"Химия", Габриелян О.С.
Бериллий, магний и элементы главной подгруппы II группы имеют по два электрона на внешнем уровне, поэтому обычно отдают их и образуют соединения со степенью окисления +2. При движении сверху вниз металлические и восстановительные свойства усиливаются. Бериллий выделяется среди соседей амфотерностью оксида и гидроксида, а соединения кальция и магния важны для понимания жёсткости воды. Эти закономерности помогают предсказывать формулы веществ и продукты реакций металлов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Щёлочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы, начиная с кальция: кальций, стронций, барий и радий. Бериллий и магний находятся в той же подгруппе, но в школьной классификации к щёлочноземельным металлам не относятся. Название связано с тем, что их оксиды раньше называли «землями», а при взаимодействии с водой эти оксиды дают основания, щёлочные по свойствам.
Щёлочноземельный оксид — оксид щёлочноземельного металла, которому соответствует гидроксид с основными свойствами. Например, CaO при взаимодействии с водой образует Ca(OH)₂. Название напоминает о связи таких оксидов с основаниями и щелочной средой, но не означает, что любой оксид сам является щёлочью.
Гашёная известь — гидроксид кальция Ca(OH)₂, белое твёрдое вещество, которое получают гашением оксида кальция водой. Её используют в строительстве для приготовления растворов и побелки. Формула показывает, что одному иону Ca²⁺ соответствуют две гидроксид-группы OH⁻.
Жёсткость воды — свойство, связанное с присутствием в ней растворённых соединений кальция и магния. Чем больше таких соединений, тем больше в воде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Из-за них, например, хуже пенится мыло и может образовываться накипь; понятие жёсткости помогает объяснить бытовые свойства природной воды.
Положение элемента в периодической системе позволяет судить о строении его атома: номер главной подгруппы указывает на число электронов внешнего уровня, а номер периода — на число электронных слоёв. У бериллия и магния, а также у кальция и следующих элементов внешняя конфигурация имеет вид ns². Поэтому у них сходны многие химические свойства, хотя активность металлов в группе меняется.
Два внешних электрона объясняют типичную степень окисления +2. Отдавая их, атом превращается в катион M²⁺, например Mg²⁺ или Ca²⁺, а в простом веществе выступает восстановителем — отдаёт электроны другим частицам. Бериллий тоже способен образовать степень окисления +2, но его электроны удерживаются ядром сильнее, чем у более тяжёлых элементов. Поэтому отдать их бериллию труднее, и он менее активен.
Сверху вниз по группе добавляются электронные слои, и радиус атома увеличивается. Внешние электроны оказываются дальше от положительно заряженного ядра, а внутренние слои частично ослабляют его притяжение. В результате электроны легче отрываются: в целом возрастают металлические и восстановительные свойства. Поэтому кальций активнее магния, а стронций и барий — ещё активнее кальция.
Бериллий отличается особенно малым радиусом атома и иона. Заряд Be²⁺ сосредоточен в небольшом объёме, поэтому ион сильно притягивает электронные облака частиц, с которыми связан; это называют высокой поляризующей способностью. Она влияет на свойства соединений бериллия: его оксид BeO и гидроксид Be(OH)₂ амфотерны, то есть могут реагировать и с кислотами, и со щелочами. У соединений кальция и более тяжёлых элементов характер в основном основной.
С кислородом металлы образуют оксиды, например 2Mg + O₂ → 2MgO; кальций, стронций и барий могут образовывать также пероксиды. Взаимодействие с водой зависит от активности: бериллий с ней практически не реагирует, магний с холодной водой реагирует медленно, а с горячей водой и паром — быстрее. Кальций и более активные металлы реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. С кислотами металлы обычно образуют соль и водород, если кислота не обладает особыми окислительными свойствами; бериллий и здесь менее активен.
| Характеристика | Бериллий | Магний | Кальций | Стронций и барий |
|---|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | II группа, 2-й период | II группа, 3-й период | II группа, 4-й период | II группа, 5-й и 6-й периоды |
| Электронное строение внешнего уровня | 2s² | 3s² | 4s² | 5s² и 6s² |
| Типичная степень окисления | +2 | +2 | +2 | +2 |
| Характер оксида и гидроксида | Амфотерный | Основный | Основный | Основный |
| Реакция с кислородом | Образует BeO | Горит с образованием MgO | Образует CaO; возможен пероксид | Образуют оксиды и пероксиды |
| Реакция с водой | Практически не реагирует | Медленно с холодной, быстрее с горячей водой | Реагирует с образованием гидроксида и H₂ | Реагируют активно, образуя гидроксид и H₂ |
| Изменение активности в группе | Наименьшая | Выше, чем у бериллия | Выше, чем у магния | Возрастает к барию |
Сравнивайте столбцы по одной строке: так видно, какие свойства связаны с общим строением, а какие меняются по группе. Формулы внешнего уровня показывают число электронов, которые металлы обычно отдают. Данные о реакциях с водой помогают не переносить поведение кальция на бериллий и магний.
Задача: составить уравнение реакции магния с кислородом и определить тип образовавшегося оксида. Магний находится во II группе, поэтому в соединениях обычно имеет степень окисления +2. Кислород в оксидах имеет степень окисления −2, следовательно, формула продукта — MgO; это основный оксид.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; оксид магния — основный.
Задача: записать уравнение реакции кальция с водой и назвать продукты. Кальций активнее магния и реагирует с водой с образованием гидроксида металла и водорода. Формула гидроксида — Ca(OH)₂: на один ион Ca²⁺ нужны две группы OH⁻.
Ответ: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Продукты — гидроксид кальция и водород.
Задача: вычислить массу Ca(OH)₂, полученного из заданной массы кальция при избытке воды. Избыток воды означает, что кальций полностью вступит в реакцию и именно его количество определит массу продукта. Числовая масса кальция в условии не указана, поэтому сначала запишем решение в общем виде для массы m(Ca).
Ответ: масса гидроксида кальция равна 1,85 массы прореагировавшего кальция; для числового ответа подставьте значение m(Ca) из условия.
Ошибка: называть бериллий и магний щёлочноземельными металлами. Их действительно помещают в главную подгруппу II группы, поэтому название легко распространить на все элементы подгруппы. Но в школьной классификации щёлочноземельными считают кальций и следующие за ним элементы. Проверьте себя: если в задании просят назвать щёлочноземельный металл, не включайте в ответ Be и Mg.
Ошибка: приписывать металлам группы типичную степень окисления +1. Иногда число принимают за заряд, не учитывая, что у атома два внешних электрона. Обычно оба электрона участвуют в образовании связи или отдаются, поэтому типичная степень окисления — +2. Проверка простая: для катиона металла записывайте M²⁺, а не M⁺.
Ошибка: считать BeO и Be(OH)₂ обычными основными соединениями. Так думают, перенося на бериллий свойства кальция и других металлов подгруппы. Малый радиус бериллия приводит к амфотерности его оксида и гидроксида, тогда как соединения более тяжёлых элементов имеют в основном основные свойства. Сверяйте вывод именно с элементом, а не только с номером группы.
Ошибка: утверждать, что все металлы группы одинаково реагируют с холодной водой. Такая реакция характерна для кальция и более активных металлов, но бериллий практически не реагирует, а магний взаимодействует медленно. Различие объясняется усилением активности сверху вниз. Перед записью уравнения проверьте положение металла в группе и условия реакции.
Для этой темы нужны знания о строении атома, электронных слоях, валентных электронах и периодической системе: они помогают объяснить сходство элементов и изменение их активности. Умение определять степени окисления и составлять формулы пригодится при записи ионных соединений, уравнений реакций и расчётов по ним. Сведения о соединениях кальция и магния связаны с составом природной воды: растворённые соединения этих металлов влияют на её жёсткость. Понимание жёсткости, в свою очередь, нужно для изучения свойств воды и способов её умягчения.
Почему бериллий и магний не относят к щёлочноземельным металлам?
В школьной классификации щёлочноземельными металлами называют кальций и следующие за ним элементы главной подгруппы II группы: стронций, барий и радий. Бериллий и магний стоят выше и в эту группу не включаются, хотя тоже находятся в главной подгруппе II группы.
Почему элементы этой группы обычно проявляют степень окисления +2?
На внешнем электронном уровне у их атомов два электрона. Отдавая оба, атомы образуют катионы с зарядом 2+, а их степень окисления в соединениях становится +2.
Чем бериллий отличается от кальция и других металлов группы?
У бериллия очень маленький атомный радиус, поэтому его ион сильно воздействует на электронные облака соседних частиц. Из-за этого оксид и гидроксид бериллия амфотерны, то есть способны проявлять и основные, и кислотные свойства; соединения кальция и более тяжёлых элементов в основном имеют основные свойства.
Почему активность металлов возрастает сверху вниз?
Вниз по группе атомные радиусы увеличиваются, и внешние электроны оказываются дальше от ядра. Ядро притягивает их слабее, поэтому атомам легче отдать два электрона и проявить металлические и восстановительные свойства.
Какие вещества вызывают жёсткость воды?
Жёсткость связана с растворёнными соединениями кальция и магния. В частности, её вызывают ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, поступающие в воду из растворимых солей.
§ 15. Бериллий, магний и щёлочноземельные металлы
