Металлы IIA группы

На этой странице вы узнаете 

• Какие из щелочноземельных металлов самые распространенные и самые редкие?
• Как появляется накипь на чайнике? 
• Как распознать катионы щелочноземельных металлов?

Металлы IIA группы, хоть и не такие активные, как их двоюродные братья — металлы IA группы (о них вы можете прочитать в статье «Металлы IA группы»), но все еще ого-го-го: они применяются в ядерной энергетике, медицине и даже поддерживают нашу жизнедеятельность. Что ж, давайте посмотрим поближе, найдем сходства и отличия, обсудим особенности!

Что особенного в элементах IIА группы

Во IIA подгруппе расположены элементы: бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra. Согласно рекомендациям ИЮПАК все металлы IIA группы относят к щелочноземельным металлам (ЩЗМ). 

Бериллий и магний, однако, значительно отличаются по свойствам от своих соседей по группе, поэтому стоят особняком. В рамках экзамена к щелочноземельным металлам мы относим металлы IIA группы начиная с кальция: кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.

Щелочноземельные металлы существенно более твердые, чем щелочные, но все также имеют серебристо-белый цвет. 

На внешнем энергетическом уровне атомы щелочноземельных металлов содержат два электрона, и в основном состоянии конфигурация их внешнего электронного слоя ns². 

Но так как для образования связей с другими элементами необходимо наличие валентных электронов, то металлам IIA группы необходимо распарить электроны. Таким образом, они помещают каждый из них в свою отдельную «комнату» — в квантовую ячейку.

К чему же это все приводит?  Атомы этих металлов переходят в возбужденное состояние и в составе сложных веществ приобретают электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня ns¹np¹. 

В результате, появляются два неспаренных электрона, поэтому у металлов IIA группы постоянная валентность II и постоянная степень окисления +2. 

Какие из щелочноземельных металлов самые распространенные и самые редкие? Наиболее распространенными в природе являются кальций (4,7% массы Земли) и магний (2,7% массы Земли), содержание стронция и бария примерно в сто раз меньше, бериллия еще в сто раз меньше. Радия на Земле крайне мало — он не имеет стабильных изотопов, а значит весь запас радия потихоньку распадается (в ходе радиоактивного распада). За все время с момента открытия радия (а это более 100 лет!) во всем мире его было добыто всего 1,5 кг!

Способ получения металлов IIA группы

Как и при получении щелочных металлов, основным способом получения щелочноземельных металлов является электролиз расплавов солей и гидроксидов:

MgCl₂ (t) = Mg + Cl₂

Подробнее об электролизе можно почитать в статье «Электролиз расплавов и растворов».

Химические свойства металлов IIA группы

1. Взаимодействие с неметаллами

Щелочноземельные металлы, являясь достаточно активными металлами, легко взаимодействуют с типичными неметаллами, проявляя свои восстановительные свойства и образуя бинарные соединения.

Щелочноземельные металлы начиная с магния при взаимодействии с углеродом образуют карбиды состава MeC₂. Эти соединения являются ацетиленидами, т.е. солями ацетилена, который выделяется при гидролизе этих соединений:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Однако могут быть получены и другие карбиды, так, например, трикарбид димагния Mg₂C₃ является солью пропина и гидролизуется соответственно. Такой карбид образуется при прокаливании ацетиленида магния.

При взаимодействии с кислородом металлы IIA группы (в отличие от щелочных металлов) образуют оксиды, однако действие на оксид бария избытка кислорода приводит к образованию пероксида.

BaO + O₂ = BaO₂ 

Карбиды и пероксиды могут доставить неприятностей в задании №4 ЕГЭ по химии. Будьте осторожны! А чтобы было легко в бою, разберем пример аналогичного задания.

Задание.
Из предложенного перечня выберите два соединения, в которых присутствует ковалентная неполярная химическая связь.

1. CaCl₂
2. CaC₂
3. Ba(NO₃)₂
4. Ca(OH)₂
5. BaO₂

Решение.
1. Между атомами типичного металла и типичного неметалла реализуется ионная связь, так что хлорид кальция нам не подходит.

2. Карбид кальция CaC₂ является ацетиленидом, т.е. содержит анион C₂^2-, в котором между атомами углерода реализуется ковалентная неполярная связь. Первый правильный вариант есть.

3. В нитрате бария имеется ионная связь (между катионом бария и нитрат-анионом), а внутри нитрат-аниона между атомами кислорода и азота присутствует ковалентная полярная связь. Не наш вариант.

4. В гидроксиде кальция присутствует ионная связь (между атомом кальция и гидроксильными ионами) и ковалентная полярная связь (между атомами кислорода и водорода в OH-группе). Снова не то, что мы ищем.

5. Связь между атомами бария и кислорода в пероксиде ионная, но в пероксидах есть и связь O-O, которая является ковалентной неполярной. Вот и наш второй вариант.

Ответ: 25

2. Взаимодействие с водой.

Щелочноземельные металлы, начиная с кальция, легко реагируют с водой при комнатной температуре. В ходе таких реакций, как и в случае с щелочными металлами, образуются соответствующий гидроксид и водород:

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂↑

Магний реагирует только с горячей водой: 

Бериллий и вовсе с водой не реагирует:

Be + H₂O -/→

3. Взаимодействие с кислотами.

Металлы IIA группы реагируют с растворами кислот, при этом образуя соответствующие соли: 

Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑

При взаимодействии с кислотами-окислителями бериллий ведет себя как металл средней активности, остальные же — как активные.

4Ca + 5H₂SO_4(конц.) = 4CaSO₄ + H₂S + 4H₂O
Be + 2H₂SO_4(конц.) = BeSO₄ + SO₂ + 2H₂O
4Сa + 10HNO_{3(оч. разб.)} = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O
Be + 4HNO_3(конц.) = Be(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

А подробнее про свойства важнейших кислот-окислителей (концентрированной серной и азотной) вы можете почитать в статьях «Соединения серы(IV) и серы» и «Элементы VА группы. Азот».

4. Взаимодействие с солями.

Металлы IIA группы, начиная с кальция, не используют для вытеснения других металлов из растворов их солей, поскольку они реагируют с водой.

Бериллий и магний при обычных условиях с водой не реагируют и могут быть использованы в реакциях замещения:

Mg + CuSO₄ = MgSO₄ + Cu

Как появляется накипь на чайнике? Наверняка вы не раз обнаруживали на дне чайника непонятные белые образования после кипячения воды. Это называется накипью. В чем же причина ее образования? Все дело в растворенных в воде солях кальция и магния. При нагревании на разогретых местах оседают их нерастворимые соли, например, карбонаты. Чаще всего с ней борются при помощи кипячения с кислотой (обычно лимонной), которая разрушает накипь. CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + CO2 + H2O

Жесткость воды

Раз уж мы заговорили о накипи, то необходимо разобрать и причину ее возникновения — жесткость воды.

Жесткость воды — совокупность свойств, зависящих от присутствия в ней преимущественно солей кальция и магния: гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов. 

При этом различают: 

• постоянную жесткость, или некарбонатную, которая обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов кальция и магния;
• временную жесткость, или карбонатную, которая обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния.

Как можно устранить жесткость воды? 

1. Кипячение воды. 

При этом гидрокарбонаты будут разлагаться на соответствующие нерастворимые карбонаты, выпадающие в осадок.

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + СО₂ + Н₂О

2. Добавление карбоната натрия.

Этот метод также вызывает осаждение нерастворимых карбонатов кальция и магния. Этим способом можно устранить и постоянную, и временную жесткость.

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaHCO₃
MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄

Посмотрим, какие еще сюрпризы может преподнести карбонат кальция на примере задания №9 ЕГЭ по химии.

Задание.
Задана следующая схема превращения веществ:

В предложенном перечне веществ определите вещества X и Y, вступающие в указанные реакции.

1. CaO
2. CaCO₃
3. Ca(HCO₃)₂
4. NaOH
5. HCl

В ответ запишите выбранные номера в порядке XY.

Решение.
В результате реакций ионного обмена между гидрокарбонатом натрия и хлоридом кальция образуется осадок карбоната кальция (2):

2NaHCO₃ + CaCl₂ = CaCO₃↓ + 2NaCl + CO₂ + H₂O

Карбонаты (даже нерастворимые) легко реагируют с растворами кислот, например, с соляной кислотой (5). В ходе таких реакций выделяется углекислый газ:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O

Ответ: 25

Применение щелочноземельных металлов

Спектр применения щелочноземельных металлов огромен и охватывает многие сферы жизни и производства. 

Бериллий в большинстве случаев используется для создания различных сплавов: он повышает твердость и прочность материалов, хорошо защищает поверхность от воздействия коррозии. Также бериллий используется при изготовлении рентгеновских аппаратов и в ядерной энергетике.

Магний используют при восстановлении металлов из соединений и получении титана и создании сплавов — его сплавы отличаются высокой прочностью и легкостью, поэтому используются при производстве самолетов, автомобилей, ракет. Магний является одним из важнейших элементов, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма как человека (участвует в проведении нервных импульсов и энергетическом обмене), так и растений (входит в состав хлоропластов), а также применяется в медицине.

Оксид магния находит применение в военной отрасли: благодаря способности ярко гореть он используется для изготовления сигнальных ракет и светошумовых гранат. 

Металлический кальций используется в производстве и очистке стали и чугуна, а также восстановлении некоторых металлов из их оксидов. Кроме промышленного применения, кальций и его соединения являются компонентами многих строительных материалов, применяются при изготовлении топлива, огнеупорных материалов и лекарственных средств. Ионы кальция участвуют в процессе свертывания крови, регулируют мышечные сокращения, а также формируют кости и зубы.

Стронций применяется в металлургии, радиоэлектронике, ядерной энергетике, магнитных материалах и источниках электричества. Изотопы применяются для лечения злокачественных образований в организме человека. Частично стронций может замещать кальций в тканях человека.

Барий применяется при производстве вакуумных приборов, оптических линз, источников тока, жидких теплоносителей, а также в атомной энергетике. Сульфат бария применяется в медицине: так как он не пропускает рентгеновские лучи, его используют как рентгеноконтрастное вещество.

Радий востребован в медицине, ядерной промышленности, используется с осторожностью из-за высокой токсичности.

Как распознать катионы щелочноземельных металлов? Катионы щелочноземельных металлов, попадая в пламя, придают ему окраску, что позволяет проводить качественный анализ путем внесения капли раствора соли в пламя.

Катионы ЩЗМ можно обнаружить в растворе и с помощью некоторых качественных реакций.

Магний, кальций и барий можно обнаруживать по образованию нерастворимых карбонатов (осадки белого цвета, растворимые в кислотах):

Ca²⁺ + CO₃^2- = CaCO₃↓

Для качественного определения бария в растворе также используют образование труднорастворимого сульфата (осадок белого цвета, нерастворимый в кислотах):

Ba²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓

На этом наше знакомство со ЩЗМ металлами подходит к концу. Мы познакомились с их электронным строением, распространенностью в природе, свойствами и способами получения простых веществ. Но не стоит останавливаться на достигнутом, рекомендуем прочитать про свойства алюминия и цинка в статье «Амфотерные металлы: цинк, алюминий».

Термины

Изотопы — разновидности атомов химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов, следовательно, и разную атомную массу.

Фактчек

• К металлам IIA группы относят бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, их называют щелочноземельными металлами.
• Традиционно к щелочноземельным металлам относят лишь кальций, стронций, барий и радий. 
• В соединениях с другими элементами металлы IIA группы проявляют постоянную валентность II, степень окисления +2.
• Магний, кальций, стронций, барий и радий относятся к активным металлам, бериллий — к металлам средней активности.
• Жесткость воды и накипь на нагревательных приборах обуславливаются присутствием в воде некоторых солей кальция и магния. 

Проверь себя 

Задание 1.
Какую степень окисления проявляют металлы IIA группы в соединениях? 

1. +1;
2. +2;
3. +3;
4. +4.

Задание 2.
Какой из металлов IIA группы реагирует с водой только при нагревании? 

1. бериллий;
2. кальций;
3. магний;
4. барий.

Задание 3.
Что образует кальций при взаимодействии его с кислородом? 

1. оксид кальция;
2. пероксид кальция;
3. надпероксид кальция; 
4. озонид кальция.

Задание 4. 
Чем обусловлена временная жесткость воды? 

1. Присутствием хлоридов кальция и магния.
2. Присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. 
3. Присутствием сульфатов кальция и магния. 
4. Присутствием карбонатов кальция и магния. 

Ответы:1. — 2; 2. — 3; 3. — 1; 4. — 2.