Химические свойства щелочноземельных металлов

Гидроксиды элементов Са, Бг, Ва и Ла являются щелочами, и поэтому данные элементы тоже могли бы считаться щелочными металлами. Существующее название объясняется тем, что для этих четырех элементов давно известны оксиды ("земли"), образующие щелочи при реакциях с водой.

Самым распространенным и практически важным элементом в этом семействе является кальций, к которому близки по свойствам Эг, Ва и 11а. Практическое значение кальция можно оценить по массе добычи его природных соединений — более 1 млрд т!

Кальций получают электролизом расплавленной смеси СаС12 и КС1 при 680 720°С. Это химически сложный процесс, так как при небольшом повышении температуры металл начинает реагировать с жидким СаС12, образуя хлорид кальция (1). При обычных условиях соединения щелочноземельных металлов в одновалентном состоянии неизвестны.

Кальций получают также алюминотермическим методом, так как при 1200°С под вакуумом кальций отгоняется из смеси оксида кальция с алюминием:

Кальций применяют как восстановитель для получения небольших количеств ряда металлов (Тр Ъх, и, ТЬ), а также для удаления кислорода, серы, азота, фосфора из различных сплавов.

По химической активности кальций близок к натрию и, вступая в реакции с теми же веществами, образует аналогичные продукты в соответствии со своей валентностью. Остальные щелочноземельные металлы реагируют еще более активно, чем кальций.

Пример 26.2. Напишите реакции кальция, аналогичные реакциям натрия.

Решение. Будем опираться на реакции натрия, приведенные выше:

Существенное различие в реакциях кальция и натрия имеется лишь в отношении к кислороду. Кальций с кислородом образует только оксид и не образует пероксид.

Рассмотрим некоторые практически важные соединения щелочноземельных металлов.

Оксид кальция. Это вещество в виде белого порошка получают обычно термическим разложением известняка — карбоната кальция:

В строительном деле оксид кальция называют негашеной известью. С давних пор известь применяется как связующий материал в каменных сооружениях. Схватывание и затвердевание известкового "раствора" основано на реакции

Гидроксид кальция, гашеная известь. Это белое вещество с небольшой растворимостью в воде: 0,165 г на 100 г воды (20°С). Применяется как наиболее дешевая щелочь для нейтрализации избытка кислот, поглощения углекислого газа, получения гидроксида натрия по реакции

Насыщенный раствор гидроксида кальция называется известковой водой.

Хлорированием суспензии гидроксида кальция получают хлорную, или белильную, известь, которую можно изобразить усредненной формулой СаС12Са(ОС1)2 • .гН20. Хлорная известь проявляет сильные окислительные свойства.

Значительно большую растворимость в воде, чем Са(ОН)2, имеет гидроксид бария. В твердом виде это кристаллогидрат Ва(0Н)2-8Н20.

Пероксид бария. В отличие от оксида кальция, оксид бария реагирует при 500°С с кислородом воздуха:

Пероксид бария является сильным окислителем; он гидролизуется, образуя перекись водорода:

Карбид кальция. При сильном нагревании оксида кальция с углем образуется карбид кальция СаС2:

Углерод в этом веществе находится в виде ионов С2

. Карбид кальция применяется для получения ацетилена.

Щелочноземельные металлы образуют хорошо растворимые в воде хлориды, бромиды, иодиды, нитраты, ацетаты и соли с некоторыми другими одноосновными кислотами. Почти все растворимые соли выделяются из растворов в виде кристаллогидратов: СаС12 -6Н20, Са(Ы03)2-4Н20, Ва12 -7,5Н20 и др. Соли с двух- и трехосновными неорганическими кислотами практически нерастворимы в воде. Лишь сульфат кальция имеет заметную растворимость 0,2 г на 100 г воды (20°С).

Сульфат кальция. В природе встречаются мощные пласты гипса СаЗОд • 2Н20, а также разновидности этой соли — алебастр Са8О4 0,5Н2О и безводная соль — ангидрит. Густая кашица алебастра с водой быстро затвердевает, превращаясь в гипс, и часто используется для изготовления различных слепков. Безводный сульфат кальция в смеси с водой не схватывается. Образование осадка сульфата кальция из раствора по реакции

является примером медленного гетерогенного процесса. Кристаллы гипса появляются нс сразу, образование их длится час или более.

Кислые соли двухзарядных катионов 5-элементов и многоосновных кислот растворяются в воде значительно лучше, чем средние соли. Практическое значение имеют гидрокарбонат кальция Са(НС03)2, гидросульфит кальция Са(НБ03)2, а также гидро- и дигидрофосфаты кальция (параграф 143). Кислые соли можно получить как частичной нейтрализацией кислот, так и действием кислоты на ее же среднюю соль. Так образуется в природе гидрокарбонат кальция:

Карбонат кальция. Одно из очень распространенных природных соединений в виде известняка, мрамора, прозрачных кристаллов кальцита. При-

меняется в строительстве для производства извести и как белый строительный камень. Осажденный из раствора карбонат кальция входит в состав зубной пасты. Гидрокарбонат кальция, образующийся при воздействии углекислого газа на известняк, растворим в воде, но при достижении некоторой концентрации раствора в осадок начинает выпадать карбонат кальция. Поэтому точно определить растворимость Са(НС03)2 невозможно. В индивидуальном состоянии гидрокарбонат кальция неизвестен.

Пример 26.3. В четырех пробирках имеются растворы хлорида магния, нитрата кальция, карбоната калия и сульфата натрия. Предложите схему действий для идентификации растворов без применения других реактивов.

Решение. Представим себе, что взяты пробы каждого раствора в отдельные пробирки, и один из растворов добавляется к трем оставшимся. Составим таблицу возможных наблюдений, исходя из растворимости солей, образующихся в результате обменных реакций (табл. 26.5).

Таблица 26.5

Данные наблюдений для примера 26.3

Из таблицы понятно, что если случайно выбранный раствор, добавляемый к трем другим, — нитрат кальция, то во всех трех пробирках будут наблюдаться разные явления, определяющие, где какая соль. Если выбранный раствор содержит любую другую соль, то можно провести следующие серии испытаний, и со второй, третьей или четвертой попытки в выбранной пробирке окажется нитрат кальция.

Двухзарядные катионы магния и кальция образуют соединения с белками и углеводами, почти не диссоциирующие в растворе. Это сложные разновидности комплексных соединений. Эти же катионы дают нерастворимые соли с жирными кислотами, натриевые соли которых представляют собой обычное мыло. В результате этих взаимодействий вода, содержащая Л^ 2+ и Са 2+ , а также другие многозарядные ионы, приобретает особые свойства и называется жесткой. Такая вода имеет неприятный вкус, она не пригодна для многих технических целей. Различают временную жесткость, обусловленную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция, магния, иногда и железа(Н), и постоянную жесткость, обусловленную наличием сульфатов и хлоридов тех же металлов. Временную жесткость устраняют кипячением воды, так как растворимые гидрокарбонаты разлагаются:

Постоянную жесткость можно устранить только химическими реагентами. Для этой цели давно применяют соду:

Однако воду можно смягчить нс только удалением ионов кальция и магния в виде осадков, но и связыванием их в комплексные соединения. В этом случае кальций и магний остаются в растворе, но уже не вступают в реакции, характерные для их ионов. В качестве комплексообразующих реагентов для таких слабых комплексообразователей, как ионы щелочноземельных металлов, пригодны молекулы и ионы, способные быть полидентатными лигандами. Очень эффективными веществами для этой цели оказались соли натрия с многоосновными органическими кислотами, например, цитрат натрия (соль лимонной кислоты) и более сложная соль этилендиамин- тетраацетат натрия (Ыа2-ЭДТА):

Эта соль является примером обширной группы веществ, названных комплексонами за их замечательную способность образовывать комплексы с ионами большинства металлов. Слабо реагируют с комплексонами только ионы щелочных металлов, но, как мы видели, и для них нашлись подходящие лиганды — макроциклические соединения.

Ионы магния и кальция замещают в комплексоне, показанном на схеме, ионы натрия и водорода, образуя координационные связи с кислородом карбоксильных групп и атомами азота. Максимально образуется шесть связей, чем и обеспечивается устойчивость комплексов. Комплекс с кальцием можно представить следующим образом:

В этой сложной структурной формуле атомы спроектированы на плоскость, и некоторые из них загораживают атомы на заднем плане. После добавления комнлексона в воде находятся прочные комплексные соединения вместо свободных ионов и Са 2+ , и вода становится мягкой.

Однако эта вода непригодна для питья, гак как в ней возможно наличие избытка комнлексона, который будет связывать необходимые для жизнедеятельности ионы кальция и магния в организме человека.

Магний и кальций — биогенные элементы. Ионы магния концентрируются внутри клеток и связаны с белками, активируют некоторые ферменты. Кальций — единственный элемент-металл, содержание которого в теле человека достигает 1 кг. Основная масса кальция находится в костной ткани в виде фосфатов. Кальций, находящийся в виде растворимых соединений в межклеточных жидкостях и в клетках, связан преимущественно с белками. Он активирует сокращения сердца и вообще мышечные сокращения, участвует в процессе свертывания крови и пр.

Остальные элементы группы НА в той или иной мере опасны для здоровья и жизни. Соединения бериллия, особенно в виде пыли на производстве, очень ядовиты. Стронций, похожий по свойствам на кальций, частично замещает его в костях. Об опасности, которую представляет радиоактивный ^г, см. выше. Радий как очень редкий элемент может представлять опасность только для людей, работающих с ним.