§ 31. Общая характеристика элементов IIA-группы

Определения и обозначения

Элементы IIA-группы — бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra). В Периодической системе они расположены во второй главной группе, а номер периода показывает число занятых энергетических уровней. Это положение позволяет заранее предсказать строение внешнего электронного слоя и основные свойства элементов.

Щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий и радий. Название связано с тем, что их оксиды раньше называли «землями», а гидроксиды этих металлов являются щелочами. Бериллий и магний обычно выделяют отдельно, потому что по свойствам они заметно отличаются от остальных элементов группы.

s-Элементы — это элементы, у которых последний электрон занимает s-подуровень. У элементов IIA-группы внешнее заполнение заканчивается на s-подуровне, поэтому их относят к s-элементам. Такая особенность объясняет общую формулу внешнего уровня и сходство химических свойств.

Валентные электроны — два электрона внешнего энергетического уровня атомов элементов IIA-группы. Именно они участвуют в образовании химических связей и чаще всего отдаются при реакциях. Поэтому по числу валентных электронов можно объяснить типичную степень окисления элементов группы.

Как это устроено

Общая конфигурация внешнего уровня имеет вид ns², потому что у всех элементов группы на внешнем s-подуровне находятся два электрона. Буква n обозначает номер внешнего энергетического уровня, а значит, и номер периода элемента. Например, у Be конфигурация 2s², у Mg — 3s², у Ca — 4s², у Ba — 6s².

Два внешних электрона сравнительно легко удалить, а следующий, внутренний уровень оказывается завершённым или более устойчивым. Поэтому атомы обычно превращаются в положительно заряженные ионы M²⁺: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻. Потеря двух электронов объясняет типичную степень окисления +2 и состав соединений, например MgO, CaCl₂ и Ba(OH)₂.

Сверху вниз у атомов появляются новые энергетические уровни, поэтому внешний слой находится всё дальше от ядра. Внутренние электроны частично экранируют ядро и ослабляют его притяжение к валентным электронам. Отдать их становится легче, радиус атома увеличивается, а металлические и восстановительные свойства усиливаются.

Металлы группы образуют оксиды и гидроксиды, в которых проявляется основной характер: они реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Вниз группы связь металла с кислородом и гидроксильной группой становится более ионной, поэтому основные свойства усиливаются. Растворимость и сила гидроксидов в целом также возрастают от Mg к Ba, хотя у Mg(OH)₂ растворимость невелика.

Бериллий отличается малым радиусом и высокой плотностью заряда своего иона, поэтому его соединения имеют заметную ковалентную составляющую. BeO и Be(OH)₂ амфотерны: они реагируют и с кислотами, и со щелочами. Магний занимает промежуточное положение: его оксид и гидроксид в основном проявляют основные свойства, но Mg(OH)₂ малорастворим и слабее выражает их, чем соединения тяжёлых элементов.

Общая характеристика элементов IIA-группы

Таблица помогает быстро сравнить постоянные признаки группы и свойства, меняющиеся сверху вниз. Сначала найдите положение элемента и конфигурацию ns², затем проверьте радиус, металлический характер и свойства соединений.

Разбор задач

Задача 1. Магний и кальций

Для атомов Mg и Ca определим конфигурацию внешнего уровня, типичную степень окисления и формулы оксидов. Оба элемента находятся во IIA-группе, но Mg расположен в третьем периоде, а Ca — в четвёртом. Значит, различается значение n, а число внешних электронов остаётся одинаковым.

1. Для Mg: внешний уровень третьего периода, поэтому конфигурация 3s².
2. Для Ca: внешний уровень четвёртого периода, поэтому конфигурация 4s².
3. Оба атома отдают два электрона и имеют степень окисления +2.
4. Кислород имеет степень окисления −2, поэтому формулы оксидов имеют вид MgO и CaO.

Ответ: Mg — 3s², +2, MgO; Ca — 4s², +2, CaO.

Задача 2. Изменение свойств

Расположим Be, Mg, Ca и Ba по возрастанию атомного радиуса, металлических свойств и восстановительной способности. Все элементы идут сверху вниз в одной группе, поэтому используем общую закономерность периодической системы. Каждый следующий элемент имеет дополнительный энергетический уровень.

1. По положению в группе порядок сверху вниз таков: Be, Mg, Ca, Ba.
2. При движении вниз внешний слой удаляется от ядра, поэтому атомный радиус возрастает.
3. Удерживание двух внешних электронов ослабевает, и металлические свойства становятся сильнее.
4. Способность отдавать электроны тоже увеличивается, значит, возрастает восстановительная способность.

Ответ: по всем трём признакам порядок одинаков: Be < Mg < Ca < Ba.

Задача 3. Оксиды и гидроксиды

Сравним BeO, MgO и BaO, а также Be(OH)₂, Mg(OH)₂ и Ba(OH)₂. Нужно связать свойства соединений с усилением металлического характера элемента сверху вниз. Чем сильнее металлические свойства, тем более выражен основной характер оксида или гидроксида.

1. Be имеет небольшой радиус, поэтому BeO и Be(OH)₂ проявляют амфотерность.
2. Соединения Mg преимущественно основные, но Mg(OH)₂ плохо растворим в воде.
3. У Ba металлический характер сильнее, поэтому BaO и Ba(OH)₂ имеют ярко выраженные основные свойства.

Ответ: амфотерными являются BeO и Be(OH)₂; основной характер усиливается в направлении Be → Mg → Ba.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все элементы группы щелочноземельными металлами. Так допускают из-за похожего положения элементов в одной группе, но Be и Mg обычно не включают в этот ряд. Проверка: запомните сокращённый ряд Ca, Sr, Ba, Ra.

Ошибка: записывать степень окисления −2 вместо +2. Число 2 действительно связано с внешними электронами, но при их отдаче образуется положительный ион M²⁺. Проверяйте знак по типу частицы: металл группы образует катион.

Ошибка: считать, что активность металлов уменьшается сверху вниз. Дополнительные уровни увеличивают радиус и ослабляют притяжение внешних электронов, поэтому отдавать их легче. Правильный порядок активности сравнивайте с направлением Be → Ba.

Ошибка: называть все оксиды и гидроксиды одинаково сильными основаниями. Соединения бериллия амфотерны, а основные свойства постепенно усиливаются вниз группы. Проверяйте положение элемента перед выводом о характере его соединения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, энергетических уровнях и подуровнях, положении элементов в Периодической системе. Также пригодятся закономерности изменения атомного радиуса и свойств элементов в группах.

Эти сведения будут нужны при изучении щелочноземельных металлов, их оксидов, гидроксидов и солей. На их основе легче понять качественные реакции на ионы Ca²⁺ и Ba²⁺.

Тема связана с окислительно-восстановительными реакциями: металлы группы выступают восстановителями. Она также опирается на представления о металлической связи, электроотрицательности и периодическом изменении радиусов атомов.

Что запомнить

• Элементы IIA-группы имеют два валентных электрона и внешнюю конфигурацию ns².
• К группе относятся Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ra.
• Для элементов группы характерна степень окисления +2.
• Сверху вниз увеличиваются атомный радиус и металлический характер элементов.
• Сверху вниз усиливаются восстановительные свойства и химическая активность металлов.
• Основные свойства оксидов и гидроксидов в целом усиливаются сверху вниз.
• Бериллий отличается от остальных элементов группы амфотерностью многих соединений.