Лекция № 24. Элементы IIA-подгруппы


 

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)2 к 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+ + SO42- = 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

 

Дата добавления: 2017-10-04; просмотров: 1309;

Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.013 сек.