К металлам второй группы главной подгруппы относятся бериллий Ве, магний Мg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва, радий Rа. Бериллий и магний являются типическими и во многом отличаются от остальных элементов подгруппы. По своим свойствам бериллий напоминает алюминий, а магний - литий. Остальные элементы подгруппы кальций, стронций, барий, радий - щелочноземельные металлы. Название связано с тем, что оксиды этих металлов (алхимики их называли «землями») при растворении в воде образуют щелочи.
На внешнем энергетическом уровне находится два электрона ns2. Все эти элементы могут проявлять степень окисления +2.
Таблица. Сравнительная характеристика элементов II группы главной подгруппы.
Символ | Кем и когда открыт | Внешний электронный слой | Радиус атома (нм) | Плотность(г/см3) | t° кипения | t° плавления |
Be минерал берилл | 1798 г. Н. Воклен Франция | 2s2 | 0,133 | 1,85 | ||
Mg Магнисия -полуостров в Греции | 1755 г. Дж. Блэк Шотандия | 3s2 | 0,160 | 1,74 | ||
Ca известь | 1808 г. Г. Дэви Англия | 4s2 | 0,197 | 1,54 | ||
Sr от названия деревни в Шотландии | 1790 г. Крофорд, Крюикшенк Шотландия | 5s2 | 0,215 | 2,63 | ||
Ba тяжелый | 1774 г. Шееле, Ганн Швеция | 6s2 | 0,211 | 3,76 | ||
Ra луч | 1898 г. Кюри, Бемон Франция | 7s2 | 0,235 |
Физические свойствамагния и кальция:
|
|
Магний: легкий, серебристый металл, устойчив на воздухе.
Кальций - легкий металл беловато-серого цвета, на воздухе быстро окисляется.
Химические свойства магния и кальция:
Оба металла - сильные восстановители.
Таблица. Химические свойства магния, кальция и их соединений.
Магний | Кальций |
Взаимодействие с кислородом: 2Мg + О2 = 2МgО (при поджигании) Взаимодействие с галогенами: Mg + Cl2 = MgCl2 Взаимодействие при нагревании с серой, азотом, водородом, кремнием: Mg + S = MgS 3Mg + N2 = Mg3N2 Mg + H2 = MgH2 2Mg + Si = Mg2Si Взаимодействие с водой: Мg + 2Н2О = Мg(ОН)2 (при нагревании) Взаимодействие с кислотами: Мg + 2НСl = МgСl2 + Н2 МgО - основной оксид МgО + Н2О - практически не реагирует Взаимодействие с кислотными оксидами при нагревании: МgO + SiO2 = МgSiO3 Взаимодействие с коксом: МgО + 3С = Мg2С2 + СО Mg(OH)2 - среднее по силе основание, для которого характерны все общие для оснований свойства. | Взаимодействие с кислородом: 2Са + O2 = 2СаО (при комнатной t°) Взаимодействие с галогенами: Са + Сl2 = СаСl2 Взаимодействие при нагревании с серой, азотом, водородом, кремнием: Ca + S = CaS Са + N2 = Са2N3 Са + H2 = СаH2 Взаимодействие с водой: Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2 (при комн. t°) Взаимодействие с кислотами: Са + 2НСl = СаСl2 + Н2 СаО - основной оксид Взаимодействие с кислотными оксидами при нагревании: CaO + SiO2 = CaSiO3 Взаимодействие с коксом: CaO + 3C = CaC2 + CO Са(ОН)2 - сильное основание, для которого характерны все общие для оснований свойства. |
|
|
Получение:
Все металлы этой группы получают только путем электролиза расплава солей.
Жесткость воды
Жесткость воды определяется наличием в воде растворимых солей магния и кальция. Жесткость воды обуславливает наличие накипи. В жесткой воде плохо мылится мыло.
Жесткость воды подразделяют на карбонатную и некарбонатную. Карбонатная жесткость обуславливается присутствием в воде гидрокарбонатов магния и кальция Мg(НСО2)2 и Са(НСО3)2. Такую жесткость еще называют временной.
Способы удаления такой жесткости: кипячение или добавление соды:
Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↓ + Н2О
Mg(HCO3)2 + Na2CO3 = 2NaHCO3 + MgCO3↓
Некарбонатная жесткость обуславливается наличием в воде хлоридов и сульфатов магния и кальция МgСl2, СаСl2, МgSО4, СаSО4. Иначе такую жесткость называют постоянной. Такая жесткость может быть удалена химическим путем, например, добавлением соды или гидроксида кальция:
СаSО4 + Nа2СО3 = СаСО3↓ + Nа2SО4
МgСl2 + Са(ОН)2 = Мg(ОН)2↓ + СаСl2
Один из наиболее современных способов умягчения воды основан на применении синтетических ионообменных смол. Воду пропускают через слой катионита, при этом катионы магния и кальция, содержащиеся в воде, обмениваются на катионы натрия, содержащиеся в катионите.
Элементы третьей группы главной подгруппы
К элементам главной подгруппы третьей группы относятся бор В, алюминий Аl, галлий Gа, индий In и таллий Тi. Все эти элементы характеризуются наличием трех электронов в наружном электронном слое атома ns2nр1.
Металлические свойства рассматриваемых элементов выражены слабее, чем у ранее рассмотренных металлов, а у бора преобладают неметаллические свойства. Алюминий, галлий и индий проявляют амфотерные свойства, таллий - металлические свойства. В соединениях все эти элементы проявляют степень окисления +3. Однако с возрастанием атомной массы появляются более низкие степени окисления. У галлия наиболее устойчивы соединения, в которых степень окисления равна +1.
Таблица. Химические свойства элементов III группы главной подгруппы.
Символ | Кем и когда открыт | Внешний электронный слой | Радиус атома (нм) | Плотность (г/см3) | t° кипения | t° плавления |
B бура | 1808 г. Гей-Люссак, Вёлер Франция Г. Дэви Англия | 2s22р1 | 0,091 | 2,34 | ||
Аl квасцы | 1825 г. Х. Эрстед Дания | Зs23р1 | 0,143 | 2,70 | ||
Gа Франция | 1875 г. Леккок де Буа-Бодран Франция | 4s24p1 | 0,139 | 5,90 | 29,8 | |
In индиго | 1863 г. Ф. Райх и Рихтер Германия | 5s25p1 | 0,166 | 7,31 | 154,4 | |
Тi зеленый | 1861 г. У. Крукс Англия | 5s25р1 | 0,171 | 11,85 |
Алюминий
Алюминий - самый распространенный в природе металл. Общее содержание в земной коре составляет около 9% по массе. Он входит в состав силикатов и глин. Из соединений алюминия наибольшее значение имеют Аl2O3 - корунд, рубин, сапфир, криолит – Nа3АlF6, боксит Аl2О3Н2О.
Физические свойства:
Алюминий - серебристо-белый металл, пластичный, легкий, хорошо проводит электрический ток.
Химические свойства:
Активный металл, восстановитель, устойчив на воздухе и в воде из-за наличия плотной оксидной пленки Аl2О3.
Таблица. Химические свойства алюминия.
С простыми веществами | Со сложными веществами |
1. Взаимодействие с кислородом (горит в мелкораздроблнном состоянии): 4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q 2. Взаимодействие с галогенами: 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3 3. Взаимодействие с серой и углеродом (коксом) при нагревании: 2Al + 3S = Al2S3 4Al + 3C = Al4C3 4. Алюмотермия – получение металлов, стоящих в ряду напряжения после алюминия: 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe | 1. Взаимодействие с водой (после разрушения оксидной пленки): 2Al + 6H2O = 6Al(OH)3 + 3H2 2. Растворяется в щелочах: 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4]+3H2 3. Взаимодействие с кислотами: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2 |
|
|
Получение алюминия:
Электролиз оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите:
2Аl2О3 = 4Аl + 3О2
Соединения алюминия:
Оксид алюминия Аl2О3 - это твердое, белое тугоплавкое вещество. Не растворим в воде. В природе встречается в виде корунда или рубина.
Оксид алюминия носит амфотерный характер, но основные свойства у него выражены сильнее, чем кислотные:
Аl2О3 + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2О
Аl2О3 + 2NаОН + 3Н2О = 2Nа[Аl(ОН)4] - тетрагидроксоалюминат натрия
Для перевода в растворимое состояние используют сплавление оксида алюминия с сухими щелочами, с образованием метаалюминатов:
Аl2О3 + 2NaОН = 2NаАlО2 + Н2О
Получают данный оксид разложением гидроксида алюминия:
2Аl(ОН)3 = Аl2О3 + 3Н2O
Гидроксид алюминия Аl(ОН)3 - студенистое вещество, не растворимое в воде. Гидроксид алюминия - типичный амфотерный гидроксид, с кислотами он образует соли, содержащие катион алюминия Аl3-, со щелочами - алюминаты:
2Аl(ОН)3 + 3Н2SО4 = Аl2(SО4) 3 + 6Н2О
Аl(ОН)3 + NаОН = Nа[Аl(ОН)4] - тетрагидроксоалюминат натрия
Получают гидроксид алюминия осаждением из растворов солей:
Al2(SO)3 + 6NaOH = 2Al(OH) 3 + 3Na2SO4
Вопросы по изученной теме:
- В чем особенность строения атомов I - III групп главных подгрупп?
- Чем являются металлы с точки зрения окислительно-востановительных свойств? Как изменяются эти свойства в периоде? Почему?
- Какие степени окисления и валентность проявляют металлы I - III групп главных подгрупп?
- Соединения какого характера образуют металлы I - III групп? Записать формулы оксидов, гидроксидов и сравнить их свойства.
- Составить схему химических свойств для данных металлов.
- В каких областях могут применяться данные металлы?
- Какие превращения соединений кальция происходят в природе?
- Какие соединения кальция широко применяются?
- Почему алюминий может храниться на воздухе, а металлы I и II групп не могут?
- Предсказать химические свойства оксида алюминия и гидроксида Аl. Записать уравнения реакций.
Литература: 1, 2, 3.