Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой. Щелочноземельные металлы

Элементы подгруппы кальция но­сят название щелочноземельных металлов. Происхождение этого названия связано с тем, что их окислы («земли» алхимиков) сообщают воде щелочную реакцию. К щёлочноземельным металлам чаще относят только кальций, стронций, барийи радий , реже магний. Первый элемент этой подгруппы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию.

Распространённость:

На долю кальция приходится 1,5% общего числа атомов земной коры, тогда как содержание в ней радия очень мало (8- 10 -12 %). Про­межуточные элементы - стронций (0,008) и барий (0,005%)-стоят ближе к кальцию. Барий открыт в 1774 г., стронций - в 1792 г. Элементарные Ca, Sr и Ва впервые получены в 1808 г. Природный кальци й слагается из изо­топов с массовыми числами 40 (96,97%), 42 (0,64), 43 (0,14), 44 (2,06), 46 (0,003), 48 (0,19); стронций - 84 (0,56%), 86 (9,86), 87 (7,02), 88 (82,56); барий -130 (0,10%), 132 (0,10), 134 (2,42), 135 (6,59), 136 (7,81), 137 (11,32), 138 (71,66). Из изотопов радия основ­ное значение имеет встречающийся в природе 226 Ra (средняя продолжительность жизни ато­ма 2340 лет).

Соединения кальция (известняк, гипс) были известны и практически исполь­зовались еще в глубокой древности. Помимо различных силикатных пород Са, Sr и Ва встречаются главным образом в виде своих труднорастворимых углекислых и серно­кислых солей, каковыми являются минералы:

СаС0 3 - кальцит CaS0 4 - ан гидрит

SrC0 3 - стронцианит SrS0 4 - целестин

ВаС0 3 - витерит BaS0 4 - тяжелый шпат

CaMg(CO 3) 2 - доломит MgCO 3 - магнезит

Углекислый кальций в виде известняка и мела иногда обра­зует целые горные хребты. Значительно реже встречается окристаллизованная форма СаСО 3 - мрамор. Для сернокислого кальция наибо­лее типично нахождение в виде минерала гипса (CaSO 4 2Н 2 0), ме­сторождения которого нередко обладают громадной мощностью. Кроме перечисленных выше важным минералом кальция является флюо­рит -CaF 2 , используемый для получения плавиковой кислоты по уравнению:

CaF 2 +H 2 SO 4(конц.) →CaSO 4 +HF

Для стронция и бария сернокислые минералы более распространены, чем углекислые. Первичные месторождения радия связаны с урановыми рудами (причем на 1000 кг урана руда содержит лишь 0,3 г радия).

Получение:

Алюмотермическое получение свободных щелочноземельных металлов прово­дится при температурах около 1200 °С по схеме:

ЗЭ0 + 2А l =Аl 2 O 3 +ЗЭ

накаливанием их окислов с металлическим алюминием в высоком ва­кууме. При этом щелочноземельный металл отгоняется и оседает на более холодных частях установки. В большом масштабе (порядка тысяч тонн ежегодно) вырабатывается лишь кальций, для получения которого пользуются также электролизом расплавленного СаСl 2 . Процесс алюмотермии сложен тем, что при нем происходит частичное сплавление с Al 2 O 3 .Например, в случае кальция реакция идет по уравнению:

3СаО + Аl 2 O 3 →Сa 3 (АlO 3) 2

Может иметь место также частичное сплавление образующегося щелочноземельного ме­талла с алюминием.

Электролизер для получения металлического кальция представляет собой печь с внутренней графи­товой обкладкой, охлаждаемой снизу проточной водой. В печь загружается безводный СаСl 2 , а электродами служат железный катод и графитовые аноды. Процесс ведут при на­пряжении 20-30В, силе тока до 10 тыс. ампер, низ­кой температуре (около 800 °С). Благодаря последнему обстоятельству графитовая обкладка печи остается все время покрытой защитным слоем твердой соли. Так как кальций хорошо осаждается лишь при достаточно большой плотности тока на катоде (порядка 100 а/см 3), последний по мере хода электролизе постепенно поднимают кверху, с тем чтобы погруженным в расплав оставался лишь его конец. Таким образом, фактически катодом является сам металлический кальций (который изолируется от воздуха застывшей солевой коркой).Очистка его проводится обычно путем перегонки в ва­кууме или в атмосфере аргона.

Физические свойства:

Кальций и его аналоги представляют собой ковкие серебристо-белые металлы. Из них сам кальций довольно тверд, стронций и особенно барий значительно мягче. Некоторые константы щелочноземельных ме­таллов сопоставлены ниже:

Плотность, г/см 3
Температура плавления, °С
Температура кипения, °С

Летучие соединения щелочноземельных металлов окрашивают пламя в характерные цвета: Са - в оранжево-красный (кирпичный), Sr и Ra - в карминово-красный, Ва - в желтовато-зеленый. Этим пользуются при химических анализах для открытия рассматриваемых элементов.

Химические свойства :

На воздухе кальций и его аналоги покрываются пленкой, наряду с нормальными окислами (ЭО) частично содержащей также перекиси (Э0 2) и нитриды (Э 3 N 2). В ряду напряжений щелочноземельные ме­таллы располагаются левее магния и поэтому легко вытесняют водород не только из разбавленных кислот, но и из воды. При переходе от Са к Ra энергичность взаимодействия увеличивается. В своих соединениях рассматриваемые элементы двухвалентны. С металлоидами щелочноземельные металлы соединяются весьма энергично и с значительным выделением тепла.

· Обычно при взаимодействии ЩЗМ(щелочноземельные) металлов с кислородом, указывают образование оксида:

2Э +O 2 →2ЭO

Важно знать тривиальные названия нескольких соединений:

белильная, хлорная (хлорка) – CaCl 2 ∙ Ca(ClO) 2

гашёная (пушонка) – Ca(OH) 2

извёстка – смесь Ca(OH) 2 , песка и воды

известковое молоко – суспензия Ca(OH) 2 в известковой воде

натронная – смесь твёрдых NaOH и Ca(OH) 2 или CaO

негашёная (кипелка) – СаО

· Взаимодействие с водой, на примере кальция и его оксида:

Ca+2H 2 O→Ca(OH) 2 +H 2

CaO+H 2 O→Ca(OH) 2 +16 ккал("гашение"извести)

При взаимодействии с кислотами окислы и гидроокиси щелочнозе­мельных металлов легко образуют соответствующие соли, как правило, бесцветные.

Это интересно:

Если при гашении извести заменить воду раство­ром NaOH, то получается так называемая натронная известь. Практически при ее выработке к концентри­рованному раствору едкого натра добавляют измельчен­ную СаО (в весовом соотношении 2:1 к NaOH). После перемешивания образующейся массы ее выпаривают до­суха в железных сосудах, слабо прокаливают и затем измельчают. Натронная известь представляет собой тесную смесь Са(ОН) 2 с NaOH и широко применяется в лабора­ториях для поглощения углекислого газа.

Наряду с нормальными окислами для элементов подгруппы каль­ция известны белые перекиси типа Э0 2 . Практическое значение из них имеет перекись бария (Ва0 2), применяемая, в частности, как ис­ходный продукт для получения перекиси водорода:

BaO 2 + H 2 SO 4 =BaSO 4 + H 2 O 2

Технически Ва0 2 получают нагреванием ВаО в токе воздуха до 500 °С. При этом происходит присоединение кислорода по реакции

2ВаО +O 2 = 2BaO 2 + 34 ккал

Дальнейшее нагревание ведет, наоборот, к распаду Ва0 2 на окись бария и кислород. Поэтому сжигание металлического бария сопровождается образованием только его окиси.

· Взаимодействие с водородом, с образованием гидридов:

Гидриды ЭН 2 не растворяются (без разложения) ни в одном из обычных растворителей. С водой (даже ее следами) они энергично реагируют по схеме:

ЭH 2 + 2H 2 O = Э(OH) 2 + 2H 2

Реакция эта может служить удобным методом получения водорода, так как для своего проведения требует кроме СаН 2 (1 кг которого дает приблизительно 1 м 3 Н 2) только воду. Она сопровождается настолько значительным выделением тепла, что смоченный небольшим количеством воды СаН 2 самовоспламеняется на воздухе. Еще энергичнее протекает взаимодействие гидридов ЭН 2 с разбавленными кислотами. Напротив, со спиртами они реагируют спокойнее, чем с водой:

CaH 2 +2HCl→СаСl 2 +2H 2

CaH 2 +2ROH→2RH+Ca(OH) 2

3CaH 2 +N 2 → Ca 3 N 2 +ЗH 2

CaH 2 +O 2 →CaO+H 2 O

Гидрид кальция используется в качестве эффективного осушителя жидкостей и газов. Он успешно применяется также для количественного определения содержания воды в органических жидкостях, кристаллогидратах и т. д.

· Напрямую могу взаимодействовать с неметаллами:

Ca+Cl 2 →CaCl 2

· Взаимодействие с азотом. Э 3 N 2 белые тугоплавкие тела. Очень медленно образуются уже при обычных условиях:

3Э+N 2 →Э 3 N 2

Водой разлагаются по схеме:

Э 3 N 2 +6H 2 O→3Ca(OH) 2 +2NH 3

4Э 3 N 2 →N 2 +3Э 4 N 2)(для Ba и Sr субнитриды)

Э 4 N 2 +8H 2 O→4Э(OH) 2 +2NH 3 +H 2

Ba 3 N 2 +2N 2 →3 Ba N 2 (пернитрид бария)

При взаимодействии с разбавленными кислотами эти пернитриды наряду с двумя молекулами аммиака отщепляют и молекулу свободного азота:

Э 4 N 2 +8HCl→4ЭСl 2 +2NH 3 +H 2

Э 3 N 2 +ЗСО = 3ЭO+N 2 +ЗС

Иначе идет реакция в случае бария:

B a 3 N 2 +2СО = 2ВаО + Ba(CN) 2

Это интересно :

Э+NH 3(жидкий) →(Э(NH 2) 2 +H 2 +ЭNH+H 2)

4Э(NH 2) 2 → ЭN 2 +2H 2

Интересно, что Э(NH 3) 6 - аммиакаты образуются при взаимодействии элементов с газообразным аммиаком, и способны разлагаться по схеме:

Э(NH 3) 6 →Э(NH 2) 2 +4NH 3 +H 2

Дальнейшее нагревание:

Э(NH 2) 2 →ЭNH+NH 3

3ЭNH→NH 3 +Э 3 N 2

Но взаимодействие металла с аммиаком при высокой температуре протекает по схеме:

6Э+2 NH 3 →Э H 2 +Э 3 N 2

Нитриды способны присоединять галогениды:

Э 3 N 2 +ЭHal 2 →2Э 2 NHal

· Оксиды ЩЗМ и гидроокиси проявляют основные свойства, за исключением бериллия:

CaO +2 HCl →СаС l 2 +H 2 O

Ca(OH) 2 +2HCl→ СаС l 2 +2H 2 O

Be+2NaOH+2H 2 O→Na 2 +H 2

BeO+2HCl→Be С l 2 +H 2 O

BeO+2NaOH→Na 2 BeO 2 +H 2 O

· Качественные реакции на катионы ЩЗМ.В большинстве изданий указывают только качественные реакции на Ca 2+ и Ba 2+ .Рассмотрим их сразу в ионной форме:

Ca 2+ +CO 3 2- →CaCO 3 ↓ (белый осадок)

Ca 2+ +SO 4 2- →CaSO 4 ↓ (белый хлопьевидный осадок)

CaCl 2 + (NH 4) 2 C 2 O 4 →2NH 4 Cl + CaC 2 O 4 ↓

Ca 2+ +C 2 O 4 2- → CaC 2 O 4 ↓(белый осадок)

Ca 2+ -окрашивание пламени в кирпичный цвет

Ba 2+ +CO 3 2- →BaCO 3 ↓ (белый осадок)

Ba 2+ +SO 4 2- →BaSO 4 ↓(белый осадок)

Ba 2+ +CrO 4 2- →BaCrO 4 ↓(желтый осадок, аналогично для стронция)

Ba 2+ +Cr 2 O 7 2- +H 2 O→2BaCrO 4 +2H + (желтый осадок, аналогично для стронция)

Ba 2+ - окрашивание пламени в зелёный цвет.

Применение:

Промышленное применение находят почти исключительно соеди­нения рассматриваемых элементов, характерные свойства которых и определяют области их использования. Исключение представляют соли радия, практическое значение которых связано с их общим свойством - радиоактивностью. Практическое использование (главным образом в металлургии) нахо­дит почти исключительно кальций.Нитрат кальция широко применяется в качестве азотсодержащего минерального удобрения. Нитраты строн­ция и бария служат в пиротехнике для изготовления составов, сгораю­щих красным (Sr) или зеленым (Ва) пламенем.Применение отдельных природных разновидностей СаС0 3 различно. Известняк непосредственно используется при строительных работах, а также служит исходным сырьем для получения важнейших строи­тельных материалов - извести и цемента. Мел потребляется в качестве минеральной краски, как основа составов для полировки и т. д. Мрамор является прекрасным материалом для скульптурных работ, изго­товления электрических распределительных щитов и т.д. Практическое применение находит главным образом природный СаF 2 , который широко используется в керамической промышленности, служит исходным материалом для получении HF.

Безводный СаСl 2 ввиду его гигроскопичности часто используется в качестве осушающего средства. Весьма разнообразны медицинские применения растворов хлористого кальция (внутрь и внутривенно). Хлористый барий употребляется дли борьбы с вредителями сельского хозяйства и как важный реактив (на ион SO 4 2-) в химических лабораториях.

Это интересно:

Если 1 вес. ч. насыщенного раствора Са(СН 3 СОО) 2 быстро влить в сосуд, содержащий 17 вес. ч. этилового спирта, то вся жидкость тотчас же затвердевает. Получаемый подобным путем «сухой спирт» после поджигания медленно сгорает не коптящим пламенем. Такое топливо особенно удобно для туристов.

Жёсткость воды.

Содержание в природной воде солей кальция и магния часто оце­нивают, говоря о той или иной ее «жесткости». При этом различают жесткость карбонатную («временную») и некарбонатную («постоянную»). Первая обусловлена присутствием Са(НС0 3) 2 , реже Mg(HC0 3) 2 . Временной она названа потому, что может быть устранена простым кипячением воды: бикарбонаты при этом разрушаются, и не­растворимые продукты их распада (карбонаты Са и Mg) оседают на стенках сосуда в виде накипи:

Ca(HCO 3) 2 →CaCO 3 ↓+CO 2 +H 2 O

Mg(HCO 3) 2 →MgCO 3 ↓+CO 2 +H 2 O

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния, не дающих осадка при кипячении. Наиболее обычны сульфаты и хлориды. Из них особое значение имеет малорастворимый CaS0 4 , который оседает в виде очень плотной накипи.

При работе парового котла на жесткой воде его нагреваемая по­верхность покрывается накипью. Так как последняя плохо проводит тепло, прежде всего становится неэкономичной сама работа котла: уже слой накипи толщиной 1 мм повышает расход топлива приблизительно на 5%. С другой стороны, изолированные от воды слоем накипи стенки котла могут нагреться до весьма высоких температур. При этом железо постепенно окисляется и стенки теряют прочность, что может повести к взрыву котла. Так как паросиловое хозяйство существует во многих промышленных предприятиях, вопрос о жесткости воды весьма практи­чески важен.

Так как очистка воды от растворенных солей при помощи перегонки слишком дорога, в местностях с жесткой водой для ее «умягчения» пользуются химическими методами. Карбонатную жесткость обычно устраняют, прибавляя к воде Са(ОН) 2 в количестве, строго отвечающем найденному по анализу содержанию бикарбонатов. При этом по реакции

Ca(HCO 3) 2 + Са(ОН) 2 = 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O

весь бикарбонат переходит в нормальный карбонат и осаждается. От некарбонатной жесткости чаще всего освобождаются добавлением к воде соды, которая вызывает образование осадка по реакции:

СaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

Воде дают затем отстояться и лишь после этого пользуются ею для пи­тания котлов или в производстве. Для умягчения небольших количеств жесткой воды (в прачечных и т. п.) обычно добавляют к ней немного соды и дают отстояться. При этом кальций и магний полностью оса­ждаются в виде карбонатов, а остающиеся в растворе соли натрия не мешают.

Из изложенного следует, что содой можно пользоваться для устра­нения и карбонатной, и некарбонатной жесткости. Тем не менее втехнике все же стараются при возможности применять именно Са(ОН) 2 , что обусловлено гораздо большей дешевизной этого продукта сравни­тельно с содой

И карбонатная, и некарбонатная жесткость воды оценивается суммарным числом содержащихся в одном литре миллиграмм-эквивалентов Са и Mg (мг-экв/л). Сумма временной и постоянной жесткости определяет общую жесткость воды. Последняя характеризуется по данному признаку следующими наименованиями: мяг­кая (<4), средне жёсткая (4-8), жесткая (8-12), очень жесткая (>12 мг-экв/л). Жесткость отдельных естественных вод колеблется в весьма широких пределах. Для открытых водоемов она часто зависит от времени года и даже погоды. Наиболее «мягкой» природной водой является атмосферная (дождь, снег), почти не содержащая растворенных солей. Интересно имеющееся указание на то, что сердечные заболевания более распространены в местностях с мягкой водой.

Для полного умягчения воды вместо соды часто применяют Na 3 PO 4 , осаж­дающий кальций и магний в виде их труднорастворимых фосфатов:

2Na 3 PO 4 +3Ca(HCO 3) 2 →Ca 3 (PO 4) 2 ↓+6NaHCO 3

2Na 3 PO 4 +3Mg(HCO 3) 2 →Mg 3 (PO 4) 2 ↓+6NaHCO 3

Для расчета жёсткости воды есть специальная формула:

Где 20,04 и 12,16 эквивалентные массы кальция и магния соответственно.

Редактор: Харламова Галина Николаевна

Свойства щелочноземельных металлов

Физические свойства

Щелочноземельные металлы (по сравнению со щелочными металлами) обладают более высокими t╟пл. и t╟кип., потенциалами ионизации, плотностями и твердостью.

Химические свойства

1. Очень реакционноспособны.

2. Обладают положительной валентностью +2.

3. Реагируют с водой при комнатной температуре (кроме Be) с выделением водорода.

4. Обладают большим сродством к кислороду (восстановители).

5. С водородом образуют солеобразные гидриды ЭH 2 .

6. Оксиды имеют общую формулу ЭО. Тенденция к образованию пероксидов выражена слабее, чем для щелочных металлов.

Нахождение в природе

3BeO ∙ Al 2 O 3 ∙ 6SiO 2 берилл

Mg

MgCO 3 магнезит

CaCO 3 ∙ MgCO 3 доломит

KCl ∙ MgSO 4 ∙ 3H 2 O каинит

KCl ∙ MgCl 2 ∙ 6H 2 O карналлит

CaCO 3 кальцит (известняк, мрамор и др.)

Ca 3 (PO 4) 2 апатит, фосфорит

CaSO 4 ∙ 2H 2 O гипс

CaSO 4 ангидрит

CaF 2 плавиковый шпат (флюорит)

SrSO 4 целестин

SrCO 3 стронцианит

BaSO 4 барит

BaCO 3 витерит

Получение

Бериллий получают восстановлением фторида:

BeF 2 + Mg═ t ═ Be + MgF 2

Барий получают восстановлением оксида:

3BaO + 2Al═ t ═ 3Ba + Al 2 O 3

Остальные металлы получают электролизом расплавов хлоридов:

CaCl 2 = Ca + Cl 2 ╜

катод: Ca 2+ + 2ē = Ca 0

анод: 2Cl - - 2ē = Cl 0 2

MgO + C = Mg + CO

Металлы главной подгруппы II группы - сильные восстановители; в соединениях проявляют только степень окисления +2. Активность металлов и их восстановительная способность увеличивается в ряду: Be Mg Ca Sr Ba╝

1. Реакция с водой.

В обычных условиях поверхность Be и Mg покрыты инертной оксидной пленкой, поэтому они устойчивы по отношению к воде. В отличие от них Ca, Sr и Ba растворяются в воде с образованием гидроксидов, которые являются сильными основаниями:

Mg + 2H 2 O═ t ═ Mg(OH) 2 + H 2

Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 ╜

2. Реакция с кислородом.

Все металлы образуют оксиды RO, барий-пероксид BaO 2:

2Mg + O 2 = 2MgO

Ba + O 2 = BaO 2

3. С другими неметаллами образуются бинарные соединения:

Be + Cl 2 = BeCl 2 (галогениды)

Ba + S = BaS (сульфиды)

3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 (нитриды)

Ca + H 2 = CaH 2 (гидриды)

Ca + 2C = CaC 2 (карбиды)

3Ba + 2P = Ba 3 P 2 (фосфиды)

Бериллий и магний сравнительно медленно реагируют с неметаллами.

4. Все металлы растворяются в кислотах:

Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 ╜

Mg + H 2 SO 4 (разб.) = MgSO 4 + H 2 ╜

Бериллий также растворяется в водных растворах щелочей:

Be + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 ╜

5. Качественная реакция на катионы щелочноземельных металлов - окрашивание пламени в следующие цвета:

Ca 2+ - темно-оранжевый

Sr 2+ - темно-красный

Ba 2+ - светло-зеленый

Катион Ba 2+ обычно открывают обменной реакцией с серной кислотой или ее солями:

Сульфат бария - белый осадок, нерастворимый в минеральных кислотах.

Оксиды щелочноземельных металлов

Получение

1) Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид)

2) Термическое разложение нитратов или карбонатов

CaCO 3 ═ t ═ CaO + CO 2 ╜

2Mg(NO 3) 2 ═ t ═ 2MgO + 4NO 2 ╜ + O 2 ╜

Химические свойства

Типичные основные оксиды. Реагируют с водой (кроме BeO), кислотными оксидами и кислотами

MgO + H 2 O = Mg(OH) 2

3CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4) 2

BeO + 2HNO 3 = Be(NO 3) 2 + H 2 O

BeO - амфотерный оксид, растворяется в щелочах:

BeO + 2NaOH + H 2 O = Na 2

Гидроксиды щелочноземельных металлов R(OH) 2

Получение

Реакции щелочноземельных металлов или их оксидов с водой: Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2

CaO(негашеная известь) + H 2 O = Ca(OH) 2 (гашеная известь)

Химические свойства

Гидроксиды R(OH) 2 - белые кристаллические вещества, в воде растворимы хуже, чем гидроксиды щелочных металлов (растворимость гидроксидов уменьшается с уменьшением порядкового номера; Be(OH) 2 - нерастворим в воде, растворяется в щелочах). Основность R(OH) 2 увеличивается с увеличением атомного номера:

Be(OH) 2 - амфотерный гидроксид

Mg(OH) 2 - слабое основание

остальные гидроксиды - сильные основания (щелочи).

1) Реакции с кислотными оксидами:

Ca(OH) 2 + SO 2 = CaSO 3 ¯ + H 2 O

Ba(OH) 2 + CO 2 = BaCO 3 ¯ + H 2 O

2) Реакции с кислотами:

Mg(OH) 2 + 2CH 3 COOH = (CH 3 COO) 2 Mg + 2H 2 O

Ba(OH) 2 + 2HNO 3 = Ba(NO 3) 2 + 2H 2 O

3) Реакции обмена с солями:

Ba(OH) 2 + K 2 SO 4 = BaSO 4 ¯+ 2KOH

4) Реакция гидроксида бериллия со щелочами:

Be(OH) 2 + 2NaOH = Na 2

Жесткость воды

Природная вода, содержащая ионы Ca 2+ и Mg 2+ , называется жесткой. Жесткая вода при кипячении образует накипь, в ней не развариваются пищевые продукты; моющие средства не дают пены.

Карбонатная (временная) жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная (постоянная) жесткость - хлоридов и сульфатов.

Общая жесткость воды рассматривается как сумма карбонатной и некарбонатной.

Удаление жесткости воды осуществляется путем осаждения из раствора ионов Ca 2+ и Mg 2+ :

1) кипячением:

Сa(HCO 3) 2 ═ t ═ CaCO 3 ¯ + CO 2 + H 2 O

Mg(HCO 3) 2 ═ t═ MgCO 3 ¯ + CO 2 + H 2 O

2) добавлением известкового молока:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 ¯ + 2H 2 O

3) добавлением соды:

Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ¯+ 2NaHCO 3

CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ¯ + Na 2 SO 4

MgCl 2 + Na 2 CO 3 = MgCO 3 ¯ + 2NaCl

Для удаления временной жесткости используют все четыре способа, а для постоянной - только два последних.

Термическое разложение нитратов.

Э(NO3)2 =t= ЭO + 2NO2 + 1/2O2

Особенности химиии берилия.

Be(OH)2 + 2NaOH (изб) = Na2

Al(OH)3 + 3NaOH (изб) = Na3

Be + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2

Al + 3NaOH + 3H2O = Na3 + 3/2H2

Be, Al + HNO3 (Конц) = пассивация

На уроке будет раскрыта тема «Металлы и их свойства. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Алюминий». Вы узнаете общие свойства и закономерности щелочных и щелочноземельных элементов, изучите по отдельности химические свойства щелочных и щелочноземельных металлов и их соединения. С помощью химических уравнений будет рассмотрено такое понятие, как жесткость воды. Познакомитесь с алюминием, его свойствами и сплавами. Вы узнаете, что такое смеси, регенерирующие кислород, озониды, пероксид бария и получение кислорода.

Тема: Основные металлы и неметаллы

Урок: Металлы и их свойства. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Алюминий

Главную подгруппу I группы Периодической системы Д.И. Менделеева составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Элементы этой подгруппы относят к . Их общее название - щелочные металлы.

Щелочноземельные металлы находятся в главной подгруппе II группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Это магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.

Щелочные и щелочноземельные металлы как типичные металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. У элементов главных подгрупп металлические свойства с увеличением радиуса возрастают. Особенно сильно восстановительные свойства проявляются у щелочных металлов. Настолько сильно, что практически невозможно проводить их реакции с разбавленными водными растворами, так как в первую очередь будет идти реакция взаимодействия их с водой. У щелочноземельных металлов ситуация аналогичная. Они тоже взаимодействуют с водой, но гораздо менее интенсивно, чем щелочные металлы.

Электронные конфигурации валентного слоя щелочных металлов - ns 1 , где n - номер электронного слоя. Их относят к s-элементам. У щелочноземельных металлов - ns 2 (s-элементы). У алюминия валентные электроны …3 s 2 3р 1 (p-элемент). Эти элементы образуют соединения с ионным типом связи. При образовании соединений для них степень окисления соответствует номеру группы.

Обнаружение ионов металла в солях

Ионы металлов легко определить по изменению окраски пламени. Рис. 1.

Соли лития - карминово-красная окраска пламени. Соли натрия - желтый. Соли калия - фиолетовый через кобальтовое стекло. Рубидия - красный, цезия - фиолетово-синий.

Рис. 1

Соли щелочноземельных металлов: кальция - кирпично-красный, стронция - карминово-красный и бария - желтовато-зеленый. Соли алюминия окраску пламени не меняют. Соли щелочных и щелочноземельных металлов используются для создания фейерверков. И можно легко определить по окраске, соли какого металла применялись.

Свойства металлов

Щелочные металлы - это серебристо-белые вещества с характерным металлическим блеском. Они быстро тускнеют на воздухе из-за окисления. Это мягкие металлы, по мягкости Na, K, Rb, Cs подобны воску. Они легко режутся ножом. Они легкие. Литий - самый легкий металл с плотностью 0,5 г/см 3 .

Химические свойства щелочных металлов

1. Взаимодействие с неметаллами

Из-за высоких восстановительных свойств щелочные металлы бурно реагируют с галогенами с образованием соответствующего галогенида. При нагревании реагируют с серой, фосфором и водородом с образованием сульфидов, гидридов, фосфидов.

2Na + Cl 2 → 2NaCl

Литий - это единственный металл, который реагирует с азотом уже при комнатной температуре.

6Li + N 2 = 2Li 3 N, образующийся нитрид лития подвергается необратимому гидролизу.

Li 3 N + 3H 2 O → 3LiOH + NH 3

2. Взаимодействие с кислородом

Только с литием сразу образуется оксид лития.

4Li + О 2 = 2Li 2 О, а при взаимодействии кислорода с натрием образуется пероксид натрия.

2Na + О 2 = Na 2 О 2 . При горении всех остальных металлов образуются надпероксиды.

К + О 2 = КО 2

3. Взаимодействие с водой

По реакции с водой можно наглядно увидеть, как изменяется активность этих металлов в группе сверху вниз. Литий и натрий спокойно взаимодействуют с водой, калий - со вспышкой, а цезий - уже с взрывом.

2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2

4.

8K + 10HNO 3 (конц) → 8KNO 3 + N 2 O +5 H 2 O

8Na + 5H 2 SO 4 (конц) → 4Na 2 SO 4 + H 2 S + 4H 2 O

Получение щелочных металлов

Из-за высокой активности металлов, получать их можно при помощи электролиза солей, чаще всего хлоридов.

Соединения щелочных металлов находят большое применение в разных отраслях промышленности. См. Табл. 1.

РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
	Едкий натр (каустическая сода)
	Поваренная соль
	Чилийская селитра
Na 2 SO 4 ∙10H 2 O	Глауберова соль
Na 2 CO 3 ∙10H 2 O	Сода кристаллическая
	Едкое кали
	Хлорид калия (сильвин)
	Индийская селитра

Их название связано с тем, что гидроксиды этих металлов являются щелочами, а оксиды раньше называли «земли». Например, оксид бария BaO - бариевая земля. Бериллий и магний чаще всего к щелочноземельным металлам не относят. Мы не будем рассматривать и радий, так как он радиоактивный.

Химические свойства щелочноземельных металлов.

1. Взаимодействие с неметаллами

Сa + Cl 2 → 2СaCl 2

Сa + H 2 СaH 2

3Сa + 2P Сa 3 P 2-

2. Взаимодействие с кислородом

2Сa + O 2 → 2CaO

3. Взаимодействие с водой

Sr + 2H 2 O → Sr(OH) 2 + H 2 , но взаимодействие более спокойное, чем с щелочными металлами.

4. Взаимодействие с кислотами - сильными окислителями

4Sr + 5HNO 3 (конц) → 4Sr(NO 3) 2 + N 2 O +4H 2 O

4Ca + 10H 2 SO 4 (конц) → 4CaSO 4 + H 2 S + 5H 2 O

Получение щелочноземельных металлов

Металлический кальций и стронций получают электролизом расплава солей, чаще всего хлоридов.

CaCl 2 Сa + Cl 2

Барий высокой чистоты можно получить алюмотермическим способом из оксида бария

3BaO +2Al 3Ba + Al 2 O 3

РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Самыми известными соединениями щелочноземельным металлов являются: CaО - негашеная известь. Ca(OH) 2 - гашеная известь, или известковая вода. При пропускании углекислого газа через известковую воду происходит помутнение, так как образуется нерастворимый карбонат кальция СаСО 3. Но надо помнить, что при дальнейшем пропускании углекислого газа образуется уже растворимый гидрокарбонат и осадок исчезает.

Рис. 2

СaO + H 2 O → Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓+ H 2 O

CaCO 3 ↓+ H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2

Гипс - это CaSO 4 ∙2H 2 O, алебастр - CaSO 4 ∙0,5H 2 O. Гипс и алебастр используются в строительстве, в медицине и для изготовления декоративных изделий. Рис. 2.

Карбонат кальция CaCO 3 образует множество различных минералов. Рис. 3.

Рис. 3

Фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 - фосфорит, фосфорная мука используется как минеральное удобрение.

Чистый безводный хлорид кальция CaCl 2 - это гигроскопичное вещество, поэтому широко применяется в лабораториях как осушитель.

Карбид кальция - CaC 2 . Его можно получить так:

СaO + 2C →CaC 2 +CO. Одно из его применений - это получение ацетилена.

CaC 2 + 2H 2 O →Ca(OH) 2 + C 2 H 2

Сульфат бария BaSO 4 - барит. Рис. 4. Используется как эталон белого в некоторых исследованиях.

Рис. 4

Жесткость воды

В природной воде содержатся соли кальция и магния. Если они содержатся в заметных концентрациях, то в такой воде не мылится мыло из-за образования нерастворимых стеаратов. При её кипячении образуется накипь.

Временная жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 . Такую жесткость воды можно устранить кипячением.

Ca(HCO 3) 2 CaCO 3 ↓ + СО 2 + Н 2 О

Постоянная жесткость воды обусловлена наличием катионов Ca 2+ ., Mg 2+ и анионов H 2 PO 4 - ,Cl - , NO 3 - и др. Постоянная жесткость воды устраняется только благодаря реакциям ионного обмена, в результате которых ионы магния и кальция будут переведены в осадок.

Домашнее задание

1. №№3, 4, 5-а (с. 173) Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2007. - 220 с.

2. Какую реакцию среды имеет водный раствор сульфида калия? Ответ подтвердите уравнением реакции гидролиза.

3. Определите массовую долю натрия в морской воде, которая содержит 1,5% хлорида натрия.

Химические свойства щелочных и щелочноземельных металлов схожи. На внешнем энергетическом уровне щелочных металлов находится один электрон, щелочноземельных - два. При реакциях металлы легко расстаются с валентными электронами, проявляя свойства сильного восстановителя.

Щелочные

В I группу периодической таблицы входят щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

Рис. 1. Щелочные металлы.

Они отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), низкими температурами плавления и кипения. Это наиболее активные металлы.

Химические свойства щелочных металлов представлены в таблице.

Реакция	Особенности	Уравнение
С кислородом	Быстро окисляются на воздухе. Литий образует оксид при температуре выше 200°C. Натрий образует смесь - 80 % пероксида (R 2 O 2) и 20 % оксида. Остальные металлы образуют надпероксиды (RO 2)	4Li + O 2 → 2Li 2 O; 2Na + О 2 → Na 2 O 2 ; Rb + O 2 → RbO 2
	Реагирует только литий при комнатной температуре	6Li + N 2 → 2Li 3 N
С галогенами	Реакция проходит бурно	2Na + Cl 2 → 2NaCl
С неметаллами	При нагревании. Образуют сульфиды, гидриды, фосфиды, силициды. С углеродом реагируют только литий и натрий, образуя карбиды	2K + S → K 2 S; 2Na + H 2 → 2NaH; 2Cs + 5P → Cs 2 P 5 ; Rb + Si → RbSi; 2Li + 2C → Li 2 C 2
	Спокойно реагирует только литий. Натрий горит жёлтым пламенем. Калий реагирует со вспышкой. Цезий и рубидий взрываются	2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 -
С кислотами	С соляной, фосфорной, разбавленной серной кислотами реагируют с взрывом. При реакции с концентрированной серной кислотой выделяется сероводород, с концентрированной азотной кислотой образует оксид азота (I), с разбавленной азотной кислотой - азот	2Na + 2HCl → 2NaCl + H 2 ; 8Na + 5H 2 SO 4 (конц) → 4Na 2 SO 4 + H 2 S + 4H 2 O; 8K + 10HNO 3 (конц) → 8KNO 3 + N 2 O + 5H 2 O; 10Na + 12HNO 3 (разб) → N 2 + 10NaNO 3 + 6H 2 O
С аммиаком	Образуют амины	2Li + 2NH 3 → 2LiNH 2 + H 2

Могут реагировать с органическими кислотами и спиртами.

Щелочноземельные

Во II группе таблицы Менделеева находятся щелочноземельные металлы:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Рис. 2. Щелочноземельные металлы.

В отличие от щелочных металлов они более твёрдые. Ножом можно разрезать только стронций. Наиболее плотный металл - радий (5,5 г/см 3).

Бериллий взаимодействует с кислородом только при нагревании до 900°С. С водородом и водой не реагирует при любых условиях. Магний окисляется при температуре 650°С и взаимодействует с водородом под высоким давлением.

В таблице отражены основные химические свойства щелочноземельных металлов.

Реакция	Особенности	Уравнение
С кислородом	Образуют оксидные плёнки. При нагревании до 500°С самовоспламеняются	2Mg + O 2 → 2MgO
С водородом	При высокой температуре образуют гидриды	Sr + H 2 → SrH 2
С галогенами и неметаллами	Реагируют при нагревании	Be + Cl 2 → BeCl 2 ; Mg + S → MgS; 3Ca + 2P → Ca 3 P 2 ; 3Ca + N 2 → Ca 3 N 2 ; Ba + 2C → BaC 2
	При комнатной температуре	Mg + 2H 2 O → Mg(OH) 2 + H 2
С кислотами	Реагируют все металлы с образованием солей	4Ca + 10HNO 3 (конц.) → 4Ca(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
Со щелочами	Реагирует только бериллий	Be + 2NaOH + 2H 2 O → Na 2 + H 2
Замещение	Замещают менее активные металлы в оксидах. Исключение - бериллий	2Mg + ZrO 2 → Zr + 2MgO

Ионы щелочных и щелочноземельных металлов в солях легко обнаружить по изменению цвета пламени. Соли натрия горят жёлтым пламенем, калия - фиолетовым, рубидия - красным, кальция - кирпично-красным, бария - жёлто-зелёным. Соли этих металлов используют для создания фейерверков.

Рис. 3. Качественная реакция.

Что мы узнали?

Щелочные и щелочноземельные металлы - активные элементы периодической таблицы, вступающие в реакции с простыми и сложными веществами. Щелочные металлы более мягкие, бурно реагируют с водой и галогенами, легко окисляются на воздухе, образуя оксиды, пероксиды, надпероксиды, взаимодействуют с кислотами и аммиаком. При нагревании вступают в реакцию с неметаллами. Щелочноземельные металлы реагируют с неметаллами, кислотами, водой. Бериллий не взаимодействует с водородом и водой, но реагирует со щелочами и с кислородом при высокой температуре.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 113.

Наиболее активными среди металлической группы являются щелочные и щелочноземельные металлы. Это мягкие лёгкие металлы, вступающие в реакции с простыми и сложными веществами.

Общее описание

Активные металлы занимают первую и вторую группы периодической таблицы Менделеева. Полный список щелочных и щелочноземельных металлов:

• литий (Li);
• натрий (Na);
• калий (K);
• рубидий (Rb);
• цезий (Cs);
• франций (Fr);
• бериллий (Be);
• магний (Mg);
• кальций (Ca);
• стронций (Sr);
• барий (Ba);
• радий (Ra).

Рис. 1. Щелочные и щелочноземельные металлы в таблице Менделеева.

Электронная конфигурация щелочных металлов - ns 1 , щелочноземельных металлов - ns 2 .

Соответственно, постоянная валентность щелочных металлов - I, щелочноземельных - II. За счёт небольшого количества валентных электронов на внешнем энергетическом уровне активные металлы проявляют мощные свойства восстановителя, отдавая внешние электроны в реакциях. Чем больше энергетических уровней, тем меньше связь с внешних электронов с ядром атома. Поэтому металлические свойства возрастают в группах сверху вниз.

Из-за активности металлы I и II групп находятся в природе только в составе горных пород. Чистые металлы выделяют с помощью электролиза, прокаливания, реакции замещения.

Физические свойства

Щелочные металлы имеют серебристо-белый цвет с металлическим блеском. Цезий - серебристо-жёлтый металл. Это наиболее активные и мягкие металлы. Натрий, калий, рубидий, цезий режутся ножом. По мягкости напоминают воск.

Рис. 2. Разрезание натрия ножом.

Щелочноземельные металлы имеют серый цвет. По сравнению со щелочными металлами являются более твёрдыми, плотными веществами. Ножом можно разрезать только стронций. Самый плотный металл - радий (5,5 г/см 3).

Наиболее лёгкими металлами являются литий, натрий и калий. Они плавают на поверхности воды.

Химические свойства

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с простыми веществами и сложными соединениями, образуя соли, оксиды, щёлочи. Основные свойства активных металлов описаны в таблице.

Взаимодействие	Щелочные металлы	Щелочноземельные металлы
С кислородом	Самовоспламеняются на воздухе. Образуют надпероксиды (RO 2), кроме лития и натрия. Литий образует оксид при нагревании выше 200°C. Натрий образует смесь пероксида и оксида. 4Li + O 2 → 2Li 2 O; 2Na + О 2 → Na 2 O 2 ; Rb + O 2 → RbO 2	На воздухе быстро образуются защитные оксидные плёнки. При нагревании до 500°С самовоспламеняются. 2Mg + O 2 → 2MgO; 2Ca + O 2 → 2CaO
С неметаллами	Реагируют при нагревании с серой, водородом, фосфором: 2K + S → K 2 S; 2Na + H 2 → 2NaH; 2Cs + 5P → Cs 2 P 5 . С азотом реагирует только литий, с углеродом - литий и натрий: 6Li + N 2 → 2Li 3 N; 2Na + 2C → Li 2 C 2	Реагируют при нагревании: Ca + Br 2 → CaBr 2 ; Be + Cl 2 → BeCl 2 ; Mg + S → MgS; 3Ca + 2P → Ca 3 P 2 ; Sr + H 2 → SrH 2
С галогенами	Бурно реагируют с образованием галогенидов: 2Na + Cl 2 → 2NaCl
	Образуются щёлочи. Чем ниже металл расположен в группе, тем более активно протекает реакция. Литий взаимодействует спокойно, натрий горит жёлтым пламенем, калий - со вспышкой, цезий и рубидий взрываются. 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 -; 2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2	Менее активно, чем щелочные металлы, реагируют при комнатной температуре: Mg + 2H 2 O → Mg(OH) 2 + H 2 ; Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
С кислотами	Со слабыми и разбавленными кислотами реагируют с взрывом. С органическими кислотами образуют соли. 8K + 10HNO 3 (конц) → 8KNO 3 + N 2 O + 5H 2 O; 8Na + 5H 2 SO 4 (конц) → 4Na 2 SO 4 + H 2 S + 4H 2 O; 10Na + 12HNO 3 (разб) → N 2 + 10NaNO 3 + 6H 2 O; 2Na + 2CH 3 COOH → 2CH 3 COONa + H 2	Образуют соли: 4Sr + 5HNO 3 (конц) → 4Sr(NO 3) 2 + N 2 O +4H 2 O; 4Ca + 10H 2 SO 4 (конц) → 4CaSO 4 + H 2 S + 5H 2 O
Со щелочами		Из всех металлов реагирует только бериллий: Be + 2NaOH + 2H 2 O → Na 2 + H 2
С оксидами		Вступают в реакцию все металлы, кроме бериллия. Замещают менее активные металлы: 2Mg + ZrO 2 → Zr + 2MgO

Рис. 3. Реакция калия с водой.

Щелочные и щелочноземельные металлы можно обнаружить с помощью качественной реакции. При горении металлы окрашиваются в определённый цвет. Например, натрий горит жёлтым пламенем, калий - фиолетовым, барий - светло-зелёным, кальций - тёмно-оранжевым.

Что мы узнали?

Щелочные и щелочноземельные - наиболее активные металлы. Это мягкие простые вещества серого или серебристого цвета с небольшой плотностью. Литий, натрий, калий плавают на поверхности воды. Щелочноземельные металлы более твёрдые и плотные, чем щелочные. На воздухе быстро окисляются. Щелочные металлы образуют надпероксиды и пероксиды, оксид образует только литий. Бурно реагируют с водой при комнатной температуре. С неметаллами реагируют при нагревании. Щелочноземельные металлы вступают в реакцию с оксидами, вытесняя менее активные металлы. Со щелочами реагирует только бериллий.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 294.