|
p align="left">В основі добування металів ІІА-підгрупи лежить реакція їх відновлення їз сполук за допомогою сильних відновників чи електричного струму. Берилій відновлюють із фторидів, а барій - із оксидів при високих температурах за схемами BeF2 + Mg Be + MgF2,3BaO + 2Al 3Ba + Al2O3. Інші метали - електролізом розплавів, наприклад: CaCl2 Ca + Cl2, Катод: Ca2+ +2 з Cao, Анод: 2Cl- - 2 з Cl2o. Крім того, магній добувають металотермічним методом (при прокалюванні доломиту при 1300оС з феросиліцієм чи алюмосиліцієм, в якому відновником виступає Si) 2 (CaO·MgO) + Si Ca2SiO4 + 2Mg, чи за тією ж схемою - вугільнотермічним методом (відновленням магнійвмістних сполук за допомогою вугілля С в електропечах при 2100оС). 2.2.1 Поширення у природіУ земній корі міститься берилію - 0,0005%, магнію - 1,95%, кальцію - 3,38%, стронцію - 0,014%, барію - 0,026%, радій - штучний елемент. У природі елементи ІІА-підгрупи, крім штучно одержаного радію, зустрічаються лише у вигляді складних сполук - силікатів, карбонатів, сульфатів, фосфатів тощо. Найважливішими є такі мінерали: берилію - берил 3BeO·Al2O3·6SiO2 (до речі, прозорі забарвлені домішками різновиди берила є дорогоцінними каміннями: зелений - ізумруд, блакитний - аквамарин), фенакит Be2SiO4, хризоберил BeO·AL2O3; магнію - магнезит MgCO3, доломит MgCO3·CaCO3, бішофіт MgCl2·6H2O, каїніт KCl·MgSO4·3H2O, карналіт KCl·MgCl4·6H2O; кальцію - кальцит (крейда, вапняк, мармур) CaCO3, гіпс CaSO4·2H2O, флюорит (плавиковий шпат) CaF2, фторапатит 3Ca3 (PO4) 2·CaF2, фосфорит Ca3 (PO4) 2; стронцію - целестин SrSO4, стронцініт SrCO3; барію - барит BaSO4, вітерит ВаСО3.2.2.2 Фізичні властивостіУ вільному стані всі метали ІІА-підгрупи - сріблясто-білі речовини за винятком берилію, який має світло-сірий колір.Загальна закономірність змінення фізичних властивостей нагадує лужні метали (табл.4).За винятком берилію та радію, всі вони є достатньо ковкими, пластичними і м'якими, хоч і твердіші за лужні метали. Берилій відрізняється значною твердістю та крихкістю, барій при різкому сильному ударі розколюється на окремі шматки.Таблиця 4 - Фізичні властивості металів ІІА-підгрупи|
Метал | Густина, г/см3 | Тпл., К | Ткип., К | | Be | 1,85 | 1557 | 2700 | | Mg | 1,74 | 923 | 1380 | | Са | 1,55 | 1124 | 1760 | | Sr | 2,63 | 1041 | 1640 | | Ва | 3,76 | 983 | 1910 | | Ra | 6,0 | 970 | 1410 | | |
Температури плавлення та кипіння цих металів вищі, ніж у лужних, причому із зростаннім порядкового номера Тпл. змінюються не монотонно, що пов'язано зі зміненою типу кристалічних решіток. У кристалічному стані за звичайних умов берилій та магній мають гексагональну кристалічну решітку, кальцій та стронцій - кубічну гранецентровану, а барій - кубічну об'ємоцентровану. Від Be до Mg при однаковому типі решітки температури плавлення зменшуються. При переході від Mg до Са змінюється тип кристалічної решітки, тому Тпл. (Mg) < Тпл. (Са). Потім, починаючи від Са, темпратури плавлення знов зменшуються Тип зв'язку - металічний - зумовлює високу тепло - і елекропровідність. Найслабшим провідником електричного струму є берилій. Крім радію, метали підгрупи ІІА є легкими. Ход змінення густин повинен бути монотонним, але з цього ряду випадають магній та кальцій. Справа в тому, що при зростанні порядкового номера по підгрупі збільшуються об'єми і маси атомів і тому можна було б очікувати зростання густини. Але насправді при переході від Mg до Ca радіус атома змінюється дуже різко, а маса - мало, що й призводить до стрибка густини. Берилій та магній покриті оксидною плівкою і не змінюються на повітрі. Завдяки хімічній активності та для запобігання взаємодії з повітрям лужноземельні метали зберігать у запаяних ампулах під шаром гасу чи вазелинового масла. При внесенні у вогонь деякі лужноземельні метали дають характерне забарвлення: кальцій - темно-оранжеве, барій та радій - темно-червоне, стронцій - блідо-зелене. 2.2.3 Хімічні властивостіМетали ІІА-підгрупи мають загальну електронну формулу зовнішнього енергетичного рівня ns2, на попередньому електронному шарі містять по всім електронів, а атом берилію - тільки два. Починаючи від Са, з'являються вільні d-підрівні, що зумовлює вищу активність лужноземельних металів (Ca, Sr, Ba) і відмінність хімічних властивостей від берилію і магнію.Відношення до води. З водою Be і Mg завдяки наявності на їх поверхні інертної оксидної плівки взаємодіють дуже помірно тільки при нагріванні, а лужноземельні метали - вже за звичайних температур, причому Са реагує досить повільно, Sr - енергійно, а Ва - бурхливо. Реакція проходить згідно із загальною схемоюМе + 2Н2О Me (OH) 2 + H2.Внаслідок реакції виділяється водень і утворюються основи: Ве (ОН) 2 і Mg (OH) 2 - нерозчинні у воді, а гідроксиди Ca (OH) 2 і, особливо, Sr (OH) 2 і Ba (OH) 2 розчиняються достатньо добре, належать до сильних основ, тому їх називають лугами.Взаємодія з елементарними окисниками лужноземельних металів проходить подібно до реакцій лужних металів, але менш енергійно. При прямому окиснені киснем всі ІІА-метали дають оксиди, а барій - пероксид2Mg + O2 2MgO (оксид), Ba + O2 BaO2 (пероксид).Однак при температурі 800оС пероксиди барію розкладаються, тому при спалюванні Ва одразу утворюється оксид2Ba + O2 (to) 2BaO (оксид).З іншими окисниками s-метали ІІ групи утворюють бінарні сполуки. Взаємодія с сіркою, азотом, фосфором, вуглецем протікає при нагріванні, з галогенами - за звичайних температур, за винятком берилію, який реагує при кімнатній температурі лише з фтором, а з рештою галогенів - при нагріванні. Внаслідок цих реакцій метали окиснюються до ступеня окиснення +2, а окисник набуває мінімального ступеня окиснення: S-2, N-3, P-3, Hal-1, C-4 (крім кальцію, який звичайно відновлює Карбон до ступеня окиснення C-1). З воднем безпосередньо взаємодіють лише лужноземельні метали, а Be і Mg в таку реакцію не вступають. Приклади реакцій (в дужках наводяться назви відповідних типів бінарних сполук):Be + F2 BeF2 (галіди),Ba + S BaS (халькогеніди),3Mg + N2 Mg3N2 (нітриди),Ca + H2 CaH2 (гідриди),Ca + 2C CaC2 (карбіди),3Ba + 2P Ba3P2 (фосфіди).Відношення до кислот. Усі метали ІІА-підгрупи з різною мірою енергійності взаємодіють з неокиснювальними кислотами, утворюючи сіль і вільний водень:Mе + 2HАn MеАn2 + H2.Взаємодія з окиснювальними кислотами проходить досить бурхливо, причому окисники, що містяться в азотній HNO3 чи концентрованій сірчаній H2SO4 кислотах, відновлюються до мінімального ступеня окиснення, наприклад:4Mg+ 10HNO3 (дуже розв) 4Mg (NO3) 2+ NH4NO3+ 3H2O,4 Ca + 5H2SO4 (конц) 4CaSO4 + H2S + 4H2O.Дещо отсторонь у цьому ряді стоїть Ве, який пасивується (тобто вкривається захисною оксидною плівкою) у присутності холодних концентрованих HNO3 H2SO4) і може вступати з ними у взаємодію лише при триваловаму нагріванні - цим Ве нагадує Al.Відношення до лугів. Усі лужноземельні метали і магній виявляють стійкість до лугів, але берилій подібно до алюмінію розчиняється у рідких лугах з утворенням комплексних солей - тетрагідроксоберилатів, а при високих температурах здатний сплавлятися з твердими лугами, внаслідок чого утворюються середні солі - берилати: Be + 2NaOH (р-н) + 2H2O Na2 [Be (OH) 4] + H2,Be + 2NaOH (to) Na2BeO2 + H2.Взаємодія з амоніаком має особливе значення, оскільки дає змогу одержувати нейтральні комплекси. Метали ІІА-підгрупи як і лужні метали розчиняються у рідкому амоніаку з утворенням амідів, наприклад:Ca + 2 NH3 (рідкий) Ca (NH2) 2 + H2.Аміди загального складу Ме (NH2) 2 на відміну від амідів лужних металів МеNH2 не розкладаються при кип'ятінні, а виділяють досить стійкі комплексні амоніакати [Me (NH3) 6], в яких ступінь окиснення металу дорівнює 0.2.2.4 Сполуки s-металів ііа-підгрупи та їх властивостіЗавдяки високій реакцій здатності s-метали ІІ групи утворюють численні сполуки.Оксиди мають загальну формулу МеО. Деякі оксиди мають поширені тривіальні назви: MgO - палена магнезія, СаО - негашене вапно.Оксиди лужноземельних металів CaO, SrO і BaO належать до типових основних оксидів: при розчинені у воді вони дають відповідні гідроксиди - луги, а при взаємодії з кислотами і кислотними оксидами - солі.Окреме місце займають оксиди берилію та магнію. Оксид ВеО не розчиняється у воді і виявляє амфотерні властивості, тобто реагує не тільки з кислотами, але й з лугами:BeO + 2HCl BeCl2 + H2O,BeО + 2NaOH (р-н) + 2H2O Na2 [Be (OH) 4],BeO + 2NaOH (to, сплавлення) Na2BeO2 + H2О. Оксид магнію відносно до води та інших реагентів теж поводить себе неоднозначно: дрібнокристалічний MgO є хімічно активним: помірно розчиняється у воді, поглинає СО2 та інші кислотні оксиди, легко взаємодіє з кислотами:MgO + H2O Mg (OH) 2,MgO + CO2 MgCO3,MgO + H2SO4 MgSO4 + H2O.Однак прокалений MgO стає твердим і втрачає хімічну активність.Добувають оксиди металів ІІА-підгрупи не прямою взаємодіює з киснем, оскільки це був би дуже дорогий спосіб, а при розкладанні солей, найчастіше - карбонатів. Однак розкладання карбонату барію проходить при високій температурі (1625оС), тому для добування ВаО розкладають нітратну сіль:MgCO3 MgO + CO2,CaCO3 CaO + CO2,4Ba (NO3) 2 2BaO + 4NO2 + O2.Магній та елементи підгрупи кальцію утворюють пероксиди МеО2 і супероксиди (надпероксиди) МеО4. Пероксиди - білі тверді речовини, які можна вважати солями Гідроген пероксиду, тому у присутності води вони піддаються необоротному гідролізу:СaО2 + 2H2O Ca (OH) 2 + H2O2.Стійкість пероксидів зростає у ряді: BeO2<MgO2<CaO2<SrO2<BaO2. Пероксид барію використовується для одержання Гідроген пероксиду:BaO2 + 2H2O Ba (OH) 2 + H2O2,BaO2 + H2SO4 BaSO4v+ H2O2.Cупероксиди - речовини жовтого кольору, менш стійкі, ніж пероксиди, утворюються як побічний продукт при добуванні пероксидів.Гідриди s-металів ІІ групи - тверді речовини, в яких атоми Гідрогену перебувають у ступені окиснення -1. При безпосередній взаємодії з воднем вдається одержати тільки гідриди лужноземельних металів, а BeH2 і MgH2 утворюються через обмінні реакції з гідридом літію в етерних розчинах, наприклад:2LiH + BeCl2 BeH2 + 2LiCl.Гідрид берилію - типово ковалентна сполука, яка нагадує за властивостями AlH3, у MgH2 більш чітко виявляється йонний зв'язок, а в гідридах лужноземельних металів йонний зв'язок переважає. Всі гідриди є сильними відновниками, при розчиненні у воді вони розкладаються з виділенням водню:MeH2 + 2H2O Mе (OH) 2 + H2.Гідроксиди s-металів ІІ групи складу Ме (ОН) 2 - білі кристалічні речовини. Для деяких з них застосовуються тривіальні назви: Сa (OH) 2 - гашене вапно, або вапняне молоко, Ba (OH) 2 - баритова вода.Розчинність гідроксидів збільшується по підгрупі згори вниз: Be (OH) 2, Mg (OH) 2 і навіть Ca (OH) 2 належать до малорозчинних сполук, розчинність Sr (OH) 2 і Ba (OH) 2 дещо краща. Сила основ теж зростає по підгрупі: Ве (ОН) 2 - слабка амфотерна основа, Mg (OH) 2 - основа середньої сили, а решта гідроксидів вважаються сильними основами - лугами.Для всіх гідроксидів, крім Ве (ОН) 2, характерні типові основні властивості: взаємодія з кислотами, кислотними оксидами, кислими, основними і нормальними солями, з деякими неметалами подібно до лугів s-металів І групи. Наприклад:Ca (OH) 2 + 2HNO3 Ca (NO3) 2 + 2H2O, Ca (OH) 2 + CO2 CaCO3v + H2O, Ca (OH) 2 + 2NaHCO3 CaCO3v+ Na2CO3 + 2H2O, Ba (OH) 2 + FeOHCl2 BaCl2 + Fe (OH) 3v, Ba (OH) 2 + Na2SO4 BaSO4v + 2NaOH, 2Ca (OH) 2 + Cl2 CaCl2 + Ca (ClO) 2 + 2H2O.Щодо гідроксиду берилію, то його амфотерний характер можна виразити рівняннями реакцій як з кислотами, так і з лугами:Be (OH) 2 + H2SO4 BeSO4 + 2H2O,Be (ОH) 2 + 2KOH (р-н) Na2 [Be (OH) 4],Be (OH) 2 + 2NaOH (to, сплавлення) Na2BeO2 + H2О.Солі s-металів ІІ групи в основному - білі кристалічні речовини. Якщо солі мають інше забарвлення - це наслідок впливу аніона, наприклад, сіль Барій хромат BaCrO4 зобов'язана своїм яскраво жовтим кольором наявності хромат-аніона CrO42-. Розчинність солей (сульфатів, хлоридів, карбонатів) зменшується по групі згори вниз (рис.2).Рисунок 2 - Розчинність солей Са, Sr, Ва у воді (моль/лН2О)Це пояснюється зменшенням енергії гідратації йонів Ме2+ і збільшенням міцності кристалічної решітки. У такій самій закономірності зростає і термічна стійкість солей.Солі, утворені лужними металами і аніонами сильних кислот, у воді не гідролізуються, а берилієві та магнієві солі таких кислот у розведених розчинах піддаються гідролізу, даючи кислу реакцію середовища, в яких рН<7, наприклад:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|
