Элементы 2-й группы: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий

В результате успешного освоения материала этой главы студент должен:

знать

• • химические свойства бериллия, магния, кальция и их важнейших соединений (оксидов, гидроксидов, солей магния и кальция);
• • определение понятия «жесткость воды»;

уметь

• • производить вычисления с использованием понятия «жесткость воды»;
• • вычислять массовую долю оксидов щелочноземельных металлов в соединениях;

владеть

• представлениями о катионах магния и кальция как важнейшей химической форме их существования в природе, об отличиях в строении их первичных и вторичных гидратных оболочек, о различиях в растворимости солей магния, кальция и щелочных металлов; о комплексных соединения магния и кальция и роли магния в хлорофилле; о роли катионов магния и кальция в живой клетке, о роли магния и кальция в почве, об известковании и гипсовании почв.

Общие свойства магния, кальция и других элементов

2-й группы Все элементы 2-й группы: бериллий Be, магний Mg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радий Ra — металлы. Наибольшие отличия в химических свойствах от остальных элементов подгруппы проявляет элемент второго периода — бериллий. Для бериллия характерно образование соединений с ковалентными связями, тогда как другие элементы 2-й группы образуют соединения с преобладанием ионного характера связи. Магний также отличается по химическим свойствам от остальных элементов подгруппы, но эти отличия значительно меньше, чем отличия бериллия. Кальций, стронций, барий и радий часто объединяют под общим названием щелочноземельные металлы. Их назвали так потому, что оксиды этих металлов, но химическим свойствам занимают промежуточное положение между оксидами щелочных металлов и оксидами, которые раньше называли землями, например А1₂0₃.

Распространение в природе. Как и щелочные металлы, все элементы 2-й группы встречаются в природе только в виде соединений.

Бериллий — редкий, но не рассеянный элемент. Он образует более 50 собственных минералов. Наибольшее значение из них имеет берилл (табл. 16.1). Разновидности берилла — драгоценные камни: изумруд, аквамарин, гелиодор.

Кальций и магний относятся к числу элементов с большими кларками.

Самые распространенные минералы литосферы, содержащие кальций и магний, — различные силикаты, например

Таблица 16.1

Распространенность и типы природных соединений элементов 2-й группы.

оливин (Mg, Fe)₂ [Si0₄], серпентин Mg₆(OH)₈[Si₄Oi₀], диопсид CaMg[Si₂0₆], волластонит Саз^зОд], и алюмосиликаты, например анортит Ca[Al₂Si₂0₈]. Оба элемента образуют карбонатные минералы: кальцит СаС0₃, магнезит MgC0₃ и доломит MgC03-CaC03. Из кальцита состоят такие горные породы, как известняк, мел и мрамор, образующие огромные залежи. Существуют меловые холмы и горы, состоящие из известняка. Многие карбонатные горные породы являются биогенными. Они возникли из мелких кальцитовых кристаллов, входивших в состав скелетов и панцирей живших десятки миллионов лет назад животных и микроскопических водорослей. Крупные залежи образуют также такие содержащие магний минералы, как бишофит MgCl₂-6H₂0, карналлит KCbMgCl₂ -6H₂0, эпсомит MgS0₄*7H₂0 и каинит КС1 • MgS0₄ • ЗН₂0. Из кальцийсодержащих минералов промышленное значение имеют также фосфорит Са5(Р0₄)₃(0Н), апатиты Са₅(Р0₄)₃(Р, С1), гипс CaS0₄ • 2Н₂0 и флюорит CaF₂.

Продукты выветривания минералов кальция и магния всегда присутствуют в почве и природных водах. В отличие от щелочных металлов кальций и магний осаждаются в виде нерастворимых карбонатов, поэтому морская вода содержит в среднем 2,9% хлоридов щелочных металлов и лишь 0,62% солей щелочноземельных металлов.

Стронций и барий значительно менее распространены, чем кальций и магний. В природе они встречаются в основном в виде карбонатов (SrC0₃ — стронцианит и ВаС0₃ — витерит) и сульфатов (SrS0₄ — целестин и BaS0₄ — барит).

Радий очень редкий и рассеянный радиоактивный элемент. Самый долгоживущий из изотопов радия ²²⁶Ra имеет период полураспада 1622 года. Кларк радия в земной коре 110 ¹⁰%. Радий присутствует во всех урановых минералах. На 1 т урана в минералах приходится не более 0,34 г радия.

Свойства атомов. Общая электронная конфигурация валентных подуровней элементов 2-й группы соответствует формуле ns² (табл. 16.2). Атомы s-металлов сильнее удерживают валентные электроны, чем атомы щелочных металлов, так как их экранирующие электронные оболочки одинаковы, а заряды ядер на единицу больше. Это отражается в гораздо более высоких значениях первой и второй энергий ионизации и существенно меньших радиусах атомов.

Атомы элементов 2-й группы, превращаясь в катионы, теряют сразу два валентных электрона. Это объясняется близостью значений первой и второй энергий ионизации (/₂ не Характеристики свойств элементов 2-й группы.

превышает 1 более чем в два раза). Третья энергия ионизации у всех^{-металлов} значительно больше второй (у бериллия — в 8,4 раза, у бария — в 3,7 раза). Затраты энергии на удаление третьего электрона не могут компенсироваться образованием химической связи, поэтому трехзарядных катионов у s²-металлов в химических соединениях не бывает.

Катионы бериллия, магния и щелочноземельных металлов имеют электронные оболочки благородных газов и очень устойчивы. Они значительно меньше однозарядных катионов щелочных металлов.

Щелочноземельные металлы — электроположительные элементы. По электроотрицательное™ они мало отличаются от щелочных металлов. Бериллий имеет такую же электроотрицательность, как и алюминий.

Металлическое состояние. В образовании металлической связи у 5²-металлов участвуют по два валентных электрона от каждого атома, а не по одному, как это имеет место у щелочных металлов. Вследствие этого 5²-металлы имеют гораздо более высокие температуры плавления и кипения, а также плотность и твердость. По твердости бериллий не отличается от стали, а барий — от свинца. В отличие от щелочных металлов элементы 2-й группы имеют кристаллические решетки разных типов, поэтому у них нет такой однозначной зависимости физических свойств от размеров атомов (металлических радиусов) и зарядов ядер, которая характерна для щелочных металлов.

Химические свойства. Элементы 2-й группы — сильные восстановители. При окислении их атомы теряют по два электрона и превращаются в двухзарядные катионы:

Окисляясь, металлы 2-й группы, за исключением бериллия, образуют соединения с преобладанием ионной природы связи. Бериллий же образует соединения с существенным вкладом ковалентного характера связи даже с наиболее электроотрицательными элементами. Степень ионности химических связей закономерно возрастает в группе при движении от бериллия к радию.

Химические свойства соединений элементов 2-й группы различаются в большей степени, чем у щелочных металлов, поэтому они рассматриваются по отдельности для бериллия, магния и кальция и остальных элементов группы.