Применение и биологическая роль щелочноземельных металлов и их соединений

Щелочноземельные металлы: общая характеристика, строение; свойства и получение

Щелочноземельными металлами называют 4 химических элемента IIA группы Периодической системы Д. И. Менделеева, начиная с кальция:

 

кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra.

Электронное строение атомов

На внешнем энергетическом уровне атомы металлов IIA группы имеют два электрона.

 

Поэтому для всех щелочноземельных металлов характерна степень окисления +2.

Этим объясняется сходство их свойств.

 

Для металлов IIA группы (сверху вниз) характерно:

• увеличение радиуса атомов;
• уменьшение электроотрицательности;
• усиление восстановительных, металлических свойств.

Нахождение в природе

Из щелочноземельных металлов кальций наиболее широко распространён в природе, а радиоактивный радий — менее всего.

 

Все щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, поэтому встречаются в природе только в виде соединений.

 

Основными источниками кальция являются его карбонаты CaCO 3 (мел, мрамор, известняк).

В свободном виде простые вещества представляют собой типичные металлы от серого до серебристого цвета.

Физические свойства простых веществ

В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Это обусловливает общие физические свойства простых веществ металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.

 

Тем не менее, металлы IIA группы имеют разные значения температуры плавления, плотности и других физических свойств.

Химические свойства

Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.

 

Они являются сильными восстановителями.

 

Щелочноземельные металлы активно реагируют с:

 

водой, образуя соответствующие гидроксиды и выделяя водород:

 

Ba +2 H 2 O = Ba (OH)2+ H 2↑⏐;

 

кислотами, легко растворяясь в их растворах с образованием соответствующих солей:

 

Ba + 2HCl = BaCl 2+ H 2↑;

 

с неметаллами, образуя оксиды или соответствующие соли (гидриды, галогениды, сульфиды и др.):

 

2Ca + O 2= 2CaO,

 

Ca + H 2= CaH 2,

 

Bа + Cl 2= BаCl 2,

 

Bа + S = BаS.

Получение

Щелочноземельные металлы получают в основном электролизом расплавов галогенидов. Чаще используются хлориды металлов.

 

При этом на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы.

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида кальция:

 

CaCl 2= Ca + Cl 2↑.

Оксиды и гидроксиды щелочноземельных металлов

Оксиды

Щелочноземельные металлы образуют оксиды общей формулы ЭО:

 

CaO, SrO, BaO, RaO.

 

Все оксиды обладают выраженными основными свойствами.

В ряду от оксида кальция к оксиду бария основные свойства усиливаются.

Оксиды щелочно-земельных металлов реагируют с:

водой:

CaO + H 2 O = Ca (OH)2.

 

Обрати внимание!

Реакция взаимодействия оксида кальция с водой протекает с выделением большого количества теплоты. Её называют реакцией гашения извести, так как оксид кальция входит в состав негашёной извести, а гидроксид кальция — гашёной извести.

кислотными оксидами:

CaO + CO 2= CaCO 3.

 

кислотами:

 

BaO + 2HCl = BaCl 2+ H 2 O.

Гидроксиды

Щелочноземельные металлы при их взаимодействии (или их оксидов) с водой образуют основные гидроксиды (основания).

Сила оснований увеличивается в группе сверху вниз.

Гидроксиды щелочноземельных металлов являются сильными основаниями, растворимыми в воде — щелочами.

 

Гидроксиды щелочноземельных металлов проявляют все характерные свойства оснований, взаимодействуя с кислотными (и амфотерными) оксидами, кислотами (и амфотерными гидроксидами), солями.

При нагревании гидроксиды разлагаются на соответствующий оксид и воду:

 

Ca (OH)2−→− tCaO + H 2 O.

 

Гидроксид кальция является сильным основанием, но малорастворим в воде. Его насыщенный раствор называется известковой водой.

На воздухе раствор постепенно мутнеет, так как поглощает углекислый газ, из которого образуется карбонат кальция:

 

Ca (OH)2+ CO 2= CaCO 3⏐↓+ H 2 O.

 

Эта реакция используется как качественная реакция для обнаружения углекислого газа.

 

Соли щелочноземельных металлов

Получение солей

Соли щелочноземельных металлов можно получить при взаимодействии оксидов или гидроксидов металлов с соответствующими кислотами:

 

CaO + 2HCl = CaCl 2+ H 2 O,

 

Ba (OH)2+ 2HCl = BaCl 2+ H 2 O.

 

Соли бескислородных кислот образуются при непосредственном взаимодействии простых веществ:

 

Ca + S = CaS,

 

2Ba + I 2=2 BaI 2.

Важнейшие соли кальция: его карбонаты и сульфаты.

Карбонат кальция CaCO 3 (мел, мрамор, известняк),

 

гидрокарбонат кальция Ca (HCO 3)2,

 

сульфат кальция CaSO 4 и его кристаллогидраты:

 

CaSO 4⋅ 2H 2 O (гипс), CaSO 4⋅ 0, 5H 2 O (алебастр).

 

Химические свойства

Соли щелочноземельных металлов реагируют с кислотами, солями.

 

При нагревании разлагаются:

 

CaCO 3−→− tCaO + CO 2.

 

Качественный анализ

Обрати внимание!

Соединения кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.

 

Ионы бария можно обнаружить в растворе с помощью раствора серной кислоты или её солей. При этом образуется нерастворимый сульфата бария, который выпадает в осадок:

 

 

Качественная реакция на ионы бария:

 

Применение и биологическая роль щелочноземельных металлов и их соединений

Кальций

Металлический кальций используется в производстве стали, чугуна, для их очистки от кислорода, серы и фосфора, для получения сплавов.

 

Благодаря химической активности металлический кальций также находит применение в восстановлении некоторых тугоплавких металлов (титан, цирконий и др.) из их оксидов.