ba²⁺ — светло-зеленый

Катион Ba²⁺ обычно открывают обменной реакцией с серной кислотой или ее солями:

Сульфат бария – белый осадок, нерастворимый в минеральных кислотах.

Оксиды щелочноземельных металлов

Получение

1. Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид)
2. Термическое разложение нитратов или карбонатов

CaCO₃  –^t°>  CaO + CO₂­

2Mg(NO₃)₂  –^t°>  2MgO + 4NO₂­ + O₂­

Химические свойства

Типичные основные оксиды. Реагируют с водой (кроме BeO), кислотными оксидами и кислотами

MgO + H₂O -> Mg(OH)₂

3CaO + P₂O₅ -> Ca₃(PO₄)₂

BeO + 2HNO₃ -> Be(NO₃)₂ + H₂O

BeO — амфотерный оксид, растворяется в щелочах:

BeO + 2NaOH + H₂O -> Na₂[Be(OH)₄]

Гидроксиды щелочноземельных металлов R(OH)₂

Получение

Реакции щелочноземельных металлов или их оксидов с водой:
Ba + 2H₂O -> Ba(OH)₂ + H₂­

CaO(негашеная известь) + H₂O -> Ca(OH)₂(гашеная известь)

Химические свойства

Гидроксиды R(OH)₂ — белые кристаллические вещества, в воде растворимы хуже, чем гидроксиды щелочных металлов (растворимость гидроксидов уменьшается с уменьшением порядкового номера; Be(OH)₂ – нерастворим в воде, растворяется в щелочах). Основность R(OH)₂ увеличивается с увеличением атомного номера:

Be(OH)₂ – амфотерный гидроксид

Mg(OH)₂ – слабое основание

остальные гидроксиды — сильные основания (щелочи).

1. Реакции с кислотными оксидами:

Ca(OH)₂ + SO₂ -> CaSO₃¯ + H₂O

Ba(OH)₂ + CO₂ -> BaCO₃¯ + H₂O

2. Реакции с кислотами:

Mg(OH)₂ + 2CH₃COOH -> (CH₃COO)₂Mg + 2H₂O

Ba(OH)₂ + 2HNO₃ -> Ba(NO₃)₂ + 2H₂O

3. Реакции обмена с солями:

Ba(OH)₂ + K₂SO₄ -> BaSO₄¯+ 2KOH

4. Реакция гидроксида бериллия со щелочами:

Be(OH)₂ + 2NaOH -> Na₂[Be(OH)₄]

Жесткость воды

Природная вода, содержащая ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, называется жесткой. Жесткая вода при кипячении образует накипь, в ней не развариваются пищевые продукты; моющие средства не дают пены.

Карбонатная (временная) жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная  (постоянная)  жесткость – хлоридов и сульфатов.

Общая жесткость воды рассматривается как сумма карбонатной и некарбонатной.

Удаление жесткости воды осуществляется путем осаждения из раствора ионов Ca²⁺ и Mg²⁺:

1. кипячением:

Сa(HCO₃)₂  –^t°>  CaCO₃¯ + CO₂­ + H₂O

Mg(HCO₃)₂  –^t°>  MgCO₃¯ + CO₂­ + H₂O

2. добавлением известкового молока:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ -> 2CaCO₃¯ + 2H₂O

3. добавлением соды:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ -> CaCO₃¯+ 2NaHCO₃

CaSO₄ + Na₂CO₃ -> CaCO₃¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Na₂CO₃ -> MgCO₃¯ + 2NaCl

4. пропусканием через ионнообменную смолу

а) катионный обмен:

2RH + Ca²⁺ -> R₂Ca + 2H⁺

б) анионный обмен:

2ROH + SO₄^2- -> R₂SO₄ + 2OH^—

(где R — сложный органический радикал)

Для удаления временной жесткости используют все четыре способа, а для постоянной — только два последних.

Задачи:

1. Напишите уравнения реакций, которые протекают при электролизе расплава и водного раствора
хлорида кальция. Можно ли получить металлический кальций электролизом водных растворов его солей?
2. Вычислите массу известняка, который надо взять для получения гашеной извести массой 500 кг,
если массовая доля карбоната кальция в известняке составляет 90%. Напишите уравнения соответствующих реакций.
3. Металл, проявляющий степень о сления +2, массой 30 г растворили в соляной кислоте. Из полученного раствора выделили хлорид металла, который растворили в воде и добавили избыток карбоната натрия. Образовался осадок (карбонат металла) массой 105 г. Определите, какой металл был взят?
4. Для гашения извести берут воду в трехкратном избытке. Вычислите объем воды, которая потребуется для гашения извести, полученной из известняка массой 300 кг. Массовая доля карбоната кальция в известняке равна 90%. Плотность воды принять равной 1 кг/л.
5. При добавлении воды к алебастру CaSO · 0,5H₂0 образуется гипс CaSO · 2H₂O. Рассчитайте массу воды, необходимую для превращения в гипс алебастра массой 43,5 кг.
6. Предложите способ получения шести новых веществ, используя только воду и карбонат кальция.
Напишите уравнения соответствующих реакций.