§ 51. Металлы IIA-группы периодической системы Д.И. Менделеева и их важнейшие соединения

Определения и обозначения

Щелочноземельные металлы — элементы IIA-группы, кроме бериллия и магния: кальций, стронций, барий и радий. Название связано с тем, что их оксиды и гидроксиды исторически называли «землями», а сами они проявляют основные свойства. Термин помогает выделить часть группы, которую не следует смешивать со всеми её элементами.

Степень окисления +2 — характерная для металлов IIA-группы степень окисления в соединениях. Она связана с тем, что атом отдаёт два электрона внешнего уровня и становится положительным ионом M²⁺. Это обозначение помогает составлять формулы веществ и проверять, чтобы суммарный заряд соединения был равен нулю.

Жёсткая вода — вода, в которой растворены ионы кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺. Эти частицы придают воде особые свойства: мыло хуже образует пену, а при нагревании некоторые соли могут давать осадок и накипь. Понятие нужно, чтобы объяснять бытовые и природные явления и различать способы устранения жёсткости.

Как это устроено

У атомов элементов IIA-группы на внешнем энергетическом уровне два электрона. В химических реакциях металлам обычно выгоднее отдать их, чем принять шесть электронов для заполнения внешнего уровня. Поэтому образуются катионы M²⁺, а в соединениях характерна степень окисления +2; например, ионы кальция и магния записывают Ca²⁺ и Mg²⁺.

Сверху вниз по группе электронные оболочки атомов становятся более многочисленными, поэтому радиус атома увеличивается. Внешние электроны оказываются дальше от положительно заряженного ядра и сильнее экранируются внутренними электронами. Ядро притягивает их слабее, и металлу легче отдать их в реакции, поэтому химическая активность в целом возрастает от бериллия к радию.

Кислород принимает электроны, которые отдают атомы металлов, и образуются оксиды общего состава MO. В оксидах кальция, например, Ca²⁺ соединён с O²⁻, поэтому заряды компенсируются в соотношении один к одному. У бериллия небольшие размеры атома и иона, из-за чего связь в BeO имеет заметные особенности и оксид способен реагировать как с кислотами, так и со щелочами; остальные оксиды группы проявляют преимущественно основные свойства.

Гидроксиды имеют формулу M(OH)₂: катиону M²⁺ нужны две группы OH⁻ для нейтрального соединения. Основные свойства гидроксидов и их растворимость в целом усиливаются вниз по группе вслед за ослаблением поляризующего влияния катиона на ионные частицы. Поэтому гидроксиды активных металлов легче взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду, а растворимые основания дают в растворе ионы OH⁻.

Кальций и магний попадают в природную воду, когда вода взаимодействует с минералами и растворяет содержащиеся в них соединения. Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ мешают мылу образовывать пену, а соли некоторых из них при нагревании превращаются в малорастворимые вещества. Если при кипячении возникает осадок, так устраняется временная жёсткость; другие растворённые соли могут остаться, поэтому кипячение не убирает жёсткость полностью.

Элементы IIA-группы и свойства их простых веществ и соединений

Сначала по таблице сравнивают одинаковые признаки: у всех элементов внешняя конфигурация заканчивается на ns², а характерная степень окисления равна +2. Затем прослеживают изменения сверху вниз: активность и основные свойства гидроксидов в целом усиливаются. Для точного прогноза учитывайте исключение для бериллия и то, что растворимость отдельных соединений может иметь свои особенности.

Разбор задач

1. Реакция кальция с водой

Условие. Запишите уравнение реакции кальция с водой и укажите продукты. Кальций образует ион Ca²⁺, поэтому формула его гидроксида — Ca(OH)₂, а восстановление водорода из воды даёт молекулярный водород H₂. Сначала записываем продукты, затем проверяем число атомов каждого элемента.

1. Составляем схему: Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.
2. В Ca(OH)₂ есть две группы OH, значит, слева нужны две молекулы воды.
3. Проверяем баланс: слева два атома H₂O дают четыре атома водорода и два кислорода; справа два H находятся в гидроксиде, ещё два — в H₂.

Ответ. Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Продукты реакции — гидроксид кальция и водород.

2. Реакции оксида магния

Условие. Составьте уравнения реакций MgO с водой и соляной кислотой. MgO — основной оксид, поэтому при взаимодействии с кислотой он образует соль и воду. С водой основной оксид может образовать соответствующее основание; для оксида магния эта реакция идёт ограниченно, поскольку Mg(OH)₂ малорастворим.

1. Записываем формулу гидроксида магния: Mg²⁺ и две группы OH⁻ дают Mg(OH)₂.
2. Схема реакции с водой: MgO + H₂O → Mg(OH)₂. Число атомов Mg, O и H уже одинаково по обе стороны.
3. В реакции с HCl магний образует MgCl₂, а кислород оксида входит в H₂O: MgO + HCl → MgCl₂ + H₂O.
4. Для двух атомов хлора ставим коэффициент 2 перед HCl и проверяем водород: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O.

Ответ. MgO + H₂O → Mg(OH)₂; MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O.

3. Осадок карбоната кальция

Условие. К раствору с 0,10 моль CaCl₂ добавили избыток Na₂CO₃. Нужно найти массу выпавшего осадка. Карбонат кальция малорастворим, поэтому образуется осадок CaCO₃; избыток карбоната натрия означает, что CaCl₂ полностью вступит в реакцию.

1. Записываем и уравниваем реакцию обмена: CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl.
2. По коэффициентам 1 моль CaCl₂ даёт 1 моль CaCO₃, следовательно, n(CaCO₃) = 0,10 моль.
3. Вычисляем молярную массу: M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль.
4. Находим массу: m = n · M = 0,10 · 100 = 10 г.

Ответ. Выпало 10 г карбоната кальция.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все элементы группы одинаково реагируют с водой. Её допускают, когда запоминают общий тренд и не проверяют положение конкретного металла: активность возрастает вниз, а бериллий в обычных условиях с водой не реагирует. Проверяйте, какой именно элемент стоит в уравнении; для магния также учитывайте, что реакция с холодной водой протекает слабо.

Ошибка — записывать хлорид кальция как CaCl, забывая заряд катиона. Обычно это происходит, если формулу составляют по названию, не проверяя заряды ионов: Ca²⁺ требует двух Cl⁻, значит, формула — CaCl₂. Самопроверка проста: сложите заряды всех частиц в формуле, и у нейтрального соединения их сумма должна быть равна нулю.

Ошибка — называть BeO только основным оксидом. Так происходит из-за общего свойства оксидов металлов, но бериллий является исключением: его оксид амфотерен и реагирует как с кислотами, так и со щелочами. Чтобы проверить себя, вспомните, есть ли для вещества два типа реакций; у BeO должны быть реакции и с кислотой, и со щёлочью.

Ошибка — считать, что кипячение устраняет любую жёсткость воды. Путаница появляется из-за того, что накипь при кипячении заметна, но она связана не со всеми растворёнными солями кальция и магния. Кипячение устраняет временную жёсткость, а постоянная сохраняется; проверяйте, какое именно соединение растворено в воде.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно понимать строение атома и знать, как положение элемента в периодической системе связано со свойствами его внешнего уровня. Понадобятся валентность и степени окисления: они помогают записывать формулы, например CaCl₂ и Ca(OH)₂. Также используются знания об оксидах, основаниях, кислотах, типах химической связи и реакциях ионного обмена.

Эти закономерности пригодятся при изучении свойств металлов и их соединений, а также природных минералов. На примере кальция и магния можно объяснить жёсткость воды и способы её уменьшения. Умение составлять уравнения реакций позволяет понять, почему при кипячении некоторые соли дают осадок, а другие остаются растворёнными.

Что запомнить

• На внешнем уровне атомов IIA-группы находятся два электрона.
• В соединениях металлы IIA-группы обычно имеют степень окисления +2.
• Химическая активность металлов в целом возрастает сверху вниз по группе.
• Оксиды металлов IIA-группы обычно имеют формулу MO, гидроксиды — M(OH)₂.
• Оксид бериллия амфотерен.
• Ионы кальция и магния обусловливают жёсткость воды.