Щёлочноземельные металлы

(перенаправлено с «Щелочноземельные металлы»)
Группа 2
Период
2
4
Бериллий
9.0121831
1s² 2s²
3
12
Магний
24,305
3s2
4
20
Кальций
40,078
4s2
5
38
Стронций
87,62
5s2
6
56
Барий
137,327
6s2
7
88
Радий
(226)
7s2

Щёлочноземе́льные мета́ллы — химические элементы 2-й группы[1] периодической таблицы элементов: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra)[2]. В случае своего открытия гипотетический 120-й элемент унбинилий, согласно строению внешней электронной оболочки, также будет отнесен к щёлочноземельным металлам.

Бериллий и магний

править

Раньше Be и Mg не относили к щёлочноземельным металлам, потому что их гидроксиды не являются щелочами. Be(OH)2 — амфотерный гидроксид. Mg(OH)2 — малорастворимое основание, которое дает слабощелочную реакцию и окрашивает индикатор.

Be не реагирует с водой, Mg — очень медленно (при обычных условиях) в отличие от всех остальных щёлочноземельных металлов.

Однако сегодня, согласно определению ИЮПАК, бериллий и магний относят к щёлочноземельным металлам.

Физические свойства

править

К щёлочноземельным металлам часто относят только кальций, стронций, барий и радий, реже магний и бериллий. Однако согласно номенклатуре ИЮПАК щёлочноземельными металлами следует считать все элементы 2-й группы[2]. Первый элемент этой группы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию, чем к высшим аналогами группы, в которую он входит (диагональное сходство). Второй элемент этой группы, магний, уже обладает некоторыми химическими свойствами, общими для щелочноземельных металлов, но в остальном заметно отличается от них, в частности, значительно меньшей активностью, и рядом свойств напоминает всё тот же алюминий.

Все щёлочноземельные металлы серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Рост плотности щёлочноземельных металлов наблюдается только начиная с кальция. Самый тяжёлый — радий, по плотности сравнимый с германием (ρ= 5,5 г/см3).

Электрическая проводимость щелочноземельных металлов примерно такая же, как и щелочных металлов.

В целом металлы второй группы по сравнению с щелочными металлами обладают большей плотностью и твердостью.

Некоторые атомные и физические свойства щелочноземельных металлов
Атомный
номер
Название,
символ
Число изотопов (природных + искусственных) Атомная масса Энергия ионизации, кДж·моль−1 Сродство к электрону, кДж·моль−1 ЭО Металл. радиус, нм (По Полингу) Ионный радиус, нм

(По Полингу)

tпл,
°C
tкип,
°C
ρ,
г/см³
ΔHпл, кДж·моль−1 ΔHкип, кДж·моль−1
4 Бериллий Be 1+11а 9,012182 898,8 -50 (оценка) 1,57 0,169 0,031 1278 2970 1,848 12,21 309
12 Магний Mg 3+19а 24,305 737,3 -40 (оценка) 1,31 0,24513 0,065 650 1105 1,737 9,2 131,8
20 Кальций Ca 5+19а 40,078 589,4 2,37 1,00 0,279 0,099 839 1484 1,55 9,20 153,6
38 Стронций Sr 4+35а 87,62 549,0 5,02 0,95 0,304 0,113 769 1384 2,54 9,2 144
56 Барий Ba 7+43а 137,327 502,5 13,95 0,89 0,251 0,135 729 1637 3,5 7,66 142
88 Радий Ra 46а 226,0254 509,3 9,65 (оценка) 0,9 0,2574 0,143 700 1737 5,5 8,5 113

а Радиоактивные изотопы

Химические свойства

править

Щёлочноземельные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня ns², и являются s-элементами, наряду с щелочными металлами, водородом и гелием. Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и в большинстве соединений имеют степень окисления +2 (очень редко +1).

Химическая активность щёлочноземельных металлов растёт с ростом порядкового номера. Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенами даже при температуре красного каления (до 600 °C, для реакции с кислородом и другими халькогенами нужна ещё более высокая температура, фтор — исключение). Магний защищён оксидной плёнкой при комнатной температуре и более высоких (до 650 °C) температурах и не окисляется дальше. Кальций медленно окисляется и при комнатной температуре вглубь (в присутствии водяных паров), и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе при комнатной температуре. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов, поэтому их, подобно щелочным металлам (за исключением рубидия и цезия, для которых допустимо хранение только в атмосфере аргона, поскольку они сильно окисляются даже в керосине) и кальцию, хранят под слоем керосина, особочистые реактивы простых веществ кальция, стронция и бария хранятся в ампулах с инертной атмосферой аргона, более того, барий и его водорастворимые соединения токсичны, поэтому работа с ним требует защиты органов дыхания и кожи от возможного попадания растворов солей бария.

Озониды и надпероксиды щёлочноземельных металлов детально не изучены, они являются неустойчивыми соединениями и не находят широкого применения.

Оксиды и гидроксиды щёлочноземельных металлов имеют тенденцию к усилению основных свойств с ростом порядкового номера.

Простые вещества

править

Бериллий реагирует со слабыми и сильными растворами кислот с образованием солей:

 

однако пассивируется холодной концентрированной азотной кислотой.

Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

 

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400—500 °C образуются диоксобериллаты:

 

Магний, кальций, стронций, барий и радий реагируют с водой с образованием щелочей (магний с холодной водой реагирует очень медленно, но при внесении раскалённого порошка магния в воду, а также в горячей воде — бурно):

 

Также кальций, стронций, барий и радий реагируют с водородом, азотом, бором, углеродом и другими неметаллами с образованием соответствующих бинарных соединений:

 
 

Оксиды

править

Оксид бериллия — амфотерный оксид, растворяется в концентрированных минеральных кислотах и щелочах с образованием солей:

 
 

но с менее сильными кислотами и основаниями реакция уже не идет.

Оксид магния не реагирует с разбавленными и концентрированными основаниями, но легко реагирует с кислотами и водой:

 
 

Оксиды кальция, стронция, бария и радия — основные оксиды, реагируют с водой, сильными и слабыми растворами кислот и амфотерными оксидами и гидроксидами:

 
 
 
 

Гидроксиды

править

Гидроксид бериллия амфотерен, при реакциях с сильными основаниями образует бериллаты, с кислотами — бериллиевые соли кислот:

 
 

Гидроксиды магния, кальция, стронция, бария и радия — основания, сила увеличивается от слабого Mg(OH)2 до очень сильного Ra(OH)2, являющегося сильнейшим коррозионным веществом, по активности превышающим гидроксид калия. Хорошо растворяются в воде (кроме гидроксидов магния и кальция). Для них характерны реакции с кислотами и кислотными оксидами и с амфотерными оксидами и гидроксидами:

 
 
 
 

Нахождение в природе

править

Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) на Земле. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щёлочноземельным металлом является кальций, содержание которого равно относительно массы земной коры оценивается по-разному: от 2 % до 13,3 %[3]. Немногим ему уступает магний, содержание которого равно 2,35 %. Распространены в природе также барий и стронций, содержание которых соответственно равно 0,039 % и 0,0384 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 2⋅10−4% от массы земной коры. Радиоактивный радий — это самый редкий из всех щёлочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1⋅10−10% (от массы земной коры)[4][неавторитетный источник][5].

Биологическая роль

править

Магний содержится в тканях животных и растений (например, в хлорофилле), является кофактором многих ферментативных реакций, необходим при синтезе АТФ, участвует в передаче нервных импульсов, активно применяется в медицине (бишофитотерапия и др.). Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита. Из различных форм карбоната кальция состоят минеральные «скелеты» некоторых представителей многих групп беспозвоночных (губки, кишечнополостные, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы: мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов. Стронций может замещать кальций в природных тканях[прояснить], так как схож с ним по свойствам. В организме человека масса стронция составляет около 1 % от массы кальция.

На данный момент о биологической роли бериллия, бария и радия ничего не известно. Все соединения бария (кроме сульфата ввиду его чрезвычайно малой растворимости) и бериллия ядовиты. Радий чрезвычайно радиотоксичен. В организме он ведёт себя подобно кальцию — около 80 % поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз, самопроизвольные переломы костей и злокачественные опухоли костей и кроветворной ткани. Опасность представляет также радон — газообразный радиоактивный продукт распада радия.

Примечания

править
  1. По новой классификации ИЮПАК. По устаревшей классификации относятся к главной подгруппе II группы периодической таблицы.
  2. 1 2 Nomenclature of Inorganic Chemistry. IUPAC Recommendations 2005 (англ.). — International Union of Pure and Applied Chemistry, 2005. — P. 51. Архивировано 18 мая 2017 года.
  3. M. E. Weeks. Discovery of the elements. — 6th edn.. — Journal of Chemical Education, 1968. — P. 990.
  4. Золотой фонд. Школьная энциклопедия. Химия. М.: Дрофа, 2003.
  5. Н. Гринвуд, А. Эрншо. Химия элементов : в 2 т / пер. с англ.. — 3-е изд.. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — Т. 1. — С. 111—112. — 607 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 978-5-9963-1733-2.

Ссылки

править