§ 15. Бериллий, магний и щёлочноземельные металлы

Определения и обозначения

Щёлочноземельные металлы — элементы 2-й группы, образующие основные оксиды и гидроксиды: кальций, стронций, барий, а также радий. Их соединения с водой могут давать щёлочи, поэтому группа получила такое название. Бериллий и магний находятся в той же группе, но по свойствам заметно отличаются от её типичных представителей.

Элементы 2-й группы — бериллий, магний и более тяжёлые элементы, у которых на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона. Обычно они отдают эти электроны и приобретают степень окисления +2. Это объясняет формулы их основных соединений: MO и M(OH)₂.

Амфотерность бериллия — способность оксида и гидроксида бериллия реагировать и с кислотами, и со щелочами. Поэтому BeO и Be(OH)₂ нельзя считать только основными соединениями. Это свойство отличает бериллий от кальция, стронция и бария.

Жёсткость воды — свойство воды, связанное главным образом с присутствием растворённых соединений кальция и магния. При нагревании часть таких соединений образует накипь, а мыло в жёсткой воде пенится хуже. Понимание причины жёсткости нужно для объяснения бытовых способов очистки воды.

Как это устроено

У атомов 2-й группы на внешнем уровне есть два электрона: общая схема внешнего слоя — ns². Для получения устойчивой оболочки атомам проще отдать оба электрона, чем принять шесть. Поэтому элементы проявляют степень окисления +2, образуют катионы M²⁺ и обладают металлическими свойствами.

Сверху вниз в группе добавляются электронные слои, поэтому радиус атома увеличивается. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними слоями. Ядро удерживает их слабее, атом легче отдаёт электроны, а химическая активность и восстановительные свойства металлов возрастают.

Бериллий имеет особенно малый радиус атома и высокую плотность заряда Be²⁺. Поэтому его связи сильнее смещены к общим электронным парам и имеют ковалентный характер. Отсюда следуют трудная реакция с водой и амфотерность BeO и Be(OH)₂: они способны взаимодействовать не только с кислотами, но и со щелочами.

С кислородом все эти металлы образуют оксиды, но условия различаются: бериллий защищён плёнкой, магний горит после нагревания, а кальций, стронций и барий окисляются легче. С водой бериллий практически не реагирует, магний реагирует при нагревании, а кальций и более тяжёлые металлы — уже с холодной водой. С кислотами металлы образуют соли и водород, а с неметаллами — бинарные соединения, например хлориды и сульфиды.

Формально оксиды и гидроксиды имеют общий вид MO и M(OH)₂, но их характер меняется. У бериллия соединения амфотерны, у магния основные свойства выражены слабее, чем у кальция, а вниз по группе основность возрастает. Причина — увеличение ионного характера связей и более лёгкое образование катионов крупных атомов.

Сравнительная характеристика бериллия, магния и щёлочноземельных металлов

Таблицу удобно читать по вертикали, чтобы увидеть изменение одного свойства сверху вниз. По горизонтали можно сравнить особенности конкретного металла и связать их с его положением в группе. Формулы реакций помогают проверить, правильно ли определены состав и активность вещества.

Разбор задач

Задача 1. Реакции магния

Условие: составить уравнения реакций магния с кислородом и соляной кислотой, определить окислитель и восстановитель. В первой реакции продуктом будет оксид магния, во второй — хлорид магния и водород. Магний во всех случаях отдаёт электроны, поэтому является восстановителем.

1. Запишем схемы: Mg + O₂ → MgO и Mg + HCl → MgCl₂ + H₂.
2. Уравняем атомы: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
3. В реакции с кислородом Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺, а O₂⁰ + 4e⁻ → 2O²⁻; кислород принимает электроны и является окислителем.
4. В реакции с кислотой ионы водорода принимают электроны: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Значит, HCl выступает окислителем, а Mg — восстановителем.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Окислители — O₂ и H⁺, восстановитель — магний.

Задача 2. Бериллий и кальций

Условие: объяснить, почему бериллий не реагирует с водой при обычных условиях, а кальций реагирует, и записать уравнение. Бериллий находится выше кальция и имеет меньший радиус, поэтому сильнее удерживает внешние электроны. Кроме того, его поверхность защищена плотной оксидной плёнкой.

1. Сравним положение элементов: при переходе вниз группы атомный радиус и способность отдавать электроны увеличиваются.
2. Сделаем вывод: кальций активнее бериллия и способен вытеснять водород из воды.
3. Запишем продукты реакции: гидроксид кальция и водород.
4. Проверим баланс атомов и зарядов: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.

Ответ: бериллий при обычных условиях практически не реагирует с водой из-за малого радиуса и защитной плёнки, а кальций реагирует по уравнению Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.

Задача 3. Гидроксид кальция и избыток углекислого газа

Условие: через раствор, содержащий 7,4 г Ca(OH)₂, пропустили избыток CO₂. Нужно найти массу Ca(HCO₃)₂. Избыток углекислого газа означает, что сначала образовавшийся карбонат превращается в гидрокарбонат.

1. Запишем последовательность: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O; CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
2. Найдём количество Ca(OH)₂: M = 74 г/моль, n = 7,4 г : 74 г/моль = 0,1 моль.
3. По суммарному уравнению 1 моль Ca(OH)₂ даёт 1 моль Ca(HCO₃)₂, поэтому n(Ca(HCO₃)₂) = 0,1 моль.
4. M(Ca(HCO₃)₂) = 162 г/моль, значит m = 0,1 моль · 162 г/моль = 16,2 г.

Ответ: масса образовавшегося гидрокарбоната кальция равна 16,2 г.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы 2-й группы одинаково реагируют с водой. Её допускают, потому что у элементов одинаковая степень окисления, но активность увеличивается сверху вниз. Проверка: сопоставьте положение элемента в группе и условия реакции.

Ошибка: называть Be(OH)₂ только основанием. Малый радиус бериллия придаёт его гидроксиду амфотерность, поэтому он реагирует и с кислотами, и со щелочами. Проверка: вспомните две реакции — с HCl и с NaOH.

Ошибка: записывать Mg₂O или Ca(OH). В соединениях этих металлов степень окисления равна +2, поэтому формулы правильны только в виде MO и M(OH)₂. Проверка: сумма степеней окисления в нейтральном веществе должна быть равна нулю.

Ошибка: считать растворимыми все гидроксиды щёлочноземельных металлов. Растворимость действительно возрастает вниз группы, но Mg(OH)₂ и Ca(OH)₂ остаются малорастворимыми. Проверка: учитывайте не только формулу, но и положение вещества в ряду растворимости.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома, периодический закон и закономерности изменения свойств элементов в группе. Особенно важно знать, как внешние электроны определяют металлический характер и степень окисления.

При составлении уравнений применяются правила вывода формул, понятия кислот, оснований, амфотерных соединений, окислителя и восстановителя. Эти знания позволяют не просто запомнить реакции, а объяснить их электронный смысл.

Тема связана с жёсткостью воды, качественными реакциями на ионы кальция и магния, металлургией и биологией. Магний входит в состав хлорофилла, а кальций необходим для костей и зубов.

Что запомнить

• Элементы 2-й группы имеют два электрона на внешнем уровне и обычно проявляют степень окисления +2.
• Металлические и восстановительные свойства элементов 2-й группы усиливаются сверху вниз.
• Бериллий отличается амфотерностью оксида и гидроксида.
• Магний реагирует с водой значительно активнее при нагревании.
• Активность кальция, стронция и бария позволяет им реагировать с водой с образованием щёлочи и водорода.
• Основные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются от бериллия к барию.
• Ионы кальция и магния являются главной причиной жёсткости воды.