Щелочноземельные металлы

Щёлочноземельные металлы — химические элементы, образующие 2-ую группу периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Sr) и радий (Ra). Элемент под номером 120 (унбинилий, Ubn) в случае его синтеза также, вероятно, будет относиться к данной группе химических элементов. Бериллий и магний не всегда относят к щелочноземельным металлам, поскольку по химическим свойствам больше напоминают алюминий, а не эти металлы.

В природе чаще всего встречаются кальций и магний: в основном в виде карбонатов, гидрокарбонатов и сульфатов, а также в составе различных минералов.

Содержание кальция в земной коре — 3,38 % от её массы.

Магний — 2,35 % от массы земной коры. Радий — редкий радиоактивный металл, его содержание в земной коре — 10−10% от её массы.

Происхождение названия связано с тем, что оксиды щёлочноземельных металлов (по терминологии алхимиков — «земли») растворяются в воде с образованием растворимых оснований — щелочей. На внешней электронной оболочке атомов щёлочноземельных металлов находится 2 s-электрона, ей предшествует оболочка из 2 s- и 6 р-электронов.

Химические свойства

Щёлочноземельные металлы всегда двухвалентны и проявляют в соединениях степень окисления +2. Обладают высокой химической активностью и в природе в свободном состоянии не встречаются. Активность их возрастает при увеличении порядкового номера. Таким образом, радий является наиболее активным из них.

Кальций, стронций, барий и радий быстро окисляются на влажном воздухе (в сухом медленнее), покрываясь смесью оксидов, гидроксидов, карбонатов и нитридов, поэтому их, подобно щелочным металлам, хранят под слоем керосина. При нагревании на воздухе эти металлы энергично горят, образуя оксиды:

2Ca + O2 → 2CaO

Бериллий и магний при комнатной температуре покрываются защитной оксидной плёнкой. Но в мелкодисперсном виде эти металлы пирофорны.

Кальций, стронций, барий и радий бурно реагируют с водой при комнатной температуре. При этом образуются щёлочи, сила которых возрастает от гидроксида кальция к гидроксиду радия.

Ba + 2H2O → Ba(OH)2 + H2

Магний заметно взаимодействует с водой только при нагревании. Компактный бериллий с водой и водяным паром не реагирует.

Кальций и его соединения

Содержание элемента в земной коре составляет до 3,5%, что указывает на его широкое распространение в составе таких минералов, как известняк, мел, мрамор и кальцит. В состав природного кальция входит шесть видов изотопов. Он также содержится в источниках природной воды. Соединения щелочных металлов подробно изучаются в курсе неорганической химии. Например, на уроках в 9 классе учащиеся узнают, что кальций – это легкий, но прочный металл серебристо-белого цвета. Температура его плавления и кипения выше, чем у щелочных элементов. Основной способ получения – электролиз смеси расплавленных солей хлорида и фторида кальция. К основным химическим свойствам относятся его реакции с кислородом, водой и неметаллами. Из соединений щелочных металлов наибольшее значение для промышленности имеют оксид и основание кальция. Первое соединение получают из мела или известняка методом их выжигания.

Далее из окиси кальция и воды образуется гидроксид кальция. Смесь его с песком и водой называют строительным известковым раствором. Он продолжает применяться в качестве штукатурки и для соединения кирпичей при кладке стен. Раствор гидроксида кальция, называемый известковой водой, используют в качестве реактива для обнаружения углекислого газа. При пропускании двуокиси углерода через прозрачный водный раствор Ca(OH)2, наблюдается его помутнение вследствие образования нерастворимого осадка карбоната кальция.

Магний и его характеристика

Химия щелочноземельных металлов изучает свойства магния, акцентируя внимание на некоторых его особенностях. Он представляет собой очень легкий, серебристо-белый металл. Магний, расплавленный в атмосфере с высокой влажностью, активно поглощает из водяного пара молекулы водорода. Остывая, металл практически полностью выделяет их обратно в воздух. Он очень медленно реагирует с водой по причине образования малорастворимого соединения – гидроксида магния. Щелочи на магний не действуют вовсе. Не реагирует металл с некоторыми кислотами: концентрированной сульфатной и плавиковой, вследствие его пассивации и образования на поверхности защитной пленки. Большинство же минеральных кислот растворяют металл, что сопровождается бурным выделением водорода. Магний – сильный восстановитель, он замещает многие металлы из их оксидов или солей:

BeO + Mg = MgO + Be.

Металл вместе с бериллием, марганцем, алюминием применяют в качестве легирующей добавки к стали. Особенно ценными свойствами обладают магнийсодержащие сплавы — электроны. Их используют в самолетостроении и производстве автомобилей, а также в деталях оптической техники.

Бериллий и его свойства

К щелочноземельным металлам относятся также бериллий, барий и стронций. Рассмотрим бериллий. Элемент мало распространен в природе, в основном, встречается в составе минералов, например, берилла. Его разновидности, содержащие разноцветные примеси, образуют драгоценные камни: изумруды и аквамарины. Особенностью физических свойств является хрупкость и высокая твердость. Отличительной чертой атома элемента является наличие на втором снаружи энергетическом уровне не восьми, как у всех остальных щелочноземельных металлов, а только двух электронов.

Поэтому радиус атома и иона непропорционально мал, энергия ионизации большая. Это обуславливает высокую прочность кристаллической решетки металла. Химические свойства бериллия также отличают его от других элементов второй группы. Он реагирует не только с кислотами, но и с растворами щелочей, вытесняя водород и, образуя гидроксобериллаты:

Be + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2.

Металл имеет ряд уникальных характеристик. Благодаря способности пропускать рентгеновские лучи, его применяют для изготовления окошек рентгеновских трубок. В ядерной промышленности элемент считается наилучшим замедлителем и отражателем нейтронов. В металлургии он применяется как ценная легирующая добавка, повышающая антикоррозионные свойства сплавов.

Стронций и барий

Элементы достаточно распространены в природе и, так же, как щелочноземельный металл магний, входят в состав минералов. Назовем их: это барит, целестин, стронцианит. Барий имеет вид пластичного металла серебристо-белого цвета. Как и кальций, представлен несколькими изотопами. На воздухе активно взаимодействует с его компонентам – кислородом и азотом, образуя оксид и нитрид бария. По этой причине металл хранят под слоем парафина или минерального масла, избегая его контакта с воздухом.

Оба металла при нагревании до 500°C образуют пероксиды.

Из них практическое применение имеет перекись бария, используемая в качестве отбеливателя тканей. Химические свойства щелочноземельных металлов – бария и стронция, похожи на свойства кальция. Однако их взаимодействие с водой протекает значительно активнее, а образовавшиеся основания являются более сильными, чем гидроксид кальция. Барий применяют в качестве добавки к жидкометаллическим теплоносителям, уменьшающей коррозию, в оптике, при изготовлении вакуумных электронных приборов. Стронций востребован в производстве фотоэлементов и люминофоров.

Добавить комментарий

Закрыть меню