Металлы II группы главной подгруппы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba)

В главную подгруппу второй группы периодической системы элементов наряду с семейcтвом щёлочноземельных металлов (оно включает близкие по свойствам кальций, стронций, барий и радий) входят два типических элемента – бериллий и магний.

Если магний по свойствам во многом тяготеет к щёлочноземельным элементам, то бериллий стоит как бы особняком. Кажется, что он попал в эту группу, лишь подчиняясь правилу валентности,  поскольку, как и другие элементы группы, в своих соединениях двухвалентен. По свойствам же бериллий гораздо ближе к алюминию, расположенному по диагонали от него в третьей группе. Химики так и говорят: диагональное сходство двух элементов. Причём сходство настолько сильное, что и встречаются эти элементы часто вместе, в одном соединении.

Бериллий (Beryllium)

Бериллий

Многие минералы бериллия – берилл 3BeO∙Al2O3∙6SiO2, хризоберилл BeAl2O4 и их разновидности (изумруд, аквамарин, александрит) – известны очень давно; эти драгоценные камни упоминаются в произведениях античных авторов. На Руси берилл называли вируллионом, под таким именем он встречается в Изборнике Святослава (1073 г.). Ученые заинтересовались бериллом лишь в конце XVIII в. Французский химик Луи Никола Воклен установил, что в состав этого минерала входит новая «земля» (так в старину называли некоторые оксиды металлов), отличная от алюмины – оксида алюминия. Он же впервые получил ее соли – соли бериллия. Они оказались сладкими на вкус, поэтому новой земле Воклен дал имя глицина (от греч. «гликис» — «сладкий»), а элементу – глициний. Это название употреблялось во Франции вплоть до XIX в., пока немецкий химик Мартин Генрих Клапрот не добился переименования его в бериллий (Berillium) – в честь минерала берилла.

В виде простого вещества бериллий получили в 1828 г. немецкий ученый Фридрих Вёлер и французский химик Антуан Бюсси. Они действовали калием на безводный хлорид бериллия: BeCl2 + 2K = Be + 2KCl. В настоящее время бериллий получают, восстанавливая его фторид магнием: BeF2 + Mg = Be + MgF2, либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Исходные соли бериллия выделяют при переработке бериллиевой руды.

Берилл

Бериллий — тугоплавкий металл(tпл= 1287 ̊ С) светло-серого цвета, покрытый тончайшей пленкой оксида, которая защищает его от коррозии. Для него характерно уникальное в мире металлов сочетание легкости с высокой твердостью. Чистый бериллий пластичен, однако даже незначительные примеси делают его хрупким.

Обладая высокой химической активностью, бериллий легко вступает в реакции с галогенами, серой и азотом. Вода на него не действует, зато он легко растворяется как в разбавленных кислотах: Be + 2HCl = BeCl2 + H2↑, так и в растворах щелочей: Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2↑ Образующийся тетрагидроксобериллат натрия долгое время рассматривали как соль бериллиевой кислоты H2BeO2. На самом деле это комплексное соединение. Бериллаты более простого состава образуются при сплавлении оксида бериллия со щелочью или содой: Na2CO3 + BeO = Na2BeO2 + CO2↑. Здесь также проявляется сходство с алюминием.

Бериллий и его растворимые в воде соли ядовиты. Даже ничтожно малая их примесь в воздухе приводит к тяжелым заболеваниям. Несмотря на это, бериллий находит широкое применение в технике. Ещё в XIX в. обнаружили, что добавка Ве к меди сильно повышает ее твердость, прочность, химическую стойкость, делает ее похожей на сталь. Сплавы на основе меди, содержащие от 0,005 до 3% бериллия, получили название бериллиевых бронз. Из них изготовляют пружины, рессоры, подшипники, наиболее ответственные узлы машин и механизмов. В качестве легирующей добавки, значительно усиливающей прочность, бериллий вводят в состав сталей и некоторых других сплавов.

Основной потребитель бериллия – атомная энергетика, поскольку он обладает способностью отражать и замедлять нейтроны, образующиеся в ядерном реакторе. Отражатели нейтронов из бериллия отличаются высокой прочностью, химической стойкостью и легкостью. Потребность в этом металле и его добыча возрастает с каджым годом.

Магний (Magnesium)

Магний

Магний весьма распространен в природе. В больших количествах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит MgCO3 и доломит MgCO3∙CaCO3. Сульфат и хлорид магния входят в состав калийных минералов – каинита KCl∙MgSO4∙3H2O и карналлита KCl∙MgCl2∙6H2O. Ион Mg2+ содержится в морской воде, придавая ей горький вкус. Общее количество магния в земной коре составляет около 2%.

Магний был открыт при анализе воды, взятой из минерального источника вблизи города Эпсом в Англии. Горькая на вкус, она привлекла внимание исследователей в конце XVII в. При упаривании такой воды на стенках сосуда образовалась белая корка вещества, которое назвали горькой, или эпсомской, солью MgSO4∙7H2O. Её использовали в качестве слабительного. Примерно в то же время учёные заинтересовались и белой магнезией – карбонатом магния MgCO3. При его нагревании образуется жженая магнезия – оксид MgO. Это вещество А.Л.Лавуазье ошибочно причислил к простым телам, которые уже не могут быть далее разложены.

Впервые магний был получен в 1808 г. Г.Дэви при электролизе влажной жжёной магнезии. По его предложению, элемент вначале назвали Magnium – чтобы подчеркнуть связь с магнезией и в то же время отличать его от марганца, который тогда называли Manganesium. Позже магний переименовали в Magnesium, а марганец  — в Manganum. Однако в русском языке сохранилось первоначальное название элемента.

Каинит

В некотором смысле магний – противоположность бериллию. Он достаточно мягкий и пластичный, плавится при более низкой температуре (650̊ С). Но, как и бериллий, он обладает заметной химической активностью. На воздухе стружка магния сгорает с ослепительной вспышкой с образованием белого порошка – смеси оксида и нитрида:2Mg + O2 = 2MgO; 3Mg + N2 = Mg3N2. Недаром магниевую ленту фотографы использовали как фотовспышку.

При комнатной температуре магний, покрытый тончайшей пленкой оксида, достаточно инертен и не взаимодействует с водой. Лишь при кипячении он медленно восстанавливает воду с образованием белой взвеси гидроксида магния и выделением водорода: Mg + 2H2O = Mg(OH)2↓ + H2↑.

Магний легко взаимодействует не только с разбавленными кислотами, но и с раствором хлорида аммония, в котором из-за гидролиза этой соли присутствуют ионы Н+: Mg + 2NH4Cl = MgCl2 + 2NH3 + H2. В отличие от бериллия, со щелочами он не реагирует.

Магний — сильный восстановитель. Смеси его со многими окислителями, например пероксидом бария ВаО2, используют в пиротехнике. При поджигании такая смесь сгорает ярким зеленоватым пламенем:BaO2 + Mg = MgO + BaO. Магний присутствует в животных и растительных организмах. В теле человека его в среднем 19 г. Особенно он необходим растениям, так как является составной частью хлорофилла.

В технике магний применяется главным образом в виде сплавов с алюминием – магналия и электрона. Магналий содержит от 5 до 30% магния, а электрон помимо алюминия включает также, цинк, марганец, медь. Эти сплавы очень прочные и намного тверже чистых алюминия и магния, легко обрабатываются и полируются. Их используют в автомобильной промышленности, авиационной и ракетной технике. Некоторые соединения магния нашли применение в медицине: оксид магния служит средством понижения кислотности желудка, а кристаллогидрат сульфата магния – слабительным.

Щелочноземельные элементы

Кальций

К семейству щелочноземельных элементов относятся кальций, стронций, барий и радий. Д.И.Менделеев включал в это семейство и магний. Щелочноземельными они называются потому, что их гидроксиды, подобно гидроксидам щелочных металлов, растворимы в воде, т.е. являются щелочами.

Название «кальций» происходит от латинского calx – «известь». Так алхимики называли продукты обжига различных веществ. Древние римляне использовали известь для приготовления строительных растворов. Для этого мрамор или известняк подвергали обжигу, получая негашеную известь (оксид кальция). Производство этого вещества описал еще Плиний Старший в «Естественной истории».

По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место (4,1% по массе), уступая лишь кислороду, кремнию, алюминию и железу. В природе он встречается в виде гипса CaSO4∙2H2O, флюорита CaF2, апатита Ca5(PO4)3(OH) и кальцита CaCO3(карбоната кальция, образующего залежи мела, мрамора и известняка). Кальцит сформировался из панцирей древних простейших и моллюсков (кораллов), поэтому неудивительно, что иногда в известняках находят ракушки или отпечатки животных.

Гипс

В организме человека содержится в среднем около 1 кг кальция, который в форме ортофосфата входит в состав костной ткани. Почти 80% потребности в этом элементе удовлетворяется за счёт молочных продуктов. В них кальций присутствует в виде солей фосфорной и лимонной кислот. В литре молока или кефира как раз и содержится средняя суточная норма – 1,2 г кальция. При его недостатке в организме врачи назначают его препараты, например глюконат кальция.

Металлический кальций был впервые получен Г.Дэви в 1808 г. при электролизе смеси влажной гашенной извести Са(ОН)2 с оксидом ртути HgO.

Стронций и барий распространены в природе значительно меньше, чем кальций. Стронций встречается в виде минерала целестина (от лат. caelestis – «небесный») – сульфата стронция SrSO4, образующего красивые розово-красные или бледно-голубые кристаллы, а барий – в виде барита (тяжелого шпата) BaSO4.

Стронций получил название от шотландской деревни Стронциан, близ которой в конце XVIII в. был найден редкий минерал стронцианит SrCO3.

Стронций

Годом открытия бария можно считать 1774 г., когда шведский химик Карл Вильгельм Шееле и его ученик Юхан Готлиб Ган установили, что в тяжелом шпате содержится новая земля. Она получила название «барит» (от греч. «барис» — «тяжелый»), а образующий ее элемент – «барий». В виде простых веществ барий и стронций были выделены Г.Дэви в 1808 г.

С пищей и питьевой водой человек ежедневно получает около 15-20 мг стронция. В большом количестве соединения этого элемента вредны для здоровья. Ионы стронция способны замещать в костях ионы кальция, что приводит к болезням.

Растворимые соединения бария еще более токсичны. Симптомы отравления ими появляются при приёме внутрь примерно 0,2 г растворимой соли. А доза 0,8-0,9 г уже смертельна. В случае отравления надо принимать 10-процентный раствор сульфата натрия или магния. При этом в организме образуется сульфат бария – нерастворимый и потому безопасный.

Кальций (tпл = 839̊ С), стронций (tпл = 768 ̊С) и барий (tпл = 727 ̊С) – пластичные металлы серебристо – белого цвета. Из-за недостаточной твёрдости их невозможно резать ножом, как натрий и калий.

Минерал целестин

Щёлочноземельные металлы по химической активности уступают лишь щелочным. Они взаимодействуют с водой и растворами кислот с выделением водорода.

Если оксид бария выдерживать в атмосфере кислорода или на воздухе при температуре 500 ̊С то реакция будет протекать дальше:2Ва + О2 = 2ВаО2

Образовавшийся пероксид бария при 700 ̊С отщепляет избыточный кислород, вновь переходя в оксид. Щёлочноземельные металлы выделяют либо алюмотермией: 4CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca, либо электролизом расплавов хлоридов. Практическое значение из них имеет в основном кальций – он используется в металлургии в качестве раскислителя. Соединения кальция, стронция и бария применяются в разных отраслях промышленности, в строительстве.

Соединения стронция используются в производстве осветительных ракет, химического и термически устойчивого стекла. Оксид стронция входит в состав эмалей для защиты металлических предметов, а также служит катализатором при переработке нефти.

Барий

Очень полезным веществом оказался сульфат бария. В конце XIX в. им разбавляли дорогие свинцовые белила, а ныне на основе BaSO4 разработана белая краска литопон, обладающая высокой кроющей способностью, что снижает ее расход. Сульфат бария также добавляют в бумагу дорогих сортов (для денежных знаков, документов).

Как и другие элементы с высоким порядковым номером, барий способен поглощать рентгеновское излучение. Поэтому BaSO4 используется при изготовлении защитных материалов для рентгеновских установок и при диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Радий

Последним из щёлочноземельных металлов был открыт радий, для которого ещё Д.И.Менделеев выделил клетку в периодической системе. Радий обнаружили в 1898 г. в урановой смоляной руде. Исследовавшие минерал супруги Пьер и Мария Кюри установили: некоторые образцы руды имеют большую радиоактивность, чем следовало ожидать, судя по количеству содержащегося в них урана. Учёные сделали вывод, что в состав урановой руды входит новый элемент, по радиоактивности превосходящий уран. Вскоре удалось выделить его соединение. Элемент назвали радием, чтобы подчеркнуть его способность к радиоактивному распаду. Переработав почти тонну урановой руды, супруги Кюри выделили около 0,1 г соли радия, а металлический радий был получен в 1910 г. при электролизе раствора хлорида радия с ртутным катодом. Радий представляет собой тяжелый и тугоплавкий металл серебристо-белого цвета. В свободном виде он, как и другие щелочноземельные металлы, обладает высокой химической активностью, энергично реагирует с водой с выделением водорода: Ra + 2H2O = Ra(OH)2 + H2↑.Образующийся при этом гидроксид радия – сильное основание, хорошо растворимое в воде. При действии на него раствором сульфата натрия выпадает белый осадок сульфата радия, нерастворимый в кислотах.

Общие химические свойства

По химическим свойствам щелочноземельные металлы очень похожи на щелочные металлы, а магний имеет существенные отличия.

Во всех реакция магний и щелочноземельные металлы играют роль восстановителей и окисляются с образованием различных ионных соединений, содержащих ионы этих металлов с зарядом +2.

Щелочноземельные металлы уже при обычных условиях окисляются кислородом воздуха, а магний сгорает на воздухе при нагревании до 600 ̊ С; в результате образуются оксиды:

2Ca + O2 = 2CaO;                   2Mg + O2 = 2MgO

Все рассматриваемые металлы при определенных условиях взаимодействуют с галогенами, серой, азотом, водородом:

Ca + Cl2 = CaCl2                            Mg + Cl2 = MgCl2

Ca + S = CaS                                   Mg + S = MgS

3Ca + N2 = Ca3N2                          3Mg + N2 = Mg3N2

Ca + H2 = CaH2                              Mg + H2 = MgH2

Щелочноземельные металлы активно реагируют с водой, а магний реагирует только с кипящей водой:

Реакция кальция с водой

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2

Щелочноземельные металлы и магний энергично вытесняют водород из кислот:

Ca + 2HCl = CaCl2 + H2

Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2

 

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *