Щёлочноземельные металлы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Группа → 2
↓ Период
4
20
Кальций
40,078
4s2
5
38
Стронций
87,62
5s2
6
56
Барий
137,327
6s2
7
88
Радий
(226)
7s2
8
120
Унбинилий
(320)
[Uuo]8s2
Erdalkali.jpg

Щё́лочноземе́льные мета́ллы — химические элементы 2-й группы[1] периодической таблицы элементов: кальций, стронций, барий и радий[2][3], а также, вероятно, унбинилий[источник не указан 192 дня].

О происхождении названия[править | править вики-текст]

Металлы названы так потому, что их оксиды сообщают в воде щелочную реакцию. Кроме того, оксиды по тугоплавкости сходны с оксидами алюминия и железа, носившими ранее общее название «земли».

В более строгом понимании к щёлочноземельным металлам относят только кальций, стронций, барий и радий, реже магний (унбинилий до сих пор не синтезирован, да и вероятность того, что он будет настолько устойчивым, чтобы можно было проводить с ним химические реакции, слишком мала). Первый элемент этой подгруппы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию, чем к высшим аналогам группы, в которую он входит. Второй элемент этой группы, магний, также в некоторых отношениях значительно отличается от щёлочноземельных металлов в указанном выше значении этого термина.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Все щёлочноземельные металлы серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Плотность щёлочноземельных металлов с порядковым номером растёт, хотя явно рост наблюдается только начиная с кальция. Самый тяжёлый — радий, по плотности сравнимый с железом (ρ= 7,874 г/см3).

Некоторые атомные и физические свойства щелочноземельных металлов

Атомный
номер
Название,
символ
Число природных изотопов Атомная масса Энергия ионизации, кДж*моль-1 Сродство к электрону, кДж*моль-1 ЭО Металл. радиус, нм Ионный радиус, нм tпл,
°C
tкип,
°C
ρ,
г/см³
ΔHпл, кДж*моль-1 ΔHкип, кДж*моль-1
4 Бериллий Be 1+11а 9,012182 898,8 0,19 1,57 0,169 0,034 1278 2970 1,848 12,21 309
12 Магний Mg 3+19а 24,305 737,3 0,32 1,31 0,24513 0,066 650 1105 1,737 9,2 131,8
20 Кальций Ca 5+19а 40,078 589,4 0,40 1,00 0,279 0,099 839 1484 1,55 9,20 153,6
38 Стронций Sr 4+35а 87,62 549,0 1,51 0,95 0,304 0,112 769 1384 2,54 9,2 144
56 Барий Ba 7+43а 137,327 502,5 13,95 0,89 0,251 0,134 729 1637 3,5 7,66 142
88 Радий Ra 46а 226,0254 509,3 - 0,9 0,2574 0,143 700 1737 5,5 8,5 113
120 Унбинилий Ubn - - - - - - - - - - - -

а Радиоактивные изотопы

Химические свойства[править | править вики-текст]

Щёлочноземельные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня ns², и являются s-элементами, наряду с щелочными металлами. Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и во всех соединениях имеют степень окисления +2 (очень редко +1)[источник не указан 540 дней].

Химическая активность щёлочноземельных металлов растёт с ростом порядкового номера. Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенами даже при температуре красного каления (до 600 °C, для реакции с кислородом и другими халькогенами нужна ещё более высокая температура, фтор — исключение). Магний защищён оксидной плёнкой при комнатной температуре и более высоких (до 650 °C) температурах и не окисляется дальше. Кальций медленно окисляется и при комнатной температуре вглубь (в присутствии водяных паров), и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе при комнатной температуре. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов, поэтому их, подобно щелочным металлам и кальцию, хранят под слоем керосина.

Также, в отличие от щелочных металлов, щелочноземельные металлы не образуют надпероксиды и озониды.

Оксиды и гидроксиды щёлочноземельных металлов имеют тенденцию к усилению основных свойств с ростом порядкового номера.

Простые вещества[править | править вики-текст]

Бериллий реагирует со слабыми и сильными растворами кислот с образованием солей:

\mathsf{Be + 2H^+ \longrightarrow Be^{2+} + H_2\uparrow}

однако пассивируется холодной концентрированной азотной кислотой.

Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

\mathsf{Be + 2OH^- + 2H_2O\rightarrow [Be(OH)_4]^{2-} + H_2\uparrow}

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400—500 °C образуются диоксобериллаты:

\mathsf{Be + 2OH^- \rightarrow BeO_2^{2-} + H_2\uparrow}

Магний, кальций, стронций, барий и радий реагируют с водой с образованием щелочей (кроме магния, реакция которого с водой происходит только при внесении раскалённого порошка магния в воду, и кальция, гидроксид которого плохо растворим в воде, и, следственно, не может быть назван щелочью):

\mathsf{Sr + 2H_2O \longrightarrow Sr(OH)_2 + H_2 \uparrow}

Также, кальций, стронций, барий и радий реагируют с водородом, азотом, бором, углеродом и другими неметаллами с образованием соответствующих бинарных соединений:

\mathsf{Ca + H_2 \longrightarrow CaH_2}
\mathsf{3Sr + N_2 \longrightarrow Sr_3N_2}

Оксиды[править | править вики-текст]

Оксид бериллия - амфотерный оксид, растворяется в концентрированных минеральных кислотах и щелочах с образованием солей:

\mathsf{BeO + 2 NaOH \longrightarrow Na_2[Be(OH)_4]}
\mathsf{BeO + 2 HCl \longrightarrow BeCl_2 + H_2O}

но с менее сильными кислотами и основаниями реакция уже не идет.

Оксид магния не реагирует с разбавленными и концентрированными основаниями, но легко реагирует с кислотами и водой:

\mathsf{MgO + 2HCl \longrightarrow MgCl_2 + H_2O}
\mathsf{MgO + H_2O \longrightarrow Mg(OH)_2}

Оксиды кальция, стронция, бария и радия - основные оксиды, реагируют с водой, сильными и слабыми растворами кислот и амфотерными оксидами и гидроксидами:

\mathsf{CaO + H_2O \longrightarrow Ca(OH)_2}
\mathsf{SrO + 2HCl \longrightarrow SrCl_2 + H_2O}
\mathsf{BaO + Al_2O_3\ \xrightarrow{t^o}\ Ba(AlO_2)_2}
\mathsf{BaO + 2Al(OH)_3\ \xrightarrow{t^o}\ Ba(AlO_2)_2 + 3H_2O}

Гидроксиды[править | править вики-текст]

Гидроксид бериллия амфотерен, при реакциях с сильными основаниями образует бериллаты, с кислотами - бериллиевые соли кислот:

\mathsf{Be(OH)_2 + 2KOH \longrightarrow K_2BeO_2 + 2H_2O}
\mathsf{Be(OH)_2 + 2HCl \longrightarrow BeCl_2 + 2H_2O}

Гидроксиды магния, кальция, стронция, бария и радия - основания, сила увеличивается от слабого Mg(OH)_2 до очень сильного Ra(OH)_2, являющегося сильнейшим коррозионным веществом, по активности превышающим гидроксид калия. Хорошо растворяются в воде (кроме гидроксидов магния и кальция). Для них характерны реакции с кислотами и кислотными оксидами и с амфотерными оксидами и гидроксидами:

\mathsf{Ba(OH)_2 + SO_3 \longrightarrow BaSO_4 + H_2O}
\mathsf{3Sr(OH)_2 + 2H_3PO_4\longrightarrow Sr_3(PO_4)_2 + 6H_2O}
\mathsf{Ra(OH)_2 + Al_2O_3 \longrightarrow Ra(AlO_2)_2 + H_2O}
\mathsf{Ba(OH)_2 + Zn(OH)_2 \longrightarrow Ba[Zn(OH)_4]}

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) в природе. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щёлочноземельным металлом является кальций, количество которого равно 3,38 % (от массы земной коры). Немногим ему уступает магний, количество которого равно 2,35 % (от массы земной коры). Распространены в природе также барий и стронций, которых соответственно 0,05 и 0,034 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 6·10−4% от массы земной коры. Что касается радия, который радиоактивен, то это самый редкий из всех щёлочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1·10−10% (от массы земной коры)[4].

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Магний содержится в тканях животных и растений (хлорофилл), является кофактором многих ферметативных реакций, необходим при синтезе АТФ, участвует в передаче нервных импульсов, активно применяется в медицине (бишофитотерапия и др.). Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят "скелеты" большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов. Стронций может замещать кальций в природных тканях, т.к. схож с ним по свойствам. В организме человека масса стронция составляет около 1% от массы кальция.

На данный момент о биологической роли бериллия, бария и радия ничего не известно. Все соединения бария и бериллия ядовиты. Радий чрезвычайно радиотоксичен. В организме он ведёт себя подобно кальцию — около 80 % поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз, самопроизвольные переломы костей и злокачественные опухоли костей и кроветворной ткани. Опасность представляет также радон — газообразный радиоактивный продукт распада радия.

См. также[править | править вики-текст]

Щелочные металлы

Бериллий

Магний

Кальций

Стронций

Барий

Радий

Переходные металлы

Ссылки[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  1. По новой классификации ИЮПАК. По устаревшей классификации относятся к главной подгруппе II группы периодической таблицы.
  2. Nomenclature of Inorganic Chemistry. IUPAC Recommendations 2005. — International Union of Pure and Applied Chemistry, 2005. — P. 51.
  3. Group 2 - Alkaline Earth Metals, Royal Society of Chemistry.
  4. Золотой фонд. Школьная энциклопедия. Химия. М.: Дрофа, 2003.