Главная / Неорганическая химия / Металлы / Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы

Химия элементов IIА группы

🧠

Вызов для любознательных!

В самом конце этой страницы мы подготовили для вас новое мощное задание — большую олимпиадную цепочку превращений из 10 веществ. У неё уникальная геометрия в виде алмаза и нестандартные реакции. Дочитайте теорию до конца и проверьте себя!

Важно для ЕГЭ

Щелочноземельные металлы расположены во II группе главной подгруппы (IIА). К ним традиционно относят кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra). Бериллий (Be) и магний (Mg) также входят в эту группу, но имеют ряд отличий. Все элементы группы проявляют постоянную степень окисления +2.

1. Общая характеристика

Элементы группы: Бериллий (Be), Магний (Mg), Кальций (Ca), Стронций (Sr), Барий (Ba), Радий (Ra).

Строение атома

Внешний электронный уровень имеет конфигурацию ns2. Два s-электрона легко отдаются в химических реакциях, поэтому металлы проявляют сильные восстановительные свойства.

Закономерности в группе (Be → Ra)

Закономерности в группе (Be → Ra)
Рис. 1. Закономерности в группе (Be → Ra)

Физические свойства

Физические свойства
Рис. 2. Физические свойства

Это металлы серого цвета, тверже щелочных металлов. Обладают металлической кристаллической решеткой, высокой тепло- и электропроводностью.

Хранение: Бериллий, Магний и Кальций устойчивы на сухом воздухе (покрываются оксидной пленкой). Стронций и Барий более активны, их хранят под слоем керосина.

Вопрос 1: Закономерности изменения свойств

Проверка

Как изменяются радиус атома, энергия ионизации и восстановительные свойства в ряду: $Be \rightarrow Mg \rightarrow Ca \rightarrow Sr \rightarrow Ba$?

Ответ: Радиус атома увеличивается, энергия ионизации уменьшается, восстановительные свойства усиливаются.

Пояснение: С увеличением порядкового номера в подгруппе увеличивается число электронных слоев. Валентные электроны все дальше от ядра, поэтому их легче оторвать.

Вопрос 2: Аномалия бериллия

Проверка

К какой группе металлов по химическим свойствам относится бериллий, в отличие от остальных элементов IIA группы?

Ответ: К амфотерным металлам.

Пояснение: Бериллий и его соединения проявляют амфотерные свойства — реагируют как с кислотами, так и со щелочами.

2. Нахождение в природе

В природе встречаются исключительно в виде соединений (солей).

Название минералаФормула / Химическое название
Доломит
Формула: CaCO3 · MgCO3

Химическое название: Карбонат кальция-магния
Магнезит
Формула: MgCO3

Химическое название: Карбонат магния
Кальцит (Мел, Мрамор, Известняк)
Формула: CaCO3

Химическое название: Карбонат кальция
Гипс
Формула: CaSO4 · 2H2O

Химическое название: Дигидрат сульфата кальция
Барит
Формула: BaSO4

Химическое название: Сульфат бария
Витерит
Формула: BaCO3

Химическое название: Карбонат бария

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Напишите химические формулы следующих природных минералов:
1) Мел (известняк, мрамор)
2) Доломит
3) Гипс
4) Магнезит

Ответ:
1) $CaCO_3$
2) $CaCO_3 \cdot MgCO_3$
3) $CaSO_4 \cdot 2H_2O$
4) $MgCO_3$

3. Способы получения

Способ / Металл Описание процесса и уравнения реакций
Электролиз расплавов хлоридов
(Mg, Ca, Sr)
Основной промышленный метод получения щелочноземельных металлов. Возможен только в расплавах, так как в водных растворах на катоде выделяется водород. Для снижения температуры плавления к хлоридам добавляют другие соли (например, NaCl или KCl).
Магний получают электролизом расплавов обогащенного карналлита:
MgCl2(распл.) эл.→ Mg + Cl2↑

Аналогично получают кальций электролизом расплава хлорида кальция:
CaCl2(распл.) эл.→ Ca + Cl2↑
Металлотермия / Силикотермия
(Be, Mg, Ca, Ba)
Метод восстановления металлов из их оксидов алюминотермией, магнийтермией или силикотермией. Реакции проводят при высокой температуре и часто в вакууме для отгонки паров металла.
Силикотермическое получение магния из обожженного доломита (смеси оксидов):
2(CaO · MgO) + Si 1200°C→ 2Mg↑ + Ca2SiO4

Алюминотермическое получение стронция и бария в вакууме:
4BaO + 2Al 1200°C→ 3Ba↑ + Ba(AlO2)2

Вопрос 1: Получение металлов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций получения металлов и расставьте коэффициенты:

  1. $CaCl_2(расплав) \xrightarrow{эл. ток} \dots + \dots\uparrow$
  2. $BaO + Al \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
  3. $MgO + C \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
  4. $BeCl_2(расплав) \xrightarrow{эл. ток} \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $CaCl_2(расплав) \xrightarrow{эл. ток} Ca + Cl_2\uparrow$
  2. $3BaO + 2Al \xrightarrow{t^\circ} 3Ba + Al_2O_3$ (алюминотермия)
  3. $MgO + C \xrightarrow{t^\circ} Mg + CO\uparrow$ (карботермия)
  4. $BeCl_2 \xrightarrow{эл. ток} Be + Cl_2\uparrow$

Пояснение: Щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов. Алюминотермия применяется для бария и стронция в вакууме.

4. Химические свойства металлов

Щелочноземельные металлы — сильные восстановители.

Реагент Описание процесса и уравнения реакций
С галогенами
Регируют с парами галогенов. С бромом и йодом реакция идет при нагревании, а со фтором и хлором — уже при обычных условиях или небольшом нагревании. Образуются прочные ионные соли-галогениды:
Be + Cl2 → BeCl2
Реакция бериллия с хлором
С серой и фосфором
При нагревании активно взаимодействуют с неметаллами, образуя бинарные соединения. Фосфиды щелочноземельных металлов гидролизуются водой с выделением ядовитого газа фосфина (PH₃):
Ca + S t°→ CaS
Реакция кальция с серой
3Ca + 2P t°→ Ca3P2
С водородом
Ca, Sr и Ba реагируют с водородом при нагревании с образованием гидридов (твёрдых солеобразных веществ). Магний реагирует только при повышенном давлении, а бериллий не реагирует напрямую (гидрид BeH2 получают косвенными путями):
Mg + H2 t°, p→ MgH2
Ca + H2 t°→ CaH2
С азотом
Нитриды образуются при прокаливании металлов в атмосфере чистого азота или на воздухе. Полученные нитриды легко гидролизуются водой и кислотами с выделением аммиака:
3Mg + N2 t°→ Mg3N2
Реакция магния с азотом
С углеродом
Карбиды образуются при высоких температурах в электропечах. Важное отличие: карбид кальция — это ацетиленид (при гидролизе дает ацетилен), а карбид бериллия — метанид (при гидролизе дает метан):
Ca + 2C t°→ CaC2
2Be + C t°→ Be2C
С кислородом (Горение)
При горении на воздухе бериллий, магний и кальций (в отличие от большинства щелочных металлов) образуют нормальные оксиды. Магний горит ослепительно белым пламенем. Из-за наличия азота в воздухе образуется смесь оксида и нитрида. Барий способен образовывать пероксид при нагревании:
2Be + O2 t°→ 2BeO
2Mg + O2 t°→ 2MgO
Демонстрация
Демонстрация

Ba + O2 500°C→ BaO2 (пероксид бария)
С водой
Реакционная способность с водой сильно возрастает вниз по группе от Be к Ba:
• Be не реагирует с водой даже при нагревании (защищен плотной оксидной пленкой).
• Mg реагирует только с горячей водой или водяным паром с образованием малорастворимого гидроксида и водорода:
Mg + 2H2O t°→ Mg(OH)2 + H2↑
Демонстрация

• Ca, Sr, Ba бурно реагируют с выделением водорода и образованием растворимых сильных оснований (щелочей). Реакция идет уже при комнатной температуре без нагревания:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
Демонстрация
Демонстрация
С кислотами
Щелочноземельные металлы стоят до водорода в ряду активностей. Они легко вытесняют водород из кислот-неокислителей (HCl, разб. H₂SO₄, H₃PO₄ и др.):
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑
Выделение водорода при реакции Mg и HCl
Ca + H2SO4(разб) → CaSO4 + H2↑
Взаимодействие с кислотами-окислителями (H₂SO₄ конц., HNO₃):
Продукты зависят от концентрации кислоты и активности конкретного металла. Из-за активности этих металлов часто образуются глубокие продукты восстановления.
С конц. H2SO4 возможно выделение H2S или S:
3Mg + 4H2SO4(конц.) → 3MgSO4 + S↓ + 4H2O
Выделение серы при реакции Mg и конц. H2SO4
4Ca + 5H2SO4(конц.) → 4CaSO4 + H2S↑ + 4H2O
С HNO3 (продукты варьируются вплоть до N2O или нитрата аммония):
4Ca + 10HNO3(конц.) → 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O
4Ba + 10HNO3(оч.разб.) → 4Ba(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Реакция бария с азотной кислотой
Восстановление оксидов Могут восстанавливать неметаллы (Si, C, B) из их оксидов.
2Ca + SiO2 → 2CaO + Si
Демонстрация

Магний горит в углекислом газе (в сухом льде):
2Mg + CO2 → 2MgO + C
Горение магния в сухом льде
Вытеснение металлов В расплавах и даже в твердых смесях (при поджигании) вытесняют менее активные металлы.
Ca + CuCl2(расплав) → CaCl2 + Cu
Mg + 2AgNO3 → Mg(NO3)2 + 2Ag
Демонстрация

Вопрос 1: Химические свойства простых веществ (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения химических реакций простых веществ и расставьте коэффициенты:

  1. $Ca + N_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  2. $Mg + HNO_3(оч. разб.) \rightarrow \dots + \dots + \dots$
  3. $Be + NaOH + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  4. $Mg + H_2O(пар) \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
  5. $Ba + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  6. $Ca + C \xrightarrow{t^\circ} \dots$

Ответ:

  1. $3Ca + N_2 \xrightarrow{t^\circ} Ca_3N_2$ (нитрид кальция)
  2. $4Mg + 10HNO_3(оч. разб.) \rightarrow 4Mg(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$
  3. $Be + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Be(OH)_4] + H_2\uparrow$
  4. $Mg + H_2O(пар) \xrightarrow{t^\circ} MgO + H_2\uparrow$ (магний реагирует с паром до оксида)
  5. $Ba + 2H_2O \rightarrow Ba(OH)_2 + H_2\uparrow$ (при н.у. с образованием щелочи)
  6. $Ca + 2C \xrightarrow{t^\circ} CaC_2$ (карбид)

Пояснение: Бериллий амфотерен и растворяется в щелочах. Магний с горячей водой дает оксид, а кальций, стронций, барий реагируют с холодной водой с образованием гидроксидов.

5.1. Оксиды (MO)

Оксиды Ca, Sr, Ba, Mg — основные. Оксид бериллия BeO — амфотерный.

Получение:

Способ / Условие Описание процесса и уравнения реакций
Окисление металлов
Щелочноземельные металлы сгорают в кислороде с образованием оксидов (барий частично образует пероксид):
2Ca + O2 → 2CaO
Разложение карбонатов
Оксиды щелочноземельных металлов получают прокаливанием природных карбонатов — минералов известняка, доломита, магнезита:
CaCO3 t°→ CaO + CO2
MgCO3 t°→ MgO + CO2
Разложение нитратов
Оксиды можно получить сильным прокаливанием нитратов:
2Ca(NO3)2 t°→ 2CaO + 4NO2 + O2
Разложение гидроксидов
Нерастворимые (Be, Mg) и слаборастворимые (Ca) гидроксиды разлагаются при нагревании:
Mg(OH)2 t°→ MgO + H2O

Химические свойства:

Реагент / Условие Описание процесса и уравнения реакций
С кислотными оксидами
Основные оксиды реагируют с кислотными с образованием солей:
MgO + CO2 → MgCO3
С кислотами
Взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды:
CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O
С водой
Наиболее активные оксиды реагируют с водой, образуя щелочи («гашение извести»):
CaO, SrO, BaO реагируют активно:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Гашение извести
MgO реагирует только при нагревании:
MgO + H2O t°→ Mg(OH)2

BeO с водой не реагирует.
Свойства амфотерного BeO
Оксид бериллия проявляет не только основные, но и кислотные свойства (реакции с щелочами и основными оксидами):
С основными оксидами:
BeO + Na2O t°→ Na2BeO2 (бериллат натрия)

Со щелочами (при сплавлении) образуются безводные бериллаты:
BeO + 2NaOH t°→ Na2BeO2 + H2O

С растворами щелочей образует комплексные соли (тетрагидроксобериллаты):
BeO + 2NaOH + H2O → Na2[Be(OH)4]

Вопрос 1: Свойства оксидов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций оксидов IIA группы и расставьте коэффициенты:

  1. $CaO + H_2O \rightarrow \dots$ (гашение извести)
  2. $MgO + CO_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  3. $BaO + Al_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  4. $BeO + NaOH \xrightarrow{t^\circ(сплавление)} \dots + \dots$
  5. $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$ (обжиг известняка)
  6. $Mg(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$
  2. $MgO + CO_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3$
  3. $BaO + Al_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} Ba(AlO_2)_2$ (алюминат бария)
  4. $BeO + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} Na_2BeO_2 + H_2O\uparrow$ (бериллат натрия)
  5. $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$
  6. $2Mg(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

5.2. Гидроксиды (M(OH)2)

Гидроксиды Ca, Sr, Ba — щелочи (сила основания растет от Ca к Ba). Mg(OH)2 — нерастворимое основание. Be(OH)2 — амфотерный гидроксид.

Получение:

Способ / Реагент Описание процесса и уравнения реакций
Оксид + Вода
Для оксидов кальция, стронция и бария реакция с водой носит экзотермический характер и приводит к образованию щелочей. Процесс "гашения извести" (превращение CaO в Ca(OH)₂):
CaO + H2O → Ca(OH)2
Металл + Вода
Реакция простых веществ (от Ca до Ba) с водой идет бурно, вытесняя водород и образуя сильные растворимые основания:
2Ca + 2H2O → 2Ca(OH)2 + H2↑
Обменная реакция
Известно, что гидроксиды магния и кальция малорастворимы. Их можно осадить из растворов солей добавлением избытка более сильной щелочи (NaOH или KOH):
Ca(NO3)2 + 2KOH → Ca(OH)2↓ + 2KNO3

Химические свойства:

Реагент / Свойство Описание процесса и уравнения реакций
С кислотами
Реакция нейтрализации: основания взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды. Гидроксиды Ca, Sr, Ba являются сильными основаниями и реагируют с любыми кислотами. Гидроксид магния — нерастворимое основание, он взаимодействует преимущественно с сильными кислотами:
Ca(OH)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2O
Mg(OH)2 + H2SO4 → MgSO4 + 2H2O
С кислотными оксидами
Растворимые гидроксиды реагируют с кислотными оксидами. Если гидроксид в избытке, образуется средняя соль. Если кислотный оксид в избытке (или пропускается долго) — образуется кислая соль (гидрокарбонаты, гидросульфиты, гидрофосфаты):
Ba(OH)2(изб.) + CO2 → BaCO3↓ + H2O (средняя соль)
Помутнение баритовой воды
Ba(OH)2 + 2CO2(изб.) → Ba(HCO3)2 (кислая соль)
С амфотерными оксидами и гидроксидами (для Ca, Sr, Ba) В расплаве (образуются средние соли):
Ba(OH)2 + Al2O3 t°→ Ba(AlO2)2 + H2O

В растворе (образуются комплексные соли):
Ba(OH)2 + Al2O3 + 3H2O → Ba[Al(OH)4]2
С кислыми солями
Добавление щелочи к кислой соли вызывает ее "донейтрализацию", отщепляя остаточный протон. При этом в случае кальция выпадает осадок нерастворимого среднего карбоната:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Образование осадка CaCO3
С неметаллами
Основания щелочноземельных металлов могут реагировать с простыми неметаллами в реакциях диспропорционирования (зависит от t°). Хлор, бром, йод, сера и фосфор взаимодействуют с образованием смеси солей:
С амфотерными металлами (Be, Al, Zn)
Щелочи растворяют металлы, оксиды которых обладают амфотерными свойствами. При этом выделяется водород и образуется комплексная соль:
В расплаве:
Ca(OH)2 + Zn t°→ CaZnO2 + H2↑

В растворе:
Ca(OH)2 + 2Al + 6H2O → Ca[Al(OH)4]2 + 3H2↑
Обменные реакции с солями
Щелочи вступают в реакции ионного обмена с солями, если продуктом является осадок нерастворимого гидроксида/соли или выделяется газ (как аммиак при реакции с солями аммония):
Ba(OH)2 + FeCl2 → BaCl2 + Fe(OH)2↓
2NH4Br + Ca(OH)2 → CaBr2 + 2NH3↑ + 2H2O
Термическое разложение
В отличие от щелочей натрия и калия, большинство гидроксидов элементов II группы (кроме Ba(OH)₂) обладают достаточно низкой термической стабильностью и полностью разлагаются на оксид и воду при прокаливании:
Mg(OH)2 t°→ MgO + H2O
Сила оснований
По группе вниз сила оснований увеличивается: Mg(OH)₂ — слабое основание, Ca(OH)₂ — щелочь средней силы, а Ba(OH)₂ — сильная щелочь:
Ba(OH)2 ⇄ Ba2+ + 2OH-

Mg(OH)2 — нерастворимое основание. Be(OH)2 — амфотерный гидроксид.
Свойства амфотерного Be(OH)2
Гидроксид бериллия (как и оксид) способен проявлять кислотные свойства в реакциях с сильными щелочами, образуя гидроксокомплексы в водном растворе и безводные соли при сплавлении:
В расплаве:
Be(OH)2 + 2NaOH t°→ Na2BeO2 + 2H2O

В растворе:
Be(OH)2 + 2NaOH → Na2[Be(OH)4]

Вопрос 1: Свойства гидроксидов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций и расставьте коэффициенты:

  1. $Ca(OH)_2 + CO_2(изб) \rightarrow \dots$
  2. $Ba(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow \dots\downarrow + \dots$
  3. $MgSO_4 + KOH \rightarrow \dots\downarrow + \dots$
  4. $Mg(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
  5. $Be(OH)_2 + NaOH(водн.) \rightarrow \dots$

Ответ:

  1. $Ca(OH)_2 + 2CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$ (растворимый гидрокарбонат)
  2. $Ba(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2H_2O$
  3. $MgSO_4 + 2KOH \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + K_2SO_4$
  4. $Mg(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgO + H_2O$
  5. $Be(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Be(OH)_4]$ (образование гидроксокомплекса)

5.3. Соли и жесткость воды

Разложение нитратов

Соль / Условие Описание процесса и уравнения реакций
Термическое разложение
Нитраты щелочноземельных металлов при прокаливании разлагаются до нитритов и кислорода, однако при более сильном нагреве нитриты распадаются до оксидов. Нитрат магния разлагается напрямую до оксида, диоксида азота и кислорода:
Ca(NO3)2 t°→ Ca(NO2)2 + O2↑
Разложение нитрата кальция
Примечание: В некоторых условиях или источниках указывается разложение до оксида (как при получении оксидов).

Карбонаты

Свойство / Реагент Описание процесса и уравнения реакций
Термическое разложение
Карбонаты щелочноземельных металлов, а также магния разлагаются при сильном нагревании на оксид металла и углекислый газ. Обжиг известняка (CaCO₃) — основной промышленный способ получения негашеной извести:
CaCO3 1000°C→ CaO + CO2
С сильными кислотами
Карбонаты растворяются в кислотах, более сильных чем угольная, с выделением углекислого газа:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O
Демонстрация
Превращение в гидрокарбонаты (растворение осадка)
При длительном пропускании углекислого газа через водную суспензию нерастворимого карбоната образуется растворимая кислая соль — гидрокарбонат:
CaCO3 + H2O + CO2(изб) → Ca(HCO3)2
Сплавление с менее летучими оксидами
(SiO2, Al2O3)
В процессах сплавления более массивные и нелетучие кислотные (или амфотерные) оксиды с легкостью вытесняют летучий углекислый газ из карбонатов:
CaCO3 + Al2O3 t°→ Ca(AlO2)2 + CO2↑

Жесткость воды

Обусловлена наличием солей кальция и магния.

Временная (карбонатная) жесткость: Гидрокарбонаты Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2.

Постоянная (некарбонатная) жесткость: Хлориды и сульфаты (CaCl2, MgSO4 и др.).

Способы устранения:

Способ (Реагент) Описание процесса и уравнения реакций
Кипячение
(только для временной)
При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния разрушаются, образуя нерастворимые карбонаты (накипь), которые выпадают в осадок, умягчая воду:
Ca(HCO3)2 t°→ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Добавление извести Ca(OH)2
(для временной)
Известковое молоко связывает избыточную углекислоту в гидрокарбонатах, переводя их в нерастворимые средние соли:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Добавление соды Na2CO3
(для постоянной)
Сода осаждает растворимые хлориды и сульфаты кальция и магния в виде нерастворимых карбонатов:
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl
Добавление фосфатов Na3PO4
(для постоянной)
Ортофосфаты образуют крайне нерастворимые соединения с кальцием и магнием, полно удаляя их из раствора:
3CaCl2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaCl

Вопрос 1: Свойства солей и бинарных соединений (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций солей:

  1. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots\downarrow + \dots\uparrow + \dots$
  2. $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow \dots\downarrow + \dots$
  3. $CaC_2 + H_2O \rightarrow \dots\downarrow + \dots\uparrow$
  4. $Mg_3P_2 + HCl \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
  5. $BaCl_2 + K_2SO_4 \rightarrow \dots\downarrow + \dots$

Ответ:

  1. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ (устранение временной жесткости)
  2. $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3\downarrow + 2H_2O$
  3. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + C_2H_2\uparrow$ (получение ацетилена)
  4. $Mg_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3MgCl_2 + 2PH_3\uparrow$ (получение фосфина)
  5. $BaCl_2 + K_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2KCl$

6. Качественные реакции

Окрашивание пламени

Окрашивание пламени
Рис. 3. Окрашивание пламени

Осаждение ионов

Вопрос 1: Качественные реакции

Проверка

Как визуально отличить соли кальция, стронция и бария по окрашиванию пламени? Каков качественный реагент на ион $Ba^{2+}$ в растворе?

Ответ:
Пламя: $Ca^{2+}$ — кирпично-красный, $Sr^{2+}$ — карминово-красный, $Ba^{2+}$ — желто-зеленый.
Качественный реагент на барий — сульфат-ион $SO_4^{2-}$ (выпадает белый осадок, нерастворимый в кислотах).

7. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с щелочноземельными металлами на канале Thoisoi:

Олимпиадная задача (10 веществ)

Известен серебристо-белый щелочноземельный металл X. В отличие от щелочных металлов, он может относительно долго лежать на воздухе, покрываясь защитной оксидной пленкой.

При нагревании стружки металла X в атмосфере азота образуется бинарное соединение A, в котором массовая доля металла составляет $81,08\%$ (реакция 1).

При добавлении к веществу A воды выделяется газ с резким запахом и образуется взвесь малорастворимого вещества B (которое широко применяется в строительстве) (реакция 2). Сам металл X также способен реагировать с водой с образованием вещества B (реакция 3).

При пропускании через взвесь B углекислого газа сначала выпадает белый осадок C (массовая доля щелочноземельного металла в котором ровно $40,00\%$) (реакция 4), который при дальнейшем пропускании газа растворяется с образованием прозрачного раствора соли D (реакция 5). При кипячении раствора D снова выпадает осадок C (именно этот процесс обуславливает образование накипи в чайниках) (реакция 6).

Если осадок C сильно прокалить, выделяется газ и остается тугоплавкий оксид E (реакция 7). При взаимодействии оксида E с водой происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты и образованием вещества B (реакция 8).

Однако, если оксид E сплавить с коксом (углем) при высокой температуре, образуется бинарное соединение F (в котором массовая доля металла составляет $62,50\%$) (реакция 9). При добавлении к F воды снова получается вещество B, а также выделяется бесцветный горючий газ, который используется для газовой сварки металлов (реакция 10). А если вещество F нагреть в атмосфере азота, образуется ценное азотное удобрение G (реакция 11). Интересно, что при длительном гидролизе G горячей водой оно превращается в осадок C с выделением аммиака (реакция 12).

С другой стороны, металл X бурно реагирует с фосфором при нагревании, давая бинарное вещество H (реакция 13). Под действием соляной кислоты на H выделяется ядовитый газ с запахом тухлой рыбы и образуется раствор хорошо растворимой соли I (реакция 14). Эту же соль I можно получить прямым растворением вещества B в соляной кислоте (реакция 15).

Схема превращений (Большой цикл):

+ N₂, t° + H₂O + H₂O + CO₂ + CO₂, H₂O t° t° + C, t° + H₂O + N₂, t° + H₂O + P, t° + HCl + HCl + H₂O X A B C D E F G H I

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1. Расшифровка веществ.

Щелочноземельный металл X, образующий малорастворимый гидроксид, широко использующийся в строительстве (гашеная известь), — это кальций (Ca). Проверим расчет:

При нагревании в азоте кальций дает нитрид $Ca_3N_2$ (вещество A).
Рассчитаем массовую долю кальция в $Ca_3N_2$:
$M(Ca_3N_2) = 40 \cdot 3 + 14 \cdot 2 = 120 + 28 = 148$ г/моль.
$\omega(Ca) = \frac{120}{148} \cdot 100\% \approx 81,08\%$. Все сходится!

Проверим массовые доли остальных веществ:
Для осадка C (карбонат кальция, $CaCO_3$): $\omega(Me) = \frac{{40}}{{100}} \cdot 100\% = 40,00\%$. Совпадает.
Для карбида F ($CaC_2$): $\omega(Me) = \frac{{40}}{{64}} \cdot 100\% = 62,50\%$. Совпадает.

Дальнейшая расшифровка:

  • X = Ca (кальций)
  • A = $Ca_3N_2$ (нитрид кальция)
  • B = $Ca(OH)_2$ (гидроксид кальция, гашеная известь)
  • C = $CaCO_3$ (карбонат кальция, мел)
  • D = $Ca(HCO_3)_2$ (гидрокарбонат кальция)
  • E = $CaO$ (оксид кальция, негашеная известь)
  • F = $CaC_2$ (карбид кальция)
  • G = $CaCN_2$ (цианамид кальция)
  • H = $Ca_3P_2$ (фосфид кальция)
  • I = $CaCl_2$ (хлорид кальция)

Шаг 2. Уравнения реакций:

  1. $3Ca + N_2 \xrightarrow{t^\circ} Ca_3N_2$
  2. $Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2\downarrow + 2NH_3\uparrow$
  3. $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + H_2\uparrow$
  4. $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$
  5. $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$
  6. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$
  7. $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$
  8. $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow$
  9. $CaO + 3C \xrightarrow{t^\circ} CaC_2 + CO\uparrow$
  10. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + C_2H_2\uparrow$
  11. $CaC_2 + N_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCN_2 + C$
  12. $CaCN_2 + 3H_2O \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NH_3\uparrow$
  13. $3Ca + 2P \xrightarrow{t^\circ} Ca_3P_2$
  14. $Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow$
  15. $Ca(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O$
📝
Практика по неорганической химии
Проверь свои знания. Задания в формате ЕГЭ с подробными решениями.
📋 Зад. 5 — Классификация ⚗️ Зад. 6 — Свойства 🔬 Зад. 7 — Свойства (2) 🧪 Зад. 8 — Свойства (3) 🔗 Зад. 9 — Цепочки ✍️ Зад. 31 — Уравнения