Общая характеристика элементов II А группы. Физические и химические свойства щелочноземельных металлов Ca , Sr , Ba ), их бинарных соединений, гидроксидов и солей

Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra – элементыII А группы, из них Ca, Sr, Ba, Ra – щелочноземельные металлы, т.к. их гидроксиды обладают щелочными свойствами.

Из всех этих элементов только бериллий – является моноизотопным, все остальные полиизотопны. Радий – единственный элемент этой подгруппы, для которого неизвестно ни одного устойчивого изотопа. Все 14 изотопов радиоактивны и среди них наиболее устойчив ²²⁶Ra.

Атомы элементов на внешнем электронном уровне имеют по 2 электрона с противоположными спинами. В возбужденном состоянии один из двух внешних электронов занимает р-орбиталь ), за счет чего атомы могут быть двухвалентными. 

                                2s         2p

Be [He] 2s2   Be* [He] 2s1 2p1

                             

 

Радиусы атомов их меньше, чем у атомов щелочных металлов, поэтому потенциал ионизации больше. От Be(Mg) к Ra увеличивается радиус атома и иона, в соответствии с этим усиливаются металлические свойства. Причем они менее выражены, чем у щелочных металлов.

У щелочноземельных металлов – тип металлических структур:Be, Mg – ГПУ (гексагональная плотная упаковка)

Ca, Sr – ГКУ (гранецентрированная кубическая упаковка)

Ba – ОЦКУ (объемно-центрированная кубическая упаковка) 

                                                                            

 

 

ГПУ                             ГКУ                         ОЦКУ                      

 

Температура плавления и кипения бериллия, а также твердость значительно превосходит остальные элементы подгруппы, это связано с тем, что бериллий образует наиболее прочную кристаллическую решетку. Стандартный электродный потенциал уменьшается сверху вниз, соответственно. Восстановительная активность увеличивается от Ве к Ra, но они менее активные восстановители, чем щелочные металлы.

Незакономерное изменение физических свойств: плотности, температуры плавления, температуры кипения обусловлены существенными различиями в строении пространственных кристаллических решеток.

В свободном состоянии это легкие металлы, тверже щелочных, самый мягкий барий, имеют серебристо-белый цвет.

Для элементов II-A группы характерна степень окисления +2, соединения со степенью окисления +1 – неустойчивы.

Все окисляются на воздухе и бериллий, и магний покрываются плотной пленкой оксидов, защищающей их от воздействий. Но остальные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха более энергично, поэтому хранят также как и щелочные.

При нагревании все металлы сгорают на воздухе с образованием оксидов.

При высоких температурах взаимодействуют с азотом, образуя нитриды.

 

Взаимодействуют с водой, вытесняя водород, все кроме бериллия, магний реагирует медленно и только при высоких температурах, а остальные бурно, т.к. в ряду стандартных электродных потенциалов находятся левее водорода.

Магний сначала образует оксид, а затем гидроксид.

Магний покрыт оксидной плёнкой MgO, который растворяется в H₂O при нагревании.

 

Гидролиз бинарных соединений (при нагревании)

 

Са S + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂S↑

Ca₃P₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑

Ca₃N₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2NH₃↑

Mg₂Si + 4H₂O → 2Mg(OH)₂ + SiH₄↑

Ca, Sr, Ba легко взаимодействуют с водородом, а Be, Mg – не взаимодействуют.

Наряду с обычными оксидами в отличие от Be и Mg образуют пероксиды

Гидроксиды щелочноземельных металлов – сильные основания (щелочи). Be(OH)₂ - aмфолит.       

Mg(OH)₂ – как основание средней силы хорошо растворяется в кислотах и в растворах солей аммония

.

С ростом ионных радиусов Э²⁺ в ряду Be-Ba растет растворимость гидроксидов и усиливаются основные свойства в ряду Са(ОН)₂ – Sr(OH)₂ –Ba(OH)₂. Об этом можно судить по значениям  образования ЭСО₃ в реакции:

 

             BeCO₃ MgCO₃ CaCO₃ SrCO₃     BaCO₃

,кДж/моль 25,1      -38,1      -74,9 -110,0   -128,0

Малорастворимые гидроксиды бериллия и магния получают с помощью реакций обмена между солями этих металлов и щелочами.

MgCl ₂ + 2 KOH → Mg ( OH )₂↓ + 2 KCl

 

Гидроксиды рассматриваемых элементов разлагаются при нагревании.

Из разбавленых кислот (кроме HNO₃) эти металлы вытесняют водород

;

разбавленную HNO₃ восстанавливают до иона аммония, концентрированную как активные металлы до N₂О

 

 

                          

Способы получения

 Получение бериллия.

1. Из оксидов, фторидов пирометаллургическим методом, т.е. при высокой температуре (восстановители – CO, C, Mg).

 

2. Электролиз расплавов солей.

 Получение магния из оксидов восстановлением C и Si

Mg + H₂≠

Ca - электролизом расплавов солей, Sr и Ba- алюмотермией

3

Растворимость солей:

Хорошо растворимы: хлориды, бромиды, иодиды и нитраты.

Плохо растворимы сульфаты (кроме MgSO₄), карбонаты, фосфаты, силикаты. Сульфиты – малорастворимы в воде и сильно гидролизуются.

Все соли бария токсичны, применяются в сельском хозяйстве как инсектициды – яды для борьбы с вредными насекомыми (BaCl₂, BaCO₃).

 

                            2. Особенности бериллия

 

Также как литий отличается от элементов I-A группы, Be – отличается от элементов II-А группы. 

Атом Ве имеет на предвнешнем электронном уровне только два электрона, в отличие от остальных элементов II-A группы, у которых их по 8. У него наименьший радиус. Поэтому Ве проявляет диагональное сходство с Al.

Ве и его аналоги при нагревании с галогенами образуют галогениды ЭГ₂. Их получают также действуя НГ на металл или на Э(ОН)₂.

Be + Cl₂ → BeCl₂

ЭГ₂ – кристаллические вещества.

В молекуле BeCl₂ в наружном слое 4 электрона. Ве – может быть акцептором электронных пар и образовывает две связи по донорно-акцепторному механизму. Cl – донор электронной пары.

 

 

                               

               

В итоге при конденсации BeCl₂ образуются линейные полимерные цепи. Бериллий образует бинарные соединения:

Be + O₂ = 2BeO

Be + S  BeS

и разлагаются водой

В обычных условиях бериллий не образует простых ионов, как и для алюминия, для него характерны катионные и анионные комплексы, где координационное число Be равно 4 (К_ч.Be = 4); в водных растворах не существует иона Be²⁺ так как он гидратирован. 

Также как и алюминий бериллий обладает амфотерными свойствами, растворяется и в кислотах и в щелочах

Be + 2H⁺ + 4H₂O = [Be(H₂O)₄]²⁺ + H₂↑

Be + 2OH^- + 2H₂O = [Be(OH)₄]^2- + H₂↑

Be пассивируется концентрированной азотной и серной кислотами, но при нагревании реагируют с этими кислотами:

Амфотерный оксид Ве взаимодействует при сплавлении как с кислотными так и с основными оксидами.

(бериллат натрия)

(ортосиликат бериллия).

Как и оксид, амфотерны сульфиды и галогениды бериллия.

BeS + Na₂S → Na₂BeS₂

                                  кис . осн .

BeS + SiS₂ → Be₂[SiS₄]

                                  осн . кис .

BeF₂ + NaF → Na₂[BeF₄]

                           кис . осн .

BeF₂ + SiF₄ → Be[SiF₆]

                           осн. кис.

Амфотерен и гидроксид бериллия

Соль бериллия, образованную слабой кислотой, можно получить только непосредственно соединением элементов, но нельзя получить смешиванием водных растворов, так как идет совместный гидролиз солей.

Все соединения Ве токсичны. С учетом особенностей его свойств, применяется в атомной технике, электронике.