Ионные уравнения реакций с магнием и кальцием

Щелочноземельные металлы и их соединения

Элементы II группы главной подгруппы

Элементы II группы главной подгруппы

Положение в периодической системе химических элементов

Щелочноземельные металлы расположены во второй группе главной подгруппе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (или просто во 2 группе в длиннопериодной форме ПСХЭ). На практике к щелочноземельным металлам относят только кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra. Бериллий Be по свойствам больше похож на алюминий, магний Mg проявляет некоторые свойства щелочноземельных металлов, но в целом отличается от них. Однако, согласно номенклатуре ИЮПАК, щелочноземельными принято считать все металлы II группы главной подгруппы.

Электронное строение и закономерности изменения свойств

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочноземельных металлов: ns 2 , на внешнем энергетическом уровне в основном состоянии находится 2 s-электрона. Следовательно, типичная степень окисления щелочноземельных металлов в соединениях +2.

Рассмотрим некоторые закономерности изменения свойств щелочноземельных металлов.

В ряду Be—Mg—Ca—Sr—Ba—Ra, в соответствии с Периодическим законом, увеличивается атомный радиус , усиливаются металлические свойства , ослабевают неметаллические свойства , уменьшается электроотрицательность .

Физические свойства

Все щелочноземельные металлы — вещества серого цвета и гораздо более твердые, чем щелочные металлы.

Бериллий Be устойчив на воздухе. Магний и кальций (Mg и Ca) устойчивы в сухом воздухе. Стронций Sr и барий Ba хранят под слоем керосина.

Кристаллическая решетка щелочноземельных металлов в твёрдом состоянии — металлическая. Следовательно, они обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Кипят и плавятся при высоких температурах.

Нахождение в природе

Как правило, щелочноземельные металлы в природе присутствуют в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов и др. Основные минералы, в которых присутствуют щелочноземельные металлы:

Доломит — CaCO₃ · MgCO₃ — карбонат кальция-магния.

Магнезит MgCO₃ – карбонат магния.

Кальцит CaCO₃ – карбонат кальция.

Гипс CaSO₄ · 2H₂O – дигидрат сульфата кальция.

Барит BaSO₄ — сульфат бария.

Витерит BaCO₃ – карбонат бария.

Способы получения

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

или восстановлением прокаленного доломита в электропечах при 1200–1300°С:

2(CaO · MgO) + Si → 2Mg + Ca₂SiO₄

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают восстановлением оксида бария алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO + 2Al → 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Качественные реакции

Качественная реакция на щелочноземельные металлы — окрашивание пламени солями щелочноземельных металлов .

Цвет пламени:
Ca — кирпично-красный
Sr — карминово-красный (алый)
Ba — яблочно-зеленый

Качественная реакция на ионы магния : взаим одействие с щелочами. Ионы магния осаждаются щелочами с образованием белого осадка гидроксида магния:

Mg 2+ + 2OH — → Mg(OH)₂↓

Качественная реакция на ионы кальция, стронция, бария : взаим одействие с карбонатами. При взаимодействии солей кальция, стронция и бария с карбонатами выпадает белый осадок карбоната кальция, стронция или бария :

Ca 2+ + CO₃ 2- → CaCO₃↓

Ba 2+ + CO₃ 2- → BaCO₃↓

Качественная реакция на ионы стронция и бария : взаим одействие с сульфатами. При взаимодействии солей стронция и бария с сульфатами выпадает белый осадок сульфата бария и сульфата стронция :

Ba 2+ + SO₄ 2- → BaSO₄↓

Sr 2+ + SO₄ 2- → SrSO₄↓

Также осадки белого цвета образуются при взаимодействии солей кальция, стронция и бария с сульфитами и фосфатами.

Например , при взаимодействии хлорида кальция с фосфатом натрия образуется белый осадок фосфата кальция:

Химические свойства

1. Щелочноземельные металлы — сильные восстановители . Поэтому они реагируют почти со всеми неметаллами .

1.1. Щелочноземельные металлы реагируют с галогенами с образованием галогенидов при нагревании.

Например , бериллий взаимодействует с хлором с образованием хлорида бериллия:

1.2. Щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с серой и фосфором с образованием сульфидов и фосфидов.

Например , кальций взаимодействует с серой при нагревании:

Ca + S → CaS

Кальций взаимодействует с фосфором с образованием фосфидов:

1.3. Щелочноземельные металлы реагируют с водородом при нагревании. При этом образуются бинарные соединения — гидриды. Бериллий с водородом не взаимодействует , магний реагирует лишь при повышенном давлении.

1.4. С азотом магний взаимодействует при комнатной температуре с образованием нитрида:

Остальные щелочноземельные металлы реагируют с азотом при нагревании.

1.5. Щелочноземельные металлы реагируют с углеродом с образованием карбидов, преимущественно ацетиленидов.

Например , кальций взаимодействует с углеродом с образованием карбида кальция:

Ca + 2C → CaC₂

Бериллий реагирует с углеродом при нагревании с образованием карбида — метанида:

2Be + C → Be₂C

1.6. Бериллий сгорает на воздухе при температуре около 900°С:

2Be + O₂ → 2BeO

Магний горит на воздухе при 650°С с выделением большого количества света. При этом образуются оксиды и нитриды:

2Mg + O₂ → 2MgO

Щелочноземельные металлы горят на воздухе при температуре около 500°С, в результате также образуются оксиды и нитриды.

Видеоопыт : горение кальция на воздухе можно посмотреть здесь.

2. Щелочноземельные металлы взаимодействуют со сложными веществами:

2.1. Щелочноземельные металлы реагируют с водой . Взаимодействие с водой приводит к образованию щелочи и водорода. Бериллий с водой не реагирует. Магний реагирует с водой при кипячении. Кальций, стронций и барий реагируют с водой при комнатной температуре.

Например , кальций реагирует с водой с образованием гидроксида кальция и водорода:

2 Ca 0 + 2 H₂ + O = 2 Ca + ( OH)₂ + H₂ 0

2.2. Щелочноземельные металлы взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной, разбавленной серной кислотой и др.). При этом образуются соль и водород.

Например , магний реагирует с соляной кислотой :

2Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑

2.3. При взаимодействии щелочноземельных металлов с концентрированной серной кислотой образуется сера.

Например , при взаимодействии кальция с концентрированной серной кислотой образуется сульфат кальция, сера и вода:

2.4. Щелочноземельные металлы реагируют с азотной кислотой . При взаимодействии кальция и магния с концентрированной или разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (I):

При взаимодействии щелочноземельных металлов с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

2.5. Щелочноземельные металлы могут восстанавливать некоторые неметаллы (кремний, бор, углерод) из оксидов.

Например , при взаимодействии кальция с оксидом кремния (IV) образуются кремний и оксид кальция:

2Ca + SiO₂ → 2CaO + Si

Магний горит в атмосфере углекислого газа . При этом образуется сажа и оксид магния:

2Mg + CO₂ → 2MgO + C

2.6. В расплаве щелочноземельные металлы могут вытеснять менее активные металлы из солей и оксидов . Обратите внимание! В растворе щелочноземельные металлы будут взаимодействовать с водой, а не с солями других металлов.

Например , кальций вытесняет медь из расплава хлорида меди (II):

Ca + CuCl₂ → CaCl₂ + Cu

Оксиды щелочноземельных металлов

Способы получения

1. О ксиды щелочноземельных металлов можно получить из простых веществ — окислением металлов кислородом :

2Ca + O₂ → 2CaO

2. Оксиды щелочноземельных металлов можно получить термическим разложением некоторых кислородсодержащих солей — карбонатов , нитратов .

Например , нитрат кальция разлагается на оксид кальция, оксид азота (IV) и кислород:

3. Оксиды магния и бериллия можно получить термическим разложением гидроксидов :

Химические свойства

Оксиды кальция, стронция, бария и магния — типичные основные оксиды . Вступают в реакции с кислотными и амфотерными оксидами, кислотами, водой. Оксид бериллия — амфотерный .

1. Оксиды кальция, стронция, бария и магния взаимодействуют с кислотными и амфотерными оксидами :

Например , оксид магния взаимодействует с углекислым газом с образованием карбоната магния:

2. Оксиды щелочноземельных металлов взаимодействуют с кислотами с образованием средних и кислых солей (с многоосновными кислотами).

Например , оксид кальция взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида кальция и воды:

CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O

3. Оксиды кальция, стронция и бария активно взаимодействуют с водой с образованием щелочей.

Например , оксид кальция взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

CaO + H₂O → 2Ca(OH)₂

Оксид магния реагирует с водой при нагревании:

MgO + H₂O → Mg(OH)₂

Оксид бериллия не взаимодействует с водой.

4. Оксид бериллия взаимодействует с щелочами и основными оксидами.

При взаимодействии оксида бериллия с щелочами в расплаве или с основными оксидами образуются соли-бериллаты.

Например , оксид натрия реагирует с оксидом бериллия с образованием бериллата натрия:

Например , гидроксид натрия реагирует с оксидом бериллия в расплаве с образованием бериллата натрия:

При взаимодействии оксида бериллия с щелочами в растворе образуются комплексные соли.

Например , оксид бериллия реагирует с гидроксидом калия с растворе с образованием тетрагидроксобериллата калия:

Гидроксиды щелочноземельных металлов

Способы получения

1. Гидроксиды кальция, стронция и бария получают при взаимодействии соответствующих оксидов с водой .

Например , оксид кальция (негашеная известь) при взаимодействии с водой образует гидроксид кальция (гашеная известь):

Оксид магния взаимодействует с водой только при нагревании:

2. Гидроксиды кальция, стронция и бария получают при взаимодействии соответствующих металлов с водой.

Например , кальций реагирует с водой с образованием гидроксида кальция и водорода:

Магний взаимодействует с водой только при кипячении:

3. Гидроксиды кальция и магния можно получить при взаимодействии солей кальция и магния с щелочами .

Например , нитрат кальция с гидроксидом калия образует нитрат калия и гидроксид кальция:

Химические свойства

1. Гидроксиды кальция, стронция и бария реагируют с всеми кислотами (и сильными, и слабыми). При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов.

Гидроксид магния взаимодействует только с сильными кислотами.

Например , гидроксид кальция с соляной кислотой реагирует с образова-нием хлорида кальция:

2. Гидроксиды щелочных металлов реагируют с кислотными оксидами . При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов.

Например , гидроксид бария с углекислым газом реагирует с образова-нием карбонатов или гидрокарбонатов:

3. Гидроксиды кальция, стронция и бария реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами . При этом в расплаве образуются средние соли, а в растворе комплексные соли.

Например , гидроксид бария с оксидом алюминия реагирует в расплаве с образованием алюминатов:

в растворе образуется комплексная соль — тетрагидроксоалюминат:

4. Гидроксиды кальция, стронция и бария взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, или менее кислые соли.

Например : гидроксид кальция реагирует с гидрокарбонатом кальция с образованием карбоната кальция:

5. Гидроксиды кальция, стронция и бария взаимодействуют с простыми веществами-неметаллами (кроме инертных газов, азота, кислорода, водорода и углерода). Взаимодействие щелочей с неметаллами подробно рассмотрено в статье про щелочные металлы.

6. Гидроксиды кальция, стронция и бария взаимодействуют с амфотерными металлами , кроме железа и хрома . При этом в расплаве образуются соль и водород:

В растворе образуются комплексная соль и водород:

7. Гидроксиды кальция, стронция и бария вступают в обменные реакции с растворимыми солями. Как правило, с этими гидроксидами реагируют растворимые соли тяжелых металлов (в ряду активности расположены правее алюминия), а также растворимые карбонаты, сульфиты, силикаты, и, для гидроксидов стронция и бария — растворимые сульфаты.

Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом бария с образованием хлорида бария и осадка гидроксида железа (II):

Также с гидроксидами кальция, стронция и бария взаимодействуют соли аммония.

Например , при взаимодействии бромида аммония и гидроксида кальция образуются бромид кальция, аммиак и вода:

8. Гидроксид кальция разлагается при нагревании до 580 о С, гидроксиды магния и бериллия разлагаются при нагревании:

9. Гидроксиды кальция, стронция и бария проявляют свойства сильных оснований . В воде практически полностью диссоциируют , образуя щелочную среду и меняя окраску индикаторов.

Ba(OH)₂ ↔ Ba 2+ + 2OH —

Гидроксид магния — нерастворимое основание. Гидроксид бериллия проявляет амфотерные свойства.

10. Гидроксид и бериллия взаимодействует с щелочами . В расплаве образуются соли бериллаты, а в растворе щелочей — комплексные соли.

Например , гидроксид бериллия реагирует с расплавом гидроксида натрия:

При взаимодействии гидроксида бериллия с избытком раствора щелочи образуется комплексная соль:

Соли щелочноземельных металлов

Нитраты щелочноземельных металлов

Нитраты кальция, стронция и бария при нагревании разлагаются на нитриты и кислород. Исключение — нитрат магния. Он разлагается на оксид магния, оксид азота (IV) и кислород.

Например , нитрат кальция разлагается при нагревании на нитрит кальция и молекулярный кислород:

Карбонаты щелочноземельных металлов

1. Карбонаты щелочноземельных металлов при нагревании разлагаются на оксид и углекислый газ.

Например , карбонат кальция разлагается при температуре 1200 о С на оксид кальция и углекислый газ:

2. Карбонаты щелочноземельных металлов под действием воды и углекислого газа превращаются в растворимые в воде гидрокарбонаты.

Например , карбонат кальция взаимодействует с углекислым газом и водой с образованием гидрокарбоната кальция:

3. Карбонаты щелочноземельных металлов взаимодействуют с более сильными кислотами с образованием новой соли, углекислого газа и воды.

Более сильные кислоты вытесняют менее сильные из солей.

Например , карбонат магния взаимодействует с соляной кислотой:

4. Менее летучие оксиды вытесняют углекислый газ из карбонатов при сплавлении. К менее летучим, чем углекислый газ, оксидам относятся твердые оксиды — оксид кремния (IV), оксиды амфотерных металлов.

Менее летучие оксиды вытесняют более летучие оксиды из солей при сплавлении.

Например , карбонат кальция взаимодействует с оксидом алюминия при сплавлении:

Жесткость воды

Постоянная и временная жесткость

Жесткость воды — это характеристика воды, обусловленная содержанием в ней растворенных солей щелочноземельных металлов, в основном кальция и магния (солей жесткости).

Временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂ в воде.

Постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена присутствием солей, не выделяющихся при кипячении из раствора: хлоридов (CaCl₂) и сульфатов (MgSO₄) кальция и магния.

Способы устранения жесткости

Существуют химические и физические способы устранения жесткости. Химические способы устранения временной жесткости:

1. Кипячение. При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния распадаются на нерастворимые карбонаты, углекислый газ и воду:

2. Добавление извести (гидроксида кальция). При добавлении щелочи растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты:

Химические способы устранения постоянной жесткости — реакции ионного обмена, которые позволяют осадить ионы кальция и магния из раствора:

1. Добавление соды (карбоната натрия). Карбонат натрия связывает ионы кальция и магния в нерастворимые карбонаты:

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓+ 2NaCl

2. Добавление фосфатов. Фосфаты также связывают ионы кальция и магния:

Ионные уравнения реакций с магнием и кальцием

Ключевые слова конспекта: соединения кальция, соединения магния и кальция, гашеная известь, негашеная известь, гидрооксид кальция, оксид кальция, сульфат кальция, гипс, алебастр, карбонат кальция, мел, мрамор, известняк, кальцит, фосфорит, фосфоритная мука, хлорид кальция, карбид кальция, ацетилен, жесткость воды.

СОЕДИНЕНИЯ КАЛЬЦИЯ

Перечислим наиболее часто используемые соединения кальция.

Оксид кальция СаО – негашёная известь. При взаимодействии с водой происходит гашение извести, при этом выделяется много тепла:

СаО + H₂O = Са(ОН)₂

Гидроксид кальция Са(ОН)₂ – гашёная известь. Раствор гидроксида кальция – известковая вода. Известковая вода поглощает углекислый газ, происходит помутнение вследствие образования нерастворимого карбоната кальция:

Са(ОН)₂ + СO₂ = СаСO₃↓ + H₂O

При пропускании избытка углекислого газа помутнение исчезает, образуется растворимый в воде гидрокарбонат кальция:

СаСO₃ + H₂O + СO₂ = Са(НСO₃)₂

Сульфат кальция двухводный CaSO₄ • 2Н₂О – гипс, а другой кристаллогидрат сульфата кальция – 2CaSO₄ • H₂O – алебастр. Гипс и алебастр используются в строительстве, медицине и для изготовления декоративных изделий.

Карбонат кальция СаСО₃ – это мел, мрамор, известняк, кальцит (исландский шпат).

Ортофосфат кальция Са3(РO₄)₂ – фосфорит, фосфоритная мука. Используется как фосфорное удобрение.

Чистый безводный хлорид кальция СаCl₂ чрезвычайно гигроскопичен, поэтому широко применяется в лаборатории как осушитель в виде гранул. В медицине используется 10%-й раствор хлорида кальция. Ионы Са 2+ способствуют хорошей сворачиваемости крови.

Карбид кальция СаС₂ используется для получения ацетилена:

СаС₂ + 2H₂O = Са(ОН)₂ + C₂H₂↑

Его получают в электропечах при нагревании с углём:

СОЕДИНЕНИЯ КАЛЬЦИЯ И МАГНИЯ

Соединения кальция и магния широко распространены в природе. Наличие ионов Са 2+ и Mg 2+ в природных водах обусловливает особые свойства воды, которые называют её жёсткостью. В жёсткой воде не мылится мыло (вследствие образования нерастворимых солей кальция и магния – стеаратов кальция и магния), при нагревании жёсткой воды образуется накипь и т. д.

Временная жёсткость воды обусловлена присутствием в качестве катионов – ионов кальция и магния, а в качестве анионов – гидрокарбонат-ионов. Такую жёсткость воды можно устранить даже кипячением:

Так ионы кальция оказываются связанными с карбонат-ионами в осадке – карбонате кальция. Концентрация ионов кальция в растворе заметно уменьшается, вода становится мягкой.

Другой способ перевода ионов кальция в осадок – добавление к жёсткой воде известковой воды, в этом случае кислая соль переходит в среднюю:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Можно умягчать воду с помощью реакций ионного обмена. При взаимодействии жёсткой воды с раствором соды образуется осадок карбоната кальция:

Са(НСO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaHCO₃

Постоянная жёсткость воды обусловлена наличием ионов кальция и магния – в качестве катионов и дигидрофосфат-ионов, хлорид-ионов, нитрат-ионов и др. – в качестве анионов. С таким видом жёсткости воды можно справиться только благодаря реакциям ионного обмена. Надо подобрать такие реакции ионного обмена, в результате которых ионы магния и кальция будут переведены в осадок. Например:

Конспект урока по химии «Соединения кальция и магния». Выберите дальнейшее действие:

Ионные уравнения реакций с магнием и кальцием

14.1. Общая характеристика элементов IA и IIA групп

В IA группу входят литий, натрий, калий, рубидий и цезий. Эти элементы называют щелочными элементами. В эту же группу входит искусственно полученный малоизученный радиоактивный (неустойчивый) элемент франций. Иногда в IA группу включают и водород (см.главу 10). Таким образом, в эту группу входят элементы каждого из 7 периодов.
Во IIA группу входят бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Последние четыре элемента имеют групповое название – щелочноземельные элементы.
Говоря о том, сколь часто встречаются природе атомы того, или иного элемента, обычно указывают его распространенность в земной коре. Под земной корой понимают атмосферу, гидросферу и литосферу нашей планеты. Так, в земной коре наиболее распространены четыре из этих тринадцати элементов: Na (w =2,63 %), K (w = 2,41 %), Mg (w = 1,95 %) и Ca (w = 3,38 %). Остальные встречаются значительно реже, а франций вообще не встречается.
Орбитальные радиусы атомов этих элементов (кроме водорода) изменяются от 1,04 А (у бериллия) до 2,52 А (у цезия), то есть у всех атомов превышают 1 ангстрем. Это приводит к тому, что все эти элементы представляют собой элементы, образующие истинные металлы, а бериллий – элемент, образующий амфотерный металл.
Общая валентная электронная формула элементов IA группы – ns 1 , а элементов IIА группы – ns 2 .
Большие размеры атомов и незначительное число валентных электронов приводят к тому, что атомы этих элементов (кроме бериллия) склонны отдавать свои валентные электроны. Наиболее легко отдают свои валентные электроны атомы элементов IA группы (см. приложение 6), при этом из атомов щелочных элементов образуются однозарядные катионы, а из атомов щелочноземельных элементов и магния – двухзарядные катионы. Степени окисления в соединениях у щелочных элементов равна +I, а у элементов IIA группы – +II.
Простые вещества, образуемые атомами этих элементов, – металлы. Литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций называют щелочными металлами, так как их гидроксиды представляют собой щелочи. Кальций, стронций и барий называют щелочноземельными металлами. Химическая активность этих веществ увеличивается по мере увеличения атомного радиуса.
Из химических свойств этих металлов наиболее важны их восстановительные свойства. Щелочные металлы – сильнейшие восстановители. Металлы элементов IIA группы также довольно сильные восстановители.
Все они (кроме бериллия) реагируют с водой (магний при кипячении):
2M + 2H₂O = 2M _aq + 2OH _aq + H₂ ,
M + 2H₂O = M 2 + 2OH + H₂ .

В случае магния, кальция и стронция из-за малой растворимости образующихся гидроксидов реакция сопровождается образованием осадка:

M 2 + 2OH = Mg(OH)₂

Щелочные металлы реагируют с большинством неметаллов:
2M + H₂ = 2MH (при нагревании),
4M + O₂ = 2M₂O (M – Li),
2M + Cl₂ = 2MCl (при обычных условиях),
2M + S = M₂S (при нагревании).

Из щелочных металлов, сгорая в кислороде, обычный оксид образует только литий. Остальные щелочные металлы образуют пероксиды (M₂O₂) или надпероксиды (MO₂ – соединения, содержащие надпероксид-ион с формальным зарядом –1 е).
Как и щелочные металлы, металлы элементов IIA группы реагируют со многими неметаллами, но при более жестких условиях:
M + H₂ = MH₂ (при нагревании; кроме бериллия),
2M + O₂ = 2MO (при обычных условиях; Be и Mg – при нагревании),
M + Cl₂ = MCl₂ (при обычных условиях),
M + S = MS (при нагревании).
В отличие от щелочных металлов с кислородом они образуют обычные оксиды.
С кислотами спокойно реагирует только магний и бериллий, остальные простые вещества очень бурно, часто со взрывом.
Бериллий реагирует с концентрированными растворами щелочей:
Be + 2OH + 2H₂O = [Be(OH)₄] 2 + H₂

В соответствии с положением в ряду напряжений с растворами солей реагируют только бериллий и магний, остальные металлы в этом случае реагируют с водой.
Являясь сильными восстановителями, щелочные и щелочноземельные металлы восстанавливают многие менее активные металлы из их соединений, например, при нагревании протекают реакции:
4Na + MnO₂ = 2Na₂O + Mn;
2Ca + SnO₂ = 2CaO + Sn.
Общий для всех щелочных металлов и металлов IIA группы промышленный способ получения – электролиз расплавов солей.
Кроме бериллия оксиды всех рассматриваемых элементов – основные оксиды, а гидроксиды – сильные основания (у бериллия эти соединения амфотерные, гидроксид магния – слабое основание).
Усиление основных свойств гидроксидов с увеличением порядкового номера элемента в группе легко прослеживается в ряду гидроксидов элементов IIA группы. Be(OH)₂ – амфотерный гидроксид, Mg(OH)₂ – слабое основание, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ и Ba(OH)₂ сильные основания, но с увеличением порядкового номера растет их растворимость, и Ba(OH)₂ уже можно отнести к щелочам.

НАДПЕРОКСИДЫ
1.Составьте сокращенные электронные формулы и энергетические диаграммы атомов элементов IA и IIA групп. Укажите внешние и валентные электроны.
2.По каким причинам водород помещают в IA группу, а по каким – в VIIA группу?
3.Составьте уравнения реакций следующих веществ с избытком кислорода: Li, Na, K, LiH, NaH, Li₃N, Na₂C₂.
4.Кристаллы некоторого вещества состоят из однозарядных ионов. В состав каждого иона входит по 18 электронов. Составьте а) простейшую формулу вещества; б) сокращенные электронные формулы ионов; в) уравнение одной из реакций получения этого вещества; г) два уравнения реакций с участием этого вещества.

Натрий и калий – важнейшие щелочные элементы.
Простые вещества, образуемые этими элементами, – мягкие легкоплавкие серебристые металлы, легко режутся ножом, быстро окисляются на воздухе. Хранят их под слоем керосина. Температура плавления натрия 98 °С, а калия 64 °С.
Оксиды этих элементов типичные основные оксиды. Они очень гигроскопичны: поглощая воду, превращаются в гидроксиды.
Гидроксиды натрия и калия – щелочи. Это твердые бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся без разложения. Как и оксиды, они очень гигроскопичны: поглощая воду, превращаются в концентрированные растворы. Как твердые гидроксиды, так и их концентрированные растворы – очень опасные вещества: при попадании на кожу вызывают труднозаживающие язвы, вдыхание их пыли приводит к поражению дыхательных путей. Гидроксид натрия (тривиальные названия – едкий натр, каустическая сода) относится к важнейшим продуктам химической промышленности – с его помощью создается щелочная среда во многих химических производствах. Гидроксид калия (тривиальное название – «едкое кали») используют для производства других соединений калия.
Большинство средних солей натрия и калия термически устойчивые вещества и разлагаются только при очень высоких температурах. При умеренном нагревании разлагаются только соли галогенсодержащих оксокислот, нитраты и некоторые другие соединения:

NaClO₄ = NaCl + 2O₂ ;
8NaClO₃ = 6NaClO₄ + 2NaCl;
2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂ ;
Na₂[Zn(OH)₄] = Na₂ZnO₂ + 2H₂O .

Кислые соли менее устойчивы, при нагревании все они разлагаются:

2NaHS = Na₂S + H₂S ;
2NaHSO₄ = Na₂S₂O₇ + H₂O ;
2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O­ + CO₂ ;
NaH₂PO₄ = NaPO₃ + H₂O ;
Na₂HPO₄ = Na₄P₂O₇ + H₂O .

Основных солей эти элементы не образуют.

Из солей наибольшее значение имеет хлорид натрия – поваренная соль. Это не только необходимая составная часть пищи, но и сырье для химической промышленности. Из него получают гидроксид натрия, питьевую соду (NaHCO₃), соду (Na₂CO₃) и многие другие соединения натрия. Соли калия – необходимые минеральные удобрения.
Почти все соли натрия и калия растворимы, поэтому доступных качественных реакций на ионы этих элементов не. (Качественными реакциями называют химические реакции, позволяющие обнаружить в соединении атомы или ионы какого-либо химического элемента, доказав при этом, что обнаружен именно эти атомы или ионы, а не какие-нибудь другие, похожие на них по химическим свойствам. Также называют реакции, позволяющие обнаружить какое-либо вещество в смеси) Определить наличие в соединении ионов натрия или калия можно по окрашиванию бесцветного пламени при внесении в него исследуемого образца: в случае натрия пламя окрашивается в желтый цвет, а в случае калия – в фиолетовый.

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ
Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства а) натрия, б) гидроксида калия, в) карбоната натрия, г) гидросульфида натрия.
Окрашивание пламени солями натрия и калия

Простые вещества магний и кальций – металлы. Кальций быстро окисляется на воздухе, а магний в этих условиях значительно устойчивее – он окисляется лишь с поверхности. Кальций хранят под слоем керосина. Температуры плавления магния и кальция – 650 и 851 °С соответственно. Магний и кальций значительно более твердые вещества, чем щелочные металлы. Невысокая плотность магния (1,74 г/см 3 ) при значительной прочности дает возможность использовать его сплавы в авиационной промышленности.
И магний, и кальций – сильные восстановители (особенно при нагревании). Их часто используют для восстановления других, менее активных, металлов из их оксидов (магний – в лаборатории, а кальций – в промышленности).
Магний и кальций – одни из немногих металлов реагирующих с азотом. При нагревании они образует с ним нитриды Mg₃N₂ и Ca₃N₂. Поэтому, сгорая на воздухе, магний и кальций превращаются в смесь оксидов с нитридами.
Кальций легко реагирует с водой, а магний – только при кипячении. В обоих случаях выделяется водород и образуются малорастворимые гидроксиды.
Оксиды магния и кальция – ионные вещества; по химическому поведению они – основные оксиды. Оксид магния с водой не реагирует, а оксид кальция (тривиальное название – «негашеная известь») реагирует бурно с выделением теплоты. Образующийся гидроксид кальция в промышленности называют «гашеной известью».
Гидроксид магния нерастворим в воде, тем не менее он является основанием. Гидроксид кальция заметно растворим в воде; его насыщенный раствор называют «известковой водой», это щелочной раствор (изменяет окраску индикаторов). Гидроксид кальция в сухом, а особенно во влажном состоянии поглощает углекислый газ из окружающего воздуха и превращается в карбонат кальция. Это свойство гашеной извести много веков использовалось в строительстве: гашеная известь как основной компонент входила в состав строительных известковых растворов, в настоящее время почти полностью замененных цементными. Оба гидроксида при умеренном нагревании, не плавясь, разлагаются.
Соли магния и особенно кальция входят в состав многих породообразующих минералов. Из этих горных пород наиболее известны мел, мрамор и известняк, основным веществом которых является карбонат кальция. Карбонаты кальция и магния при нагревании разлагаются на соответствующие оксиды и углекислый газ. С водой, содержащей растворенный диоксид углерода, эти карбонаты реагируют, образуя растворы гидрокарбонатов, например:

MCO₃ + CO₂ + H₂O = M 2 + 2HCO₃ .

При нагревании, и даже при попытке выделить гидрокарбонаты из раствора, удаляя воду при комнатной температуре, они разлагаются по обратной реакции:

M 2 + 2HCO₃ = MCO₃ + CO₂ + H₂O.

Гидратированный сульфат кальция CaSO₄·2H₂O представляет собой бесцветное кристаллическое вещество малорастворимое в воде. При нагревании оно частично обезвоживается, переходя в кристаллогидрат состава 2CaSO₄·H₂O. Тривиальное название двуводного гидрата – гипс, а полуводного – алебастр. При смешивании алебастра с водой он гидратируется, при этом образуется плотная твердая масса гипса. Это свойство алебастра используется в медицине (гипсовые повязки) и строительстве (армированные гипсовые перегородки, заделка дефектов). Скульпторы используют алебастр для изготовления гипсовых моделей и форм.
Карбид (ацетиленид) кальция CaC₂. Структурная формула (Ca 2 )( CC ). Получают спеканием негашеной извести с углем:

CaO + 3C = CaC₂ + CO

Это ионное вещество не является солью и полностью гидролизуется водой с образованием ацетилена, который долгое время и получали таким способом:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂.

Гидратированный ион магния [Mg(H₂O)₆] 2 – катионная кислота (см. приложение 13), поэтому растворимые соли магния подвергаются гидролизу. По этой же причине магний может образовывать основные соли, например, Mg(OH)Cl. Гидратированный ион кальция не является катионной кислотой.
Кальций в соединении может быть обнаружен по окрашиванию пламени. Цвет пламени – оранжево-красный. Качественная реакция на ионы Ca 2 , Sr 2 и Ba 2 , не позволяющая однако различить эти ионы между собой – осаждение соответствующих сульфатов разбавленным раствором серной кислоты (или любым раствором сульфата в кислотной среде):

M 2 + SO₄ 2 = MSO₄.

1.Почему магний и кальций не образуют однозарядных ионов?
2.Составьте уравнения всех реакций, приведенных параграфе описательно.
3.Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства а) кальция, б) оксида кальция, в) гидроксида магния, г) карбоната кальция, д) хлорида магния.
Исследование свойств соединений магния и кальция

Природная вода в той, или иной степени содержит ионы растворимых солей. Если в пресной воде суммарная концентрация ионов Mg 2 и Ca 2 превышает 2 ммоль/л, то такую воду называют жесткой (если не превышает, то – мягкой). В качестве анионов в жесткой воде могут содержаться HCO₃ , SO₄ 2 , Cl и другие ионы.
При нагревании жесткой воды из нее выделяются карбонаты магния и кальция, а при кипячении – еще и сульфаты. Образующийся плотный осадок часто называют «накипью». Именно он появляется на внутренних поверхностях чайников. В промышленности этот осадок образуется на стенках котлов, снижая их теплопроводность, и трубопроводов, уменьшая их внутренний диаметр.
При стирке в жесткой воде с использованием мыла его расход сильно возрастает, а качество стирки снижается, так как из раствора мыла (натриевых солей некоторых органических кислот) выделяются нерастворимые кальциевые и магниевые соли. При использовании синтетических стиральных порошков этот эффект не наблюдается.
Различают временную (карбонатную) жесткость, устраняемую кипячением, и постоянную (некарбонатную), сохраняющуюся после кипячения воды.
Устранение жесткости заключается в удалении из нее ионов Mg 2 и Ca 2 .
Временная жесткость устраняется кипячением.
Для устранения общей жесткости в воду добавляют различные реагенты:
1. Гашеную известь Ca(OH)₂.
Ca 2 + HCO₂ +OH = CaCO₃ + H₂O
Mg 2 + 2HCO₃ + Ca 2 + 2OH = MgCO₃ + CaCO₃ + 2H₂O
Mg 2 + 2OH = Mg(OH)₂

2. Соду Na₂CO₃.
M 2 +CO₃ 2 = MCO₃

3. Фосфат натрия Na₂PO₄.
3M 2 + 2PO₄ 3 = M₃(PO₄)₂

Фосфаты кальция и магния менее растворимы, чем карбонаты. Поэтому применение фосфата натрия приводит к более полному устранению жесткости.
Современный способ устранения жесткости основан на применении ионообменных смол (ионитов). Иониты представляют собой полимерные кислоты RH_n (катиониты) и полимерные основания R(OH)_n (аниониты).
При пропускании растворов солей через трубки (ионообменники), заполненные зернами ионитов, протекают реакции, называемые реакциями ионного обмена: катиониты как бы обменивают свои атомы водорода на катионы (отсюда и их название), а аниониты – гидроксильные группы на анионы:

RH_n + (n/2)M 2 + nH₂O = RM_n/2 + nH₃O ,
R(OH)_n + nA = RA_n + nOH .

Последовательно пропуская жесткую воду через ионообменник, заполненный катионитом, и ионообменник, заполненный анионитом, жесткость можно устранить полностью.
Таким способом можно очистить не только жесткую, но и морскую воду, что иногда и делается для ее опреснения. В промышленности иониты используют для получения чистой (деионизированной) воды вместо дистиллированной.

ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ,ЖЕСТКАЯ ВОДА,МЯГКАЯ ВОДА, ВРЕМЕННАЯ ЖЕСТКОСТЬ, ПОСТОЯННАЯ ЖЕСТКОСТЬ, ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ (ИОНИТЫ), КАТИОНИТ, АНИОНИТ, ИОНООБМЕННИК, РЕАКЦИЯ ИОННОГО ОБМЕНА.
Составьте молекулярные уравнения реакций, ионные уравнения которых приведены в тексте параграфа.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору