Щелочноземельные металлы

Химия элементов IIА группы

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)

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.

2. Нахождение в природе

В природе встречаются исключительно в виде соединений (солей).

3. Способы получения

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
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 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
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 Смотреть видео Скрыть видео Смотреть видео Скрыть видео 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↑ Смотреть видео Скрыть видео • 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↑ Смотреть видео Скрыть видео Смотреть видео Скрыть видео
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↑ 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 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
Восстановление оксидов	Могут восстанавливать неметаллы (Si, C, B) из их оксидов. 2Ca + SiO2 → 2CaO + Si Смотреть видео Скрыть видео Магний горит в углекислом газе (в сухом льде): 2Mg + CO2 → 2MgO + C
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 Смотреть видео Скрыть видео

5.1. Оксиды (MO)

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

Получение:

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 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]

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:

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) 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
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]

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↑ 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 Смотреть видео Скрыть видео
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:

6. Качественные реакции

Окрашивание пламени

• Кальций (Ca²⁺): Кирпично-красный цвет
• Стронций (Sr²⁺): Карминово-красный (алый)
• Барий (Ba²⁺): Яблочно-зеленый

Осаждение ионов

• На ионы Mg²⁺: Взаимодействие с щелочами (белый осадок):
  Mg²⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂↓
  
• На ионы Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺: Взаимодействие с карбонатами (белый осадок):
  Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃↓
  Смотреть видео

  

  Скрыть видео
  
  Ba²⁺ + CO₃^2- → BaCO₃↓
• На ионы Sr²⁺, Ba²⁺: Взаимодействие с сульфатами (белый осадок):
  Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓
  
• Фосфаты также дают белые осадки:
  3Ca²⁺ + 2PO₄^3- → Ca₃(PO_4)₂↓
  

7. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с щелочноземельными металлами на канале Thoisoi:

• Бериллий (Beryllium)
• Магний (Magnesium)
• Кальций (Calcium)
• Стронций (Strontium)
• Барий (Barium)
• Радий (Radium)