Химические свойства щелочноземельных металлов. Перечень щелочноземельных металлов

Вторая группа периодической системы Д. И. Менделеева содержит группу элементов, очень похожих по своим свойствам на щелочные металлы, однако уступающих им по активности. В нее входят бериллий и магний, а также кальций, стронций, барий и радий. Они известны под общим названием - щелочноземельные элементы. В нашей статье мы ознакомимся с их распространением в природе и применением в промышленности, а также изучим важнейшие химические свойства щелочноземельных металлов.

Общая характеристика

Все атомы выше перечисленных элементов содержат на внешнем энергетическом слое по два электрона. Взаимодействуя с другими веществами, они всегда отдают свои отрицательные частицы, переходя в состояние катионов с зарядом 2+. В окислительно–восстановительных реакциях элементы ведут себя как сильные восстановители. По мере увеличения заряда ядра, химические свойства щелочноземельных металлов и их активность усиливаются. На воздухе они быстро окисляются, образуя на своей поверхности оксидную пленку. Общая формула всех оксидов – RO. Им соответствуют гидроксиды с формулой R(OH)₂. Их основные свойства и растворимость в воде также возрастают с увеличением порядкового номера элемента.

Особые свойства бериллия и магния

По некоторым своим свойствам первые два представителя главной подгруппы второй группы несколько отличаются от других щелочноземельных элементов. Это проявляются, в частности, во время их взаимодействия с водой. Например, химические свойства бериллия таковы, что он вообще не вступает в реакцию с H₂O. Магний же взаимодействует с водой лишь при нагревании. Зато все щелочноземельные элементы легко реагируют с нею при обычной температуре. Какие же вещества при этом образуются?

Основания щелочноземельных металлов

Являясь активными элементами, кальций, барий и другие представители группы быстро вытесняют водород из воды, в результате получаются их гидроксиды. Взаимодействие щелочноземельных металлов с водой протекает бурно, с выделением тепла. Растворы оснований кальция, бария, стронция мылкие на ощупь, при попадании на кожу и слизистую оболочку глаз вызывают сильные ожоги. Первой помощью в таких случаях будет обработка раневой поверхности слабым раствором уксусной кислоты. Он нейтрализует щелочь и уменьшит риск возникновения некроза поврежденных тканей.

Химические свойства щелочноземельных металлов

Взаимодействие с кислородом, водой и неметаллами – это главный перечень свойств металлов, входящих во вторую группу периодической системы химических элементов. Например, кальций даже в обычных условиях вступает в реакции с галогенами: фтором, хлором, бромом и йодом. При нагревании он соединяется с серой, углеродом и азотом. Жесткое окисление – горение, заканчивается образованием оксида кальция: 2Ca + O₂ = 2 CaO. Взаимодействие металлов с водородом приводит к появлению гидридов. Они представляют собой тугоплавкие вещества белого цвета, имеющие ионные кристаллические решетки. К важным химическим свойствам щелочноземельных металлов относится их взаимодействие с водой. Как уже говорилось ранее, продуктом этой реакции замещения будет гидроксид металла. Отметим также, что в главной подгруппе второй группы наиболее значимое место занимает кальций. Поэтому остановимся на его характеристике подробнее.

Кальций и его соединения

Содержание элемента в земной коре составляет до 3,5%, что указывает на его широкое распространение в составе таких минералов, как известняк, мел, мрамор и кальцит. В состав природного кальция входит шесть видов изотопов. Он также содержится в источниках природной воды. Соединения щелочных металлов подробно изучаются в курсе неорганической химии. Например, на уроках в 9 классе учащиеся узнают, что кальций – это легкий, но прочный металл серебристо-белого цвета. Температура его плавления и кипения выше, чем у щелочных элементов. Основной способ получения – электролиз смеси расплавленных солей хлорида и фторида кальция. К основным химическим свойствам относятся его реакции с кислородом, водой и неметаллами. Из соединений щелочных металлов наибольшее значение для промышленности имеют оксид и основание кальция. Первое соединение получают из мела или известняка методом их выжигания.

Далее из окиси кальция и воды образуется гидроксид кальция. Смесь его с песком и водой называют строительным известковым раствором. Он продолжает применяться в качестве штукатурки и для соединения кирпичей при кладке стен. Раствор гидроксида кальция, называемый известковой водой, используют в качестве реактива для обнаружения углекислого газа. При пропускании двуокиси углерода через прозрачный водный раствор Ca(OH)₂, наблюдается его помутнение вследствие образования нерастворимого осадка карбоната кальция.

Магний и его характеристика

Химия щелочноземельных металлов изучает свойства магния, акцентируя внимание на некоторых его особенностях. Он представляет собой очень легкий, серебристо-белый металл. Магний, расплавленный в атмосфере с высокой влажностью, активно поглощает из водяного пара молекулы водорода. Остывая, металл практически полностью выделяет их обратно в воздух. Он очень медленно реагирует с водой по причине образования малорастворимого соединения – гидроксида магния. Щелочи на магний не действуют вовсе. Не реагирует металл с некоторыми кислотами: концентрированной сульфатной и плавиковой, вследствие его пассивации и образования на поверхности защитной пленки. Большинство же минеральных кислот растворяют металл, что сопровождается бурным выделением водорода. Магний – сильный восстановитель, он замещает многие металлы из их оксидов или солей:

BeO + Mg = MgO + Be.

Металл вместе с бериллием, марганцем, алюминием применяют в качестве легирующей добавки к стали. Особенно ценными свойствами обладают магнийсодержащие сплавы - электроны. Их используют в самолетостроении и производстве автомобилей, а также в деталях оптической техники.

Роль элементов в жизнедеятельности организмов

Приведем примеры щелочноземельных металлов, соединения которых распространены в живой природе. Магний является центральным атомом в молекулах хлорофилла у растений. Он участвует в процессе фотосинтеза и входит в состав активных центров зеленого пигмента. Атомы магния фиксируют световую энергию, преобразуя ее затем в энергию химических связей органических соединений: глюкозы, аминокислот, глицерина и жирных кислот. Важную роль выполняет элемент в качестве необходимого компонента ферментов, регулирующих обмен веществ в организме человека. Кальций – макроэлемент, обеспечивающий эффективное прохождение электрических импульсов по нервной ткани. Присутствие его фосфорнокислых солей в составе костей и зубной эмали придает им твердость и прочность.

Бериллий и его свойства

К щелочноземельным металлам относятся также бериллий, барий и стронций. Рассмотрим бериллий. Элемент мало распространен в природе, в основном, встречается в составе минералов, например, берилла. Его разновидности, содержащие разноцветные примеси, образуют драгоценные камни: изумруды и аквамарины. Особенностью физических свойств является хрупкость и высокая твердость. Отличительной чертой атома элемента является наличие на втором снаружи энергетическом уровне не восьми, как у всех остальных щелочноземельных металлов, а только двух электронов.

Поэтому радиус атома и иона непропорционально мал, энергия ионизации большая. Это обуславливает высокую прочность кристаллической решетки металла. Химические свойства бериллия также отличают его от других элементов второй группы. Он реагирует не только с кислотами, но и с растворами щелочей, вытесняя водород и, образуя гидроксобериллаты:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂.

Металл имеет ряд уникальных характеристик. Благодаря способности пропускать рентгеновские лучи, его применяют для изготовления окошек рентгеновских трубок. В ядерной промышленности элемент считается наилучшим замедлителем и отражателем нейтронов. В металлургии он применяется как ценная легирующая добавка, повышающая антикоррозионные свойства сплавов.

Стронций и барий

Элементы достаточно распространены в природе и, так же, как щелочноземельный металл магний, входят в состав минералов. Назовем их: это барит, целестин, стронцианит. Барий имеет вид пластичного металла серебристо-белого цвета. Как и кальций, представлен несколькими изотопами. На воздухе активно взаимодействует с его компонентам – кислородом и азотом, образуя оксид и нитрид бария. По этой причине металл хранят под слоем парафина или минерального масла, избегая его контакта с воздухом. Оба металла при нагревании до 500°C образуют пероксиды.

Из них практическое применение имеет перекись бария, используемая в качестве отбеливателя тканей. Химические свойства щелочноземельных металлов – бария и стронция, похожи на свойства кальция. Однако их взаимодействие с водой протекает значительно активнее, а образовавшиеся основания являются более сильными, чем гидроксид кальция. Барий применяют в качестве добавки к жидкометаллическим теплоносителям, уменьшающей коррозию, в оптике, при изготовлении вакуумных электронных приборов. Стронций востребован в производстве фотоэлементов и люминофоров.

Качественные реакции с использованием ионов щелочноземельных металлов

Соединения бария и стронция – это примеры щелочноземельных металлов, широко используемых в пиротехнике по причине яркого окрашивания пламени их ионами. Так, сульфат или карбонат стронция дает карминово-красное свечение пламени, а соответствующие соединения бария – желто-зеленое. Для обнаружения ионов кальция в лаборатории на пламя горелки насыпают несколько крупинок хлорида кальция, пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Раствор хлорида бария применяют в аналитической химии для выявления в растворе ионов кислотного остатка сульфатной кислоты. Если при сливании растворов образуется белый осадок сульфата бария – значит, в нем находились частицы SO₄^2-.

В нашей статье мы изучили свойства щелочноземельных металлов и привели примеры их применения в различных отраслях промышленности.