Лабораторная работа № 2. Тема: Химические свойства металлов IIA подгруппы

Тема: Химические свойства металлов IIA подгруппы

Цель работы: изучение химических свойств металлов IIA подгруппы и их соединений

Краткая теория: металлы IIА подгруппы и их соединения

Во IIА подгруппу периодической системы Д.И.Менделеева входят элементы бериллий Ве, магний Mg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва, радий Ra. Входящие в IIА подгруппу кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами, так как гидроксиды их обладают щелочными свойствами, а оксиды сходны с оксидами алюминия и тяжелых металлов (так называемых “земель”). Бериллий (и отчасти магний) существенно отличаются от остальных элементов II А подгруппы. По ряду свойств бериллий похож на алюминий, а магний - на цинк.

Все элементы II А подгруппы имеют по два валентных s-электрона, один из которых при возбуждении переходит на р-подуровень. Поэтому они в своих соединениях двухвалентны.

Бериллий имеет очень маленький радиус иона и, следовательно, большой потенциал ионизации. Он образует, практически во всех соединениях, ковалентные связи.

Элементы IIА подгруппы химически активны и встречаются в природе только в виде соединений. Бериллий чаще всего встречается в виде минерала берилла Be₃Al₂(SiO₃)₆. Окрашенные примесями разновидности берилла известны как драгоценные камни - изумруд, аквамарин и т.д. Магний, кальций, стронций и барий входят в состав природных сульфатов, карбонатов, фосфатов, силикатов.

Основным способом получения металлов IIА подгруппы является электролиз расплавов солей или гидроксидов. Реже используют для получения этих металлов процессы восстановления кремнием, углем, алюминием.

В свободном состоянии элементы IIА подгруппы - легкие металлы с различными формами кристаллической решетки.

Металлы IIA подгруппы очень сильные восстановители и активно взаимодействуют с различными окислителями. С неметаллами образуют бинарные соединения, например:

3Me + N₂ = Me₃N₂;

обладают высоким сродством к кислороду:

2Ме + О₂ = 2МеО.

Химическая активность в подгруппе увеличивается с повышением порядкового номера. Электродные потенциалы имеют низкие отрицательные значения: от –1, 85 В у бериллия до –2, 9 В у бария. По отношению к воде бериллий и магний устойчивы, так как покрыты защитной оксидной пленкой. Щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ba) реагируют с водой по реакции

Ме + 2Н₂О = Ме(ОН)₂ + Н_2.

Все металлы активно взаимодействуют с различными кислотами:

Me + 2H⁺ = Ме²⁺ + H₂

4Me + 5H₂SO₄(конц.) = 4MeSO₄ + H₂S + 4H₂O

4Me + 10HNO₃(разб.) = 4Me(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Со щелочами с образованием комплексных солей способен взаимодействовать только бериллий, что объясняется амфотерным характером его оксида и гидроксида:

Be + 2H₂O + 2NaOH = Na₂[Be(OH)₄] + H₂

Свойства характеристичных соединений –оксидов (МеО) и гидроксидов (Ме(ОН)₂) – в подгруппе закономерно изменяются с увеличением порядкового номера: возрастает растворимость в воде и усиливаются основные свойства.

Оксиды Гидроксиды Растворимость Кислотно-основные свойства

BeO Be(OH)₂ нерастворим амфотерные

MgO Mg(OH)₂ нерастворим сред. основные

CaO Ca(OH)₂ умеренно раств. сильн. основные

SrO Sr(OH)₂ умеренно раств. сильн. основные

BaO Ba(OH)₂ умеренно раств. сильн. основные

Большинство оксидов и гидроксидов металлов IIA подгруппы обладают основными свойствами и диссоциируют в соответствии с уравнениями

Mg(OH)₂ Mg^{2 +} + 2OH^-

Me(OH)₂ Me²⁺ + 2OH^- (Me = Ca, Sr, Ba)

Они взаимодействуют только с кислотами:

Me(OH)₂ + 2HCl = MeCl₂ + 2H₂O

Исключением являются соединения бериллия, которые амфотерны. Диссоциация его гидроксида протекает как по кислотному, так и по основному типу:

[Be(OH)₄]^2- + 2H⁺ Be(OH)₂ + 2H₂O Be²⁺ + 2OH^-

Оксид и гидроксид бериллия взаимодействуют и с кислотами и со щелочами, образуя соответствующие соли:

Be(OH)₂ + 2HCl = BeCl₂ + 2H₂O

Be(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Be(OH)₄]

Тетрагидроксобериллат натрия

сплав.

Be(OH)₂ + 2NaOH = Na₂BeO₂ + 2H₂O

бериллат натрия

Все соли бериллия сильно гидролизованы.

Наибольшее значение в промышленности имеют бериллий и магний. Бериллий используют как замедлитель нейтронов в атомных реакторах. В качестве легирующей добавки он сообщает сплавам твердость, прочность, антикоррозионную устойчивость. Сплавы на основе магния широко применяют как конструкционные материалы в ракетной технике, авиа- и автостроении. Они содержат до 80% магния и различные добавки, отличаются малой плотностью, высокой прочностью, хорошей электропроводностью.

Сплавы бария со свинцом используют в типографском деле.

Металлический кальций используют для восстановления из руд хрома, рубидия и некоторых других металлов.

Из соединений элементов IIА подгруппы наибольший практический интерес представляют соединения кальция:

СаО - оксид кальция (негашеная известь);

Са(ОН)₂ - гидроксид кальция (гашеная известь; известковая вода);

СаСО₃ - карбонат кальция (мел; мрамор);

СаSO₄ × 2 Н₂О - двуводный кристаллогидрат сульфата кальция (гипс);

СаSO₄ × 1/2 H₂O - полуводный кристаллогидрат сульфата кальция (алебастр).

Вопросы для подготовки к занятию

1. Электронные конфигурации атомов, валентные электроны, степени окисления.

2. Свойства простых веществ – металлов:

- активность металлов, положение в «ряду стандартных окислительно-восстановительных (электродных) потенциалов металлов»;

- взаимодействие с кислородом, галогенами, серой, азотом и другими неметаллами;

- взаимодействие с водой, с водными растворами щелочей, водными растворами кислот, окисляющими H⁺ (HF, HCl, HBr, HI, разбавленной H₂SO₄, H₃PO₄, RCOOH и другими);

- взаимодействие с концентрированной H₂SO₄, разбавленной и концентрированной HNO₃.

3. Свойства оксидов и гидроксидов металлов IIA подгруппы:

- растворимость, взаимодействие с водой, диссоциация в водном растворе;

- взаимодействие с кислотами и кислотными оксидами;

- взаимодействие соединений Be с основаниями при сплавлении и растворами щелочей.

4. Свойства солей металлов IIA подгруппы:

- растворимость в воде, гидролиз;

- растворимость в кислотах, в щелочах.

5. Нахождение в природе и получение простых веществ – металлов.

6. Получение и применение соединений металлов IIA подгруппы.