§ 44. Магний. Щелочноземельные металлы

Определения и обозначения

Магний — химический элемент Mg с атомным номером 12, расположенный в 3-м периоде главной подгруппы II группы. Его атом имеет два электрона на внешнем уровне, а в соединениях магний обычно проявляет степень окисления +2. Это помогает предсказывать формулы его соединений и понимать, почему он похож на другие элементы своей группы.

Щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий и радий, элементы главной подгруппы II группы, кроме бериллия и магния. Их оксиды и гидроксиды проявляют основные свойства; отсюда происходит название «земли», которым раньше обозначали некоторые тугоплавкие оксиды. Важно не смешивать название этой подгруппы металлов со всеми элементами II группы.

Оксид магния — бинарное соединение магния с кислородом, формула MgO. Это твёрдое вещество с основными свойствами: оно реагирует с кислотами, а с водой может образовывать гидроксид магния. Формула нужна, чтобы записывать реакции горения и определять состав вещества.

Гидроксид магния — соединение состава Mg(OH)₂, состоящее из ионов Mg²⁺ и гидроксид-ионов OH⁻. Это основание, причём малорастворимое в воде; оно нейтрализует кислоты с образованием соли и воды. Скобки в формуле показывают, что к одному иону магния относятся две группы OH.

Как это устроено

Положение магния в II группе связано со строением его внешнего электронного слоя: на нём находятся два электрона. Запись по уровням — 2, 8, 2 — показывает, что эти электроны расположены дальше от ядра, чем внутренние, и могут участвовать в реакциях. Отдавая их, атом превращается в Mg²⁺, поэтому валентность магния в обычных соединениях равна II, а степень окисления — +2.

Магний проявляет металлические свойства, потому что его атомы способны отдавать внешние электроны, образуя положительные ионы. Отдача электронов — окисление, поэтому магний может выступать восстановителем: он передаёт электроны другим частицам. Однако скорость реакции зависит не только от строения атома, но и от условий, например температуры и наличия защитной плёнки на поверхности.

На воздухе магний горит, соединяясь с кислородом и образуя оксид MgO. Уравнение реакции: 2Mg + O₂ → 2MgO. При горении выделяется много энергии, в том числе в виде яркого видимого света, поэтому пламя кажется ослепительно-белым; смотреть на него прямо опасно для глаз.

С холодной водой магний реагирует медленно, в частности из-за защитной плёнки на поверхности металла. При нагревании взаимодействие ускоряется, а с водяным паром магний реагирует с образованием оксида и водорода: Mg + H₂O → MgO + H₂. С соляной кислотой реакция идёт активнее: магний вытесняет водород, образуя соль и газ. Эти различия показывают, почему в уравнениях важно учитывать и реагенты, и условия реакции.

Магний и щелочноземельные металлы сходны строением внешнего слоя: у их атомов по два электрона, которые они обычно отдают. Поэтому для них характерна степень окисления +2, а высшие оксиды и гидроксиды имеют формулы вида MO и M(OH)₂. Вниз по группе металлическая активность в целом возрастает, поэтому кальций реагирует с водой энергичнее магния; основные свойства оксидов и гидроксидов также усиливаются.

Сравнение магния и щелочноземельных металлов

В таблице кальций служит примером щелочноземельного металла, а магний позволяет увидеть сходство и различия элементов II группы. Обозначение M в формулах означает металл: для кальция вместо M подставляют Ca. Сравнивая реакции с водой, учитывайте температуру и агрегатное состояние воды.

Разбор задач

Горение магния в кислороде

Запишите уравнение горения магния в кислороде и уравняйте его. Сначала определяем формулу продукта, учитывая, что магний образует ион Mg²⁺, а кислород — O²⁻. Их заряды взаимно компенсируются в соотношении 1 : 1, поэтому формула оксида — MgO.

1. Записываем схему реакции: Mg + O₂ → MgO.
2. Слева два атома кислорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO.
3. Теперь справа два атома магния, значит, ставим коэффициент 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Проверяем число атомов: по обе стороны уравнения по два атома Mg и два атома O. Коэффициент 1 перед O₂ обычно не записывают. Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Реакция магния с соляной кислотой

Составьте уравнение реакции магния с соляной кислотой и укажите продукты. Магний активнее водорода и вытесняет его из кислоты, поэтому образуются соль и водород H₂. Ионом магния в соли будет Mg²⁺, а кислотный остаток соляной кислоты — Cl⁻.

1. Составляем формулу соли: для компенсации заряда Mg²⁺ нужны два иона Cl⁻, получается MgCl₂.
2. Записываем схему: Mg + HCl → MgCl₂ + H₂.
3. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы уравнять хлор и водород: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.

Проверяем: по обе стороны по одному атому Mg, два атома Cl и два атома H. Водород записывают как молекулу H₂, а не как отдельный атом H. Ответ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂; продукты — хлорид магния и водород.

Масса магния по объёму водорода

При избытке соляной кислоты получили 4,48 л водорода при нормальных условиях. Нужно найти массу прореагировавшего магния; используем уравнение Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Из коэффициентов видно, что один моль Mg даёт один моль H₂. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. Находим количество водорода: n(H₂) = V / Vₘ = 4,48 / 22,4 = 0,20 моль.
2. По соотношению веществ в уравнении n(Mg) = n(H₂) = 0,20 моль.
3. Вычисляем массу магния, используя молярную массу M(Mg) ≈ 24 г/моль: m = n × M = 0,20 × 24 = 4,8 г.

Объём газа перевели в количество вещества, а затем по коэффициентам реакции нашли количество магния. Избыток кислоты означает, что она не ограничивает количество образовавшегося водорода. Ответ: масса прореагировавшего магния равна 4,8 г.

Типичные ошибки

Ошибка — называть щелочноземельными металлами все элементы главной подгруппы II группы. Так можно решить, что к ним обязательно относятся также бериллий и магний, но в принятой школьной классификации щелочноземельные металлы — Ca, Sr, Ba и Ra. Проверяйте формулировку и не смешивайте состав группы с названием её части.

Записи Mg₂O и MgOH неверны: в первой не уравновешены заряды ионов Mg²⁺ и O²⁻, а во второй не учтён заряд OH⁻. Для нейтрального оксида достаточно одного иона каждого вида, а к Mg²⁺ нужны две группы OH⁻. Проверить себя можно подсчётом суммарного заряда: он должен быть равен нулю.

Нельзя считать, что магний энергично реагирует с холодной водой так же, как кальций. Магний реагирует медленно, тогда как кальций взаимодействует с холодной водой заметно активнее; температура и состояние поверхности тоже влияют на скорость. Перед записью реакции уточните металл и условия, а не переносите свойства одного элемента на другой.

При реакции магния с кислотой иногда забывают уравнять водород или записывают продукт как H. В свободном состоянии водород образует двухатомные молекулы H₂, поэтому уравнение Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ сбалансировано. Самопроверка проста: посчитайте атомы каждого элемента слева и справа, а затем убедитесь, что коэффициенты уравнивают все их числа.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания о строении атома, электронных оболочках и расположении элементов в периодической системе: по ним объясняют группу магния и его свойства. Умение составлять формулы бинарных соединений и гидроксидов по валентности или зарядам ионов помогает правильно записывать MgO и Mg(OH)₂. Эти навыки пригодятся при изучении металлов, оснований, солей и реакций замещения, а также при расчётах по уравнениям реакций.

Что запомнить

• Магний — элемент главной подгруппы II группы, его атом имеет два электрона на внешнем уровне.
• В соединениях магний обычно проявляет степень окисления +2.
• При горении магния образуется оксид MgO.
• При реакции магния с кислотами образуются соль и водород.
• Магний реагирует с водой менее энергично, чем кальций.
• Вниз по группе активность щелочноземельных металлов в целом возрастает.