fbpx
Предметы

Элементы II группы

В данной статье мы рассмотрим общие характеристики элементов второй группы главной подгруппы (IIA) таблицы Менделеева, а также их соединений. 

Общая характеристика. Элементы главной подгруппы II группы включают в себя следующие элементы: бериллий Ве, магний Мg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва, радий Ra. Все они объединяются в семейство щелочноземельных металлов.

Данные элементы имеют на последнем внешнем электронном слое два s-электрона, образующих электронную конфигурацию ns2. Например, для кальция Ca полная электронная конфигурация будет иметь вид: 1s22s22p63s23p64s2. Щелочноземельные металлы имеют также постоянную степень окисления, равную +2, образуют соответствующие оксиды состава RO и гидроксиды вида R(OH)2

При движении от бериллия к радию у атомов увеличивается количество электронов во внешней электронной оболочке, что приводит к увеличению их радиусов. В свою очередь данное свойство ведет к увеличению диапазона взаимодействия между атомами, что усиливает их металлические и восстановительные свойства.

Кроме того, увеличение радиусов атомов также влияет на основные свойства их оксидов и гидроксидов. Например, с увеличением радиуса атомов уменьшается полярность химических связей, что может влиять на реакционную способность веществ. Таким образом, переход от бериллия к радию сопровождается изменением химических свойств элементов и их соединений.

Кальций и магний — одни из самых распространенных элементов в земной коре и в морской воде. Кальций нужен для строения костей и зубов, функций мышц и нервной системы, а также для свертывания крови и работы сердца. Магний участвует в более чем 300 биохимических реакциях в организме, включая энергетический обмен, правильное функционирование мышц и нервов, регуляцию сердечного ритма. Поэтому важно употреблять достаточное количество кальция и магния, а также обеспечивать его достаточное содержание в почвах и воде для животных и растений.

Благодаря своей важной роли в живых организмах, кальций и магний находят широкое применение в отраслях медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности и др. Эти элементы также используются в производстве строительных материалов, удобрений, косметики и других товаров.

Таким образом, кальций и магний являются одними из самых важных элементов для поддержания здоровья и жизнедеятельности организмов, а их значимость в природе и практике трудно переоценить.

Соли кальция были издавна известны человечеству, но в свободном состоянии его смог получить ученый Г. Дэви в 1808 г. благодаря методу электролиза расплава хлористого кальция. Этот метод стал основой для дальнейших исследований и изучения свойств кальция.

Нахождение в природе. Ввиду большей химической активности кальций встречается в природе только в виде соединений. 

Например, кальций широко распространен в виде карбоната кальция (известняка) в природных образованиях, таких как известняковые пещеры и горные породы. Он также может быть найден в виде сульфата кальция (гипса) или в виде фосфатов кальция в костях и зубах животных. 

Кроме того, кальций содержится в органических соединениях, таких как молочный жир, сыр, йогурт, сухофрукты, орехи и зеленые овощи. Таким образом, кальций может быть обнаружен в различных формах в природе и продуктах питания, его наибольшую часть составляют силикаты, алюмосиликаты и карбонаты.

Основными компонентами известняка и мела являются минерал кальцит СаСО3, доломит CaCO3 ・ MgCO3. Кальциевые соединения очень распространены на территории Казахстана. Так, крупные месторождения фосфоритов имеются в горах Каратау и в Актюбинской области. Очень много имеется запасов доломитов. Окристаллизованная форма кальцита представляет из себя мрамор. К распространенным минералам относятся ангидрит, имеющий формулу CaSO4, и гипс, представляющий соединение CaSO4・ 2H2O. Также весьма важными в промышленном отношении являются минералы флюорит СаF2 и различные формы апатитов и фосфоритов Са3(РО4)2. Сульфат кальция (гипс) и карбонат кальция (известняк) являются основными формами кальция, находящимися в почвах и водах. 

Получение. Щелочноземельные металлы получают в основном электролизом расплавов соответствующих галогенидов. Например, кальций можно получить из расплава хлорида кальция действием электрического тока по следующему уверенную реакции:

CaCl2 → Ca + Cl2

Физические свойства. Все щелочноземельные металлы серые, твердые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твердые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Рост плотности данных металлов наблюдается только начиная с кальция.

Кальций серебристо-белый, легкий (ρ = 1,55 г/см3), ковкий металл, который плавится при температуре 850 ℃. Он значительно тверже щелочных металлов. 

Химические свойства. Рассмотрим химические свойства щелочноземельных металлов на примере кальция. Кальций является одним из самых активных металлов, во всех реакциях участвует как сильный восстановитель:

Ca — 2ē = Ca2+

1. Взаимодействие с неметаллами.

При обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом воздуха и галогенами (воспламенение):

2Ca + О2 = 2CaО

Ca + CI2 = CaCl2

                                                        хлорид кальция

При нагревании легко реагирует с серой, фосфором, углеродом и кремнием по следующим соответствующим реакциям:

Ca + S = CaS

                                                        сульфид кальция

3Са + 2Р = Ca3P2

                                                        фосфид кальция

Ca + 2C = CaС2

                                                         карбид кальция

Ca + 2Si = CaSi2

                                                         силицид кальция

Кальций — один из немногих металлов, непосредственно реагирующих с азотом при температуре 500°С:

3Ca + N2 = Ca3N2

                                                        нитрид кальция

При нагревании в атмосфере водорода при 400°С образуется гидрид кальция:

Ca + H2 = CaН2

                                                        гидрид кальция 

2. Взаимодействие с водой и кислотами с выделением водорода:

Ca + 2H2О = Ca(OH)2 + Н2

Ca + 2HCI = CaCl2 + H2

Важнейшие соединения кальция. Оксид кальция СаО (негашеная известь; жженая известь) белое тугоплавкое вещество, очень гигроскопичное. 

Получают термическим разложением при 800°С известняка, мрамора СаСО3:

СаСО3 → CaО + CO2

Типичный основной оксид обладает химическими свойствами, присущими основным оксидам активных металлов. Оксид кальция взаимодействует с водой, образуя щелочь, при этом выделяется большое количество теплоты:

CaО + H2O = Ca(OH)2 + Q

Реакцию оксида кальция с водой называют гашением извести.

Негашеная известь в основном применяется для получения гашеной извести, а также для освобождения газов одновременно от воды и СО2

Ca(OH)2 — гидроксид кальция (гашеная известь) — тонкий рыхлый порошок, малорастворим в воде. Получают растворением жженой извести в воде.

Насыщенный раствор Са(ОН)2 в воде называют «известковой водой», а взвесь (суспензия) его в воде носит название «известковое молоко».

Гидроксид кальция — сильное основание (щелочь). Все растворенные молекулы практически полностью диссоциированы:

Ca(OH)2 ⇄ Ca2+ + 2OH 

Ca(OH)2 как основание проявляет все характерные для этого класса соединений свойства. Известковую воду используют для обнаружения оксида углерода (IV) в лабораторных условиях:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O

                                  карбонат кальция

Раствор сначала мутнеет, а при длительном пропускании оксида углерода (IV) он становится прозрачным:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

                                                    гидрокарбонат кальция

Если полученный прозрачный раствор гидрокарбоната кальция нагревают, то он снова мутнеет:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + H2O + CO2

Эта реакция играет очень важную роль в природе, благодаря ей осуществляется круговорот кальция в природе.

Применение. Металлический кальций широко применяется в производстве сплавов, в производстве строительных материалов, в производстве алюминия, в производстве органических соединений и в производстве огнетушителей. Он также используется в производстве подушек безопасности, в производстве горючих смазок и в других отраслях промышленности.

Кальций и его гидрид широко используются в металлургической промышленности для восстановления трудно извлекаемых металлов из их соединений. Например, хром, торий и уран могут быть получены путем реакции их оксидов с кальцием или его гидридом. Кальций является хорошим восстановителем из-за его высокой реакционной способности и доступности.

Кальций-свинцовые сплавы обладают высокой электропроводностью и хорошей устойчивостью к износу, что делает их идеальным материалом для использования в аккумуляторных батареях. Они также имеют высокую пластичность, что делает их хорошими материалами для производства подшипников. 

В аккумуляторах кальций-свинцовые сплавы используются в качестве элементов аккумуляторов, обеспечивая их долгий срок службы и стабильную работу. А в подшипниковых сплавах они обеспечивают надежность и долговечность подшипников, уменьшая трение и износ.

Таким образом, сплавы кальция со свинцом широко применяются в промышленности благодаря их высоким электрическим и механическим свойствам, что делает их незаменимыми материалами для производства аккумуляторов и подшипников.

Гранулы кальция обладают высокой абсорбционной способностью и могут прочно связать молекулы воздуха, что позволяет эффективно удалить воздух из электровакуумных приборов. Для этого гранулы кальция помещают в специальную камеру или отсек, где они приводят к удалению воздуха и созданию вакуума. Такой процесс очищения вакуумной системы от воздуха помогает обеспечить более стабильное и точное функционирование электровакуумных приборов. 

Хлорная известь (CaOCl2) является мощным дезинфицирующим средством, которое широко используется для очистки воды, дезинфекции бассейнов и водоемов, а также для отбеливания в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности. 

Она эффективно борется с бактериями, вирусами и грибками, обеспечивая высокий уровень гигиены и безопасности. Помимо этого, хлорная известь также используется для удаления запахов и загрязнений, а также для обезвреживания вредоносных веществ. 

Таким образом, хлорная известь имеет огромное практическое значение в различных сферах деятельности, где требуется эффективная дезинфекция и отбеливание. Ее использование позволяет обеспечить высокую степень защиты от различных патогенных микроорганизмов и обеспечить безопасность для здоровья людей.

Гипс CaSO4・2H2O — дигидрат сульфата кальция. Используется в строительном деле; в медицине при переломах для изготовления гипсовых повязок.

При нагревании природного гипса до 150-180°С получают жженый гипс или алебастр — CaSO4・0,5H2O по следующей реакции:

CaSO4・2H2O = CaSO4・0,5H2O + 1,5H2O

                             гипс           жженый гипс или алебастр

Алебастр является химическим соединением, который при смешивании с известью, песком и водой образует штукатурку, которая применяется для отделки стен, потолков и других поверхностей производственных и жилых помещений. Штукатурка из алебастра обладает хорошей прочностью, износоустойчивостью и отличными декоративными свойствами. Она также хорошо поддается окраске и обеспечивает ровное и гладкое покрытие.

Также алебастр используется для создания статуй, скульптур, украшений, ваз и других предметов искусства. В медицине он применяется для лечения переломов, ушибов, растяжений и других повреждений костей и суставов. Алебастр обладает способностью быстро затвердевать и обеспечивает необходимую поддержку и защиту при заживлении травм.

Важную роль играют мел, мрамор, известняк. Мраморные фигуры обладают прекрасной текстурой и блеском, что делает их популярными украшениями для интерьера и сада. Они могут быть различных форм и размеров, от абстрактных скульптур до реалистичных изображений животных или людей.

Известняк, в свою очередь, также является популярным материалом в строительстве. Он обладает прочностью и долговечностью, что делает его идеальным для облицовки стен, полов и фасадов зданий. Известняк также используется для создания статуй и памятников, благодаря своей прочности и способности сохранять детали долгое время.

Как мрамор, так и известняк используются в строительстве и декорировании, оба материала обладают уникальными характеристиками, которые делают их популярными среди дизайнеров и архитекторов.

Задания для самопроверки:

Задание 1

Характеристика щелочноземельных металлов

А) общая формула гидроксида RОН

В) оксиды этих металлов по характеру кислотные

С) способны восстанавливать редкие металлы из их оксидов

D) при взаимодействии с кислородом образуют пероксиды

E) все соли этих металлов являются растворимыми

Задание 2

Ионы этого металла принимают участие в процессах свертывания крови:

А) Mg2+

В) Ca2+

С) Sr2+

D) Be2+

E) Ba2+

Задание 3

Оксид магния реагирует с каждым из двух веществ:

А) HNO3, H2O  

В) H2O, NaNO3

С) Zn(OH)2, CuSO4

D) Na2O, H2SO4

E) Сl2, KOH

Задание 4

Реакция получения негашенной извести:

А) CaО + H2O = Ca(OH)2

В) Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + H2O + CO2

С) 2Ca + О2 = 2CaО

D) CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

E) Ca + 2HCI = CaCl2 + H2

Задание 5

Формула доломита:

А) CaSO4・0,5H2O

В) CaOCl2

С) Ca(HCO3)2

D) CaСО3

E) CaCO3 ・ MgCO3

Ответы:

1 – C, 2 –  B, 3 – A, 4 –  C, 5 –  E.

Понравилась статья? Оцени:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5
Загрузка...
Полезный материал? Поделись им со своими друзьями, пусть они тоже почитают
Я нашёл ошибку Если вы обнаружили ошибку, свяжитесь с нами с помощью короткой формы обратной связи
О чем эта статья: