Лекция № 24. Элементы IIA-подгруппы

<21 22 232425 26 27 >

IIA-Подгруппа включает бериллий - Be, магний - Mg, щелочноземельные металлы: кальций - Ca, стронций - Sr и барий - Ba, а также радиоактивный металл радий - Ra. Общая электронная формула - ns², устойчивая степень окисления +2. Соединения бериллия амфотерны, во всех соединениях берилий имеет координационное число 4, склонен к образованию ковалентных связей. Щелочноземельные металлы образуют преимущественно ионные соединения, проявляют свойства активных металлов. Для магния наиболее характерно координационное число 6, щелочноземельные металлы могут проявлять и более высокие КЧ.

24.1. Бериллий и его соединения

Бериллий представлен в земной коре одним изотопом ⁹Be (кларк 0,001 мол.%). Основные минералы: берилл Be₃Al₂(SiO₃)₆ и фенакит Be₂SiO₄. Окрашенные разновидности берилла образуют драгоценные камни изумруд и аквамарин.

Бериллий - металл серо-стального цвета, т.пл. 1283 °С, плотность 1,85 г/см³, довольно тверд и хрупок, на воздухе покрыт плотной оксидной пленкой, защищающей его от коррозии. При нагревании взаимодействует с кислородом, серой, азотом и галогенами (со фтором при комнатной температуре):

t t

2Be + O₂ = 2BeO; Be + S = BeS

t

3Be + N₂ = Be₃N₂

На холоду бериллий с водой не взаимодействует, но растворяется в кислотах и щелочах. В концентрированных азотной и серной кислотах пассивируется.

Be + 2HCl = BeCl₂ + H₂

Be + 2KOH + 2H₂O = K₂[Be(OH)₄] + H₂

Получают бериллий электролизом расплава его хлорида, или восстановлением фторида бериллия магнием:

t

BeF₂ + Mg = MgF₂ + Be

Используется бериллий как легирующая добавка к сплавам, которым он придает прочность и твердость, увеличивая коррозионную устойчивость. Бериллиевые бронзы устойчивы в бензине, морской воде и не искрят при ударе. Бериллий - эффективный отражатель нейтронов, что обуславливает его применение в ядерной энергетике. В то же время бериллий прозрачен для рентгеновских лучей, из него изготавливают окна рентгеновских аппаратов. Однако широкое применение бериллия ограничено высокой токсичностью его соединений.

Оксид бериллия - BeO - тугоплавкое полимерное вещество, химически очень инертен. Амфотерен, при сплавлении реагирует с кислотными и основными соединениями, при нагревании растворяется в кислотах и щелочах:

t t

BeO + SiO₂ = BeSiO₃; Na₂O + BeO = Na₂BeO₂;

t

BeO + H₂SO₄ = BeSO₄ + H₂O;

t

BeO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Be(OH)₄]

Также амфотерен и гидроксид бериллия - аморфное, полимерное вещество, нерастворимое в воде.

Из солей Be²⁺ в воде растворимы сульфат, нитрат и хлорид. В растворах сильно гидролизованы. Галогениды бериллия полимерны, сильно гигроскопичны (за исключение фторида), склонны к образованию координационных соединений:

BeF₂ + 2KF = K₂[BeF₄]

тетрафторобериллат калия

24.2. Магний и его соединения

Магний - один из самых распространенных элементов земной коры, его кларк составляет 2,0 мол.%. Основные минералы: оливин - Mg₂SiO₄, магнезит - MgCO₃, доломит - CaCO₃×MgCO₃, карналлит - KCl×MgCl₂×6H₂O. Много хлорида магния находится в морской воде (до 0,38%) и в воде некоторых соленых озер. Магний является биометаллом, входит в состав хлорофилла, играющего важную роль в процессе фотосинтеза. Катион Mg²⁺ - активатор ферментов, регулирует работу сердечно-сосудистой системы.

Магний представляет собой легкий белый металл, плотность 1,74 г/см³, т.пл. 651 °С, мягче и пластичнее бериллия, на воздухе быстро окисляется. Получают магний электролизом расплава его хлорида или восстановлением оксида магния кремнием. Основная область применения - получение сплавов, которые очень легки и прочны. Магний используется в качестве восстановителя при получении других металлов (магнийтермия).

Очень активный металл. При комнатной температуре реагирует с галогенами, с водными растворами кислот. При нагревании взаимодействует практически со всеми неметаллами (исключение составляют инертные газы) с образованием бинарных соединений, с водой, горит в атмосфере СО₂.

Оксид магния - MgO - тугоплавкое вещество, реагирующее с кислотами и горячей водой. Гидроксид магния - Mg(OH)₂ - малорастворим в воде, растворим в кислотах, основание средней силы. Большинство солей магния хорошо растворимы в воде (малорастворим фторид и фосфат), обычно кристаллизуются с шестью молекулами воды. Безводные соли магния очень гигроскопичны. Перхлорат магния (ангидрон) - Mg(ClO₄)₂ - один из наиболее эффективных осушителей газов.

22.3. Щелочноземельные металлы

Кальций широко распространен в земной коре, его кларк равен 2 мол.%, стронций и барий - более редкие элементы (кларк Sr - 0,01; Ba - 6×10^-3 мол.%). Основные минералы: CaCO₃ - кальцит, CaCO₃×MgCO₃ - доломит, CaSO₄×2H₂O - гипс, CaF₂ - флюорит, Ca₅(PO₄)₃(OH,F,Cl) - апатиты, SrCO₃ - стронцианит, BaCO₃ - витерит, BaSO₄- барит. Кальций входит в состав костной ткани и зубной эмали животных и человека. Катионы кальция играют важную роль в механизме сокращения мышц.

Серебристо-белые металлы, быстро корродирующие на воздухе. Кальций твердый, барий и стронций мягкие, как свинец. В промышленности их получают электролизом расплавов хлоридов. Барий получают также восстановлением его оксида алюминием:

t

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃

Щелочноземельные металлы химически очень активны, при комнатной температуре реагируют с кислородом и галогенами, при нагревании - с водородом, серой, азотом и фосфором, углеродом и кремнием. Взаимодействуют с водой и водными растворами кислот. В ряду кальций, стронций, барий активность металлов увеличивается.

В отличие от бериллия и магния, гидриды щелочноземельных металлов можно получить прямым синтезом:

t

Ca + H₂ = CaH₂

Гидриды представляют собой белые солеподобные вещества, разлагающиеся водой с выделением водорода, сильные восстановители.

Щелочноземельные металлы образуют основные оксиды, которые взаимодействуют с водой с образованием растворимых сильных оснований. При переходе от Ca(OH)₂к Ba(OH)₂ растворимость заметно увеличивается (от 0,02 М до 0,2 М). Катионы щелочноземельных металлов образуют соли со всеми кислотами. Хорошо растворимы галогениды, нитраты, перхлораты и большинство кислых солей. Плохо растворимы в воде фториды, карбонаты, силикаты и фосфаты. Образование мелкокристаллического осадка сульфата бария является качественной реакцией на сульфат-анион:

Ba²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄¯

Присутствие в природной воде растворимых солей кальция и магния обуславливают ее жесткость. Количественно жесткость измеряют суммарной концентрацией катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ (ммоль экв/л). Различают временную (карбонатную) и постоянную жесткость. Первая удаляется кипячением:

t

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O

t

Mg(HCO₃)₂ = Mg(OH)₂ + 2CO₂

Для удаления постоянной жесткости к воде добавляют вещества, переводящие катионы кальция и магния в осадок (соду, фосфат натрия и т.п.), или применяют метод ионного обмена. В последнем случае катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ меняются на катионы водорода или щелочного металла, удерживаемые на поверхности полимерной смолы (катионита).

Кальций применяют в химической промышленности для получения некоторых металлов в качестве восстановителя. Карбонат, оксид и гидроксид кальция, а также гипс и алебастр (жженый гипс) применяются как строительные материалы. Фосфаты кальция используют как фосфорные удобрения, хлорид кальция применяется в медицине.

Металлический стронций используют в качестве добавок к некоторым сплавам. Соединения стронция используют в пиротехнике, в медицине при лечении некоторых кожных заболеваний. Изотоп ⁹⁰Sr - один из самых опасных продуктов деления урана, он замещает кальций в костях, облучая организм изнутри (период полураспада около 30 лет).

Применение бария очень сильно ограничено высокой токсичностью его растворимых соединений. Из нерастворимых соединений бария наиболее широко применяется BaSO₄ как рентгеноконтрастное вещество.

Литература: [1] с. 587 - 599, [2] с. 481 - 486, [3] с. 447 - 460

<21 22 232425 26 27 >

Дата добавления: 2017-10-04; просмотров: 1177;