Химия - это просто

Популярно о химии

Что такое химия
Периодическая таблица:
· · Металлы
· · Неметаллы
· · Атомы 1(Ia) группы
· · Атомы 2(IIa) группы
· · Атомы 4(IVb) группы
· · Атомы 5(Vb) группы
· · Атомы 6(VIb) группы
· · Атомы 13(IIIa) группы
· · Атомы 14(IVa) группы
· · Атомы 15(Va) группы
· · Атомы 16(VIa) группы
· · Атомы 17(VIIa) группы
· · Атомы 18(0) группы
· · Переходные металлы

ОБЩАЯ ХИМИЯ

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Атомы элементов 2(IIa) группы

Электронные формулы инертных газов:

• He - 1s²;
• Ne - 1s²2s²2p⁶;
• Ar - 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶;
• Kr - [Ar]3d¹⁰4s²4p⁶;
• Xe - [Kr]4d¹⁰5s²5p⁶;
• Rn - [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶.

Рис. Строение атома магния.

Во 2 группу (IIa группу по старой классификации) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева входят 6 металлов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий (см. таблицу выше). Последние четыре - Ca, Sr, Ba, Ra называют щелочноземельными металлами, поскольку гидроксиды этих металлов обладают щелочными свойствами, а их оксиды по своей тугоплавкости похожи на оксиды тяжелых металлов, называемых ранее "землями".

Самым распространенным в земной коре элементом 2(IIa) группы является кальций (4,1% по массе), далее идут: магний (2,3%), барий (0,05%), стронций (0,037%), бериллий (0,00026%), радий (6·10^-11).

Наиболее важным элементом подгруппы берилия является кальций, который входит в состав костей всех животных и человека, определяя их прочность. Концентрация ионов кальция и магния в воде определяет ее жесткость.

Элементы 2(IIa) группы в свободном виде в природе не встречаются, но входят в состав многих соединений:

• Be:
  • 3BeO·Al₂O₃·SiO₂ - минерал берилл;
  • берилл с примесью Cr₂O₃ - изумруд;
  • берилл с примесью Fe - аквамарин;
  • (BeAl₂)O₄ - хризоберилл;
  • (BeAl₂)O₄ с примесью Cr - александрит.
• Mg:
  • MgCO₃·CaCO₃ - доломит;
  • MgCO₃ - магнезит;
  • MgO·Al₂O₃ - шпинель;
  • 2MgO·SiO₃ - оливин;
  • магний содержится в морской воде, а также входит в состав хлорофилла - важнейшей части фотосинтезирующего аппарата растений.
• Ca:
  • CaCO₃ - кальцит;
  • CaSO₄·2H₂O - гипс;
  • CaF₂ - флюорит;
  • Ca₅(PO₄)₃F - фторапатит;
  • Ca₃(PO₄)₂ - фосфат кальция.
• Sr и Ba встречаются в виде карбонатов и сульфатов.

Физические свойства:

• металлы II группы имеют серебристо-белый цвет;
• низкую плотность (плотность увеличивается в подгруппе сверху-вниз);
• низкую температуру плавления (температуры плавления уменьшаются в подгруппе сверху-вниз);
• обладают высокой пластичностью;
• высокой электро- и теплопроводностью.

Все атомы элементов 2(IIa) группы на внешнем энергетическом уровне имеют по два валентных s-электрона (см. Электронная конфигурация атомов), с которыми в химических соединениях достаточно легко "расстаются", завершая, таким образом, свой внешний энергетический уровень, который становится устойчивым, по аналогии с завершенным энергетическим уровнем инертных газов.

Таким образом, отдавая "ненужные" валентные электроны (см. Валентность), элементы 2(IIa) группы в химических соединениях проявляют степень окисления +2, являясь сильными восстановителями, проявляя при этом высокую реакционную способность.

С ростом порядкового номера химического элемента увеличивается не только общее кол-во электронов (энергетических уровней), но также и радиус атома, что в свою очередь, обуславливает уменьшение энергии ионизации (соответственно усиление металлических свойств элемента) в направлении от бериллия к радию. В этом ряду активность металлов и их восстановительные свойства возрастают.

Наибольшее значение из всех шести элементов 2(IIa) группы имеют магний и кальций - металлы серебристо-белого цвета, мягкие и очень легкие, о них и пойдет речь дальше.

Химические свойства Mg, Ca

• при нагревании выше 600°C магний сгорает на воздухе ослепительно ярким белым пламенем (при н. у. магний защищен оксидной пленкой), с образованием оксида и нитрида магния:
  O₂ + 2Mg = 2MgO; N₂ + 3Mg = Mg₃N₂;
• кальций на влажном воздухе быстро реагирует с кислородом покрываясь рыхлой пленкой (смесь оксида и гидроксида кальция), при нагревании в кислороде воспламеняется:
  O₂ + 2Ca = 2CaO;
• при н. у. легко реагируют с галогенами, образуя галогениды:
  Ca + Cl₂ = CaCl₂; Mg + Cl₂ = MgCl₂;
• при нагревании реагируют с неметаллами, образуя гидриды, нитриды, сульфиды, карбиды:
  • H₂ + Mg = MgH₂;
  • N₂ + 3Ca = Ca₃N₂;
  • S + Mg = MgS;
  • 2C + Ca = CaC₂.
• при кипячении магний вытесняет из воды водород, образуя гидроксид магния (кальций реагирует с водой при н. у.):
  2H₂O + Mg = Mg(OH)₂ + H₂; 2H₂O + Ca = Ca(OH)₂ + H₂;
• реагируют с соляной и разбавленной серной кислотой:
  Ca + 2HCl = CaCl₂ + H; Mg + H₂SO₄(рзб) = MgSO₄ + H₂;
• реагируют с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат аммония:
  4Mg + 10HNO₃(рзб) = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O;
• с концентрированной азотной кислотой (магний реагирует при нагревании):
  4Mg + 10HNO₃(кнц) = 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O;
• с концентрированной серной кислотой:
  4Mg + 5H₂SO₄(кнц) = 4CaSO₄ + H₂S + 4H₂O;
• поскольку атомы элементов 2(IIa) группы являются сильными восстановителями, магний и кальций используются в реакциях восстановления металлов из их оксидов и галогенов, что находит широкое практическое применение в реакциях метллотермии, когда для получения редкоземельных металлов используют гораздо более распространенные щелочноземельные металлы:
  • магнийтермия (в вакууме):
    2RbCl + Ca = 2Rb + CaCl₂;
  • кальцийтермия (в вакууме):
    2CsCl + Mg = 2Cs + MgCl₂.

Оксиды и гидроксиды магния и кальция...

Получение магния и кальция

• электролизом расплавов солей: MgCl₂ → Mg + Cl₂;
• металлотермией (промышленный способ) при t>1200°C в электропечи в условиях вакуума, восстанавливая металлы из их соединений: 3CaO + 2Al = 3Ca + Al₂O₃;
• углетермией (восстановлением оксидов углем) в электропечи при t>2000°C: MgO + C = Mg + CO.

Применение

• Be:
  • в качестве легирующей добавки к сплавам, придавая им твердость и прочность;
  • как замедлитель и отражатель нейтронов в атомной промышленности.
• Mg:
  • широко используется в конструкционных сверхлегких сплавах в автомобиле- и авиастроении;
  • для получения редкоземельных металлов методом металлотермии;
  • в органическом синтезе;
  • в фото- и пиротехнике.
• Ca:
  • в металлургии для удаления различных примесей при выплавке сталей и других сплавов;
  • для получения редкоземельных металлов методом металлотермии;
  • для выделения из воздуха инертных газов.