§ 52. Распространение и роль металлов IIA-группы в природе. Жесткость воды

Определения и обозначения

Металлы IIA-группы — элементы главной подгруппы второй группы периодической системы, которые часто называют щелочноземельными металлами. В этой теме рассматриваются кальций Ca и магний Mg. Знание их положения в таблице помогает понять сходство свойств и причину, по которой они активно образуют соединения.

Минерал — природное соединение определённого состава, в котором может содержаться металл IIA-группы. Кальций есть в кальците CaCO₃, гипсе CaSO₄·2H₂O и флюорите CaF₂, а магний — в магнезите MgCO₃ и доломите CaCO₃·MgCO₃. По формулам минералов можно определить, какие элементы входят в их состав.

Жесткость воды — свойство, обусловленное присутствием в воде растворённых солей кальция и магния. Эти соли могут попасть в неё из природных минералов. Понятие жесткости помогает описать состав воды и объяснить, почему она образует накипь или хуже подходит для некоторых бытовых задач.

Временная и постоянная жесткость — два вида жесткости, различающиеся составом растворённых солей и способом устранения. Временную вызывают гидрокарбонаты кальция и магния, постоянную — в частности, их сульфаты и хлориды. Различать эти виды нужно, чтобы правильно выбрать способ умягчения воды: кипячение помогает не во всех случаях.

Как это устроено

Кальций и магний не встречаются в природе в свободном виде, потому что их атомы легко вступают в химические реакции. Атом металла отдаёт два внешних электрона и превращается в положительно заряженный ион: Ca²⁺ или Mg²⁺. Такие ионы связываются с другими частицами и образуют устойчивые соединения, поэтому элементы обнаруживают в минералах, а не в виде чистых металлов.

Кальций и магний широко распространены в земной коре и входят во множество природных минералов. Известняк и мел состоят преимущественно из кальцита CaCO₃; гипс содержит CaSO₄·2H₂O, а флюорит — CaF₂. Магний присутствует в магнезите MgCO₃ и доломите CaCO₃·MgCO₃. Разные соединения образуются потому, что ионы металлов могут сочетаться с различными отрицательно заряженными частицами.

Кальций нужен организмам для построения костей и зубов, а его соединения образуют раковины моллюсков и коралловые структуры. Костная ткань содержит минеральные соединения кальция, в том числе фосфаты. Магний участвует в жизненных процессах растений и животных; например, он входит в состав хлорофилла, зелёного пигмента растений. Поэтому природные соединения этих металлов важны не только для горных пород, но и для живых организмов.

Когда вода проходит через почву и горные породы, она взаимодействует с минералами и может растворять часть их вещества. Вместе с растворёнными соединениями в воду переходят ионы кальция и магния. Чем больше таких ионов содержится в воде, тем выраженнее её жесткость. Другие растворённые соли сами по себе не являются причиной жесткости в принятом школьном определении.

Временная жесткость возникает из-за гидрокарбонатов Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. При нагревании они разлагаются, и образуются малорастворимые соединения, которые могут выпадать в осадок и создавать накипь; поэтому кипячение уменьшает эту жесткость. Постоянную жесткость вызывают, например, сульфаты и хлориды кальция и магния. Они не удаляются обычным кипячением, поэтому для их устранения применяют другие способы, в том числе обработку содой.

Виды жесткости воды и способы её устранения

Таблица показывает, какие соли вызывают разные виды жесткости и какие способы подходят для её уменьшения. Сначала определите по составу воды, есть ли в ней гидрокарбонаты или соли, например сульфаты и хлориды, а затем выберите обработку. Общая жесткость учитывает оба вида сразу.

Разбор задач

Гидрокарбонаты кальция и магния

В воде растворены гидрокарбонаты кальция и магния. Определите, какой вид жесткости они вызывают, и укажите подходящий способ её устранения.

1. В формулах солей найдём анион HCO₃⁻: оба вещества являются гидрокарбонатами.
2. Гидрокарбонаты кальция и магния вызывают временную, или карбонатную, жесткость.
3. Для её уменьшения воду кипятят: гидрокарбонаты разлагаются, а образующиеся малорастворимые вещества отделяются от воды осадком.

Ответ: временная жесткость; подходящий способ — кипячение.

Сульфат кальция

В образце воды содержится сульфат кальция. Определите вид жесткости и выберите способ её уменьшения: кипячение или обработка содой.

1. Сульфат кальция — соль сильной кислоты, а не гидрокарбонат.
2. Такие соли обусловливают постоянную, или некарбонатную, жесткость.
3. Кипячение не удаляет её, поэтому из двух предложенных способов выбираем обработку содой. При этом кальций переводится в малорастворимое соединение, которое можно отделить.

Ответ: постоянная жесткость; её уменьшают обработкой содой, а не кипячением.

Гидрокарбонат магния и хлорид кальция

Предложите способ умягчения воды, содержащей гидрокарбонат магния и хлорид кальция. Укажите, какие компоненты удаляются каждым этапом.

1. Разделим соли по составу: Mg(HCO₃)₂ вызывает временную жесткость, а CaCl₂ — постоянную.
2. Сначала воду кипятят, чтобы разложить гидрокарбонат магния и удалить образовавшийся осадок. Этот этап уменьшает временную жесткость.
3. Затем добавляют соду, чтобы осадить ионы кальция из хлорида в виде малорастворимого соединения, после чего осадок отделяют.

Ответ: сначала кипячение удаляет компонент временной жесткости, затем обработка содой уменьшает постоянную жесткость, обусловленную хлоридом кальция.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что жесткость создают любые растворённые соли. Так можно подумать, потому что состав природной воды включает много разных веществ, однако в школьном определении жесткость связывают прежде всего с ионами кальция и магния. Для проверки посмотрите, присутствуют ли именно эти ионы, а не просто какие-либо растворённые соли.

Ошибка — менять местами временную и постоянную жесткость. Названия легко запутать, если не обращать внимания на состав: гидрокарбонаты вызывают временную, а сульфаты и хлориды кальция и магния — постоянную. Проверьте формулу: наличие HCO₃⁻ указывает на временную жесткость, а SO₄²⁻ или Cl⁻ в соответствующих солях — на постоянную.

Ошибка — утверждать, что кипячение устраняет любую жесткость. Накипь после нагревания создаёт впечатление, будто из воды удаляются все соли, но сульфаты и хлориды кальция и магния кипячением не устраняются. Перед выбором способа выясните, какие именно соли растворены в воде.

Ошибка — путать жесткость с загрязнённостью или кислотностью воды. Все три характеристики относятся к составу воды, поэтому их могут ошибочно считать одним и тем же, но они описывают разные свойства. Жесткость связывают с кальцием и магнием, а чистоту и кислотность оценивают отдельно.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о строении атома и периодической системе: они помогают объяснить образование ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Понятия ионной связи и солей нужны, чтобы разбирать формулы минералов и растворённых соединений. Знание растворимости и реакций обмена помогает понять, почему при умягчении могут образовываться осадки.

Тема связана с охраной водных ресурсов и бытовой очисткой воды: состав воды влияет на выбор способа её обработки. Изучение минералов показывает, как элементы земной коры переходят в природные воды. Эти знания помогают осмысленно отличать жесткость от загрязнения и других характеристик воды.

Что запомнить

• Кальций и магний — распространённые элементы, входящие в состав многих природных минералов.
• Из-за высокой химической активности металлы IIA-группы встречаются в природе преимущественно в виде соединений.
• Жесткость воды связана с растворёнными соединениями кальция и магния.
• Гидрокарбонаты кальция и магния вызывают временную жесткость.
• Сульфаты и хлориды кальция и магния обычно обусловливают постоянную жесткость.
• Кипячение устраняет временную, но не постоянную жесткость.