Растворы щелочноземельных металлов

Подобно щелочным металлам тяжелые щелочноземельные металлы Са, Sr, Ва растворяются в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов. Координационное число сольватированных катионов при этом увеличивается по сравнению со щелочными металлами до 6:

В присутствии ионов водорода — в воде или в растворах кислот — идет реакция обмена электронами:

Стандартные восстановительные потенциалы для Са, Sr, Ва близки между собой, столь же отрицательны, как и для щелочных, и равны —2,9 В. Для перехода Mg²*/Mg /Г? = —2,3 В, а для Ве²*/Ве Е_к = —1"8 В, откуда видно, что возможность существования металлических магния и бериллия при стандартных условиях определяется исключительно кинетическими причинами — невозможностью диффузии воды и кислорода через поверхностную пленку оксида.

СОЛИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

В большинстве своих соединений, в том числе и в солях, элементы II группы находятся в виде двухзарядных катионов. Вы, конечно, помните, что энергия ионной кристаллической решетки тем больше, чем больше заряды ионов и чем меньше их радиусы (см. разд. 7.2 и 20.3), поэтому энергии кристаллических решеток солей щелочноземельных металлов с катионами М²* существенно больше, чем солей щелочных металлов. Возможность перехода ионов из кристалла в раствор, т. е. возможность растворения соли, определяется различием между энергией решетки и суммой энтальпий гидратации ионов. В свою очередь энтальпия гидратации ионов М²*, конечно, больше, чем М*. Строго говоря, при рассмотрении возможности растворения необходимо сопоставлять изменения энергий Гиббса. На рис. 27.1 показано, как соотносятся между собой ДС° образования кристалла и раствора, и видно, что независимо от абсолютных значений AG° их разность меняется мало. В большинстве случаев, когда соль образована ионами М²⁺ и А²", уменьшение энергии Гиббса при образовании кристалла больше, чем при образовании раствора, поэтому такие соли обычно плохо растворимы. К их числу относятся многие соли щелочноземельных металлов с многозарядными анионами — карбонаты, сульфиды, сульфаты, фосфаты, арсенаты и т. д. Например, к числу очень плохо растворимых солей относятся сульфат бария, карбонаты кальция и магния, фосфаты всех этих элементов. Но.

сульфат магния растворим достаточно хорошо, а фторид кальция — плохо.

Растворимые соли включают обычно однозарядные анионы. К их числу относятся галогениды, нитраты, перхлораты, ацетаты. Как правило, они кристаллизуются с шестью молекулами воды, образующими гидратную оболочку катионов М (Н₂0)$*. В большинстве своем безводные растворимые соли очень гигроскопичны и часто используются для осушения газов. Обычно это СаС1₂ или Mg (C10₄)₂.

Рис. 27.1. Изменение энергии Гиббса при образовании элементами II группы кристаллических нитратов (7) и карбонатов (4) и соответственно их растворов (2, 3).

В природных процессах исключительно важную роль играет равновесие:

При контакте твердых карбонатных пород с водой и диоксидом углерода атмосферы происходит образование гидрокарбоната. Увеличение давления С0₂ смещает равновесие вправо. Гидрокарбонат существует только в растворе в условиях равновесия, и понижение давления С0₂ приводит к выделению твердого СаСО_э. Это равновесие лежит в основе карстовых явлений, оно регулирует содержание ионов Са²* в океанской воде, дает возможность морским организмам строить раковины, а птицам — нести яйца, защищенные скорлупой.

Присутствие гидрокарбонатов кальция и магния в первую очередь определяет вкус питьевой воды. При общей концентрации менее 10 мг/л присутствие этих солей делает воду вкусной, освежающей и отличает родниковую воду от дистиллированной. В больших количествах (более 100 мг/л) ионы Са²* и Mg²* делают воду жесткой — невкусной, непригодной не только для питья и стирки, но и для многих технологических целей.

Кипячение жесткой воды позволяет удалить карбонатную (временную) жесткость вследствие сдвига равновесия влево и выпадения осадков СаС0₃ или MgC0₃. Некарбонатная или постоянная жесткость обусловливается прежде всего сульфатами Са и Mg и удаляется химическими средствами — добавлением рассчитанного количества соды:

В последнее время для обессоливания воды все больше применяются ионообменные смолы (см. разд. 10.5).

Из солей элементов II группы находят применение: фторид кальция CaF₃ (плавиковый шпат) — в металлургии и оптике: соли кальция (СаС1, и др.) и магния (MgS0₄ и др.) — в медицине; BaS0₄ — при рентгеноскопии.

Хлораты и перхлораты щелочноземельных металлов широко используются в пиротехнике. Подобно солям щелочных металлов соли щелочноземельных металлов окрашивают пламя: соли бария — в зеленый цвет, стронция — в малиновокрасный, а кальция — в оранжево-красный.