Положение в периодической системе химических элементов
Щелочно-земельные металлы расположены во второй группе главной подгруппе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. На практике к щелочно-земельным металлам относят только кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra. Бериллий Be по свойствам больше похож на алюминий, магний Mg проявляет некоторые свойства щелочноземельных металлов, что обосновано диагональным сходством.
Электронное строение и закономерности изменения свойств
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочно-земельных металлов: ns2, на внешнем энергетическом уровне в основном состоянии находится 2 s-электрона. .Типичная степень окисления щелочноземельных металлов в соединениях +2.
Физические свойства
Внешний вид щелочно-земельных металлов — вещества серого цвета, тверже щелочных металлов.
Са устойчив в сухом воздухе. Стронций Sr и барий Ba хранят под слоем керосина.
Щелочно-земельные металлы имеют высокие показатели тепло- и электропроводимости. Кипят и плавятся при высоких температурах.
Нахождение в природе
Щелочно-земельные металлы — активные металлы и в свободном виде в природе не встречаются, лишь в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов.
Доломит — CaCO3 · MgCO3 — карбонат кальция-магния.
Магнезит MgCO3 – карбонат магния.
Кальцит CaCO3 – карбонат кальция.
Гипс CaSO4 · 2H2O – дигидрат сульфата кальция.
Барит BaSO4 — сульфат бария.
Витерит BaCO3 – карбонат бария.
Получение
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
CaCl2 → Ca + Cl2
Барий получают восстановлением оксида бария алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO + 2Al → 3Ba + Ba(AlO2)2
В результате реакции между оксидом стронция и алюминием при 1200º С образуются стронций и алюминат стронция
4SrO + 2Al = 3Sr + Sr(AlO2)2
Химические свойства
1. Щелочно-земельные металлы — активные металлы, сильные восстановители. Реагируют почти со всеми неметаллами.
1.1. + Hal
Sr + Cl2 → SrCl2
При нагревании реагируют с галогенами, с образованием галогенидов.
1.2. +Р, +S
Ca + S → CaS
3Ca + 2P → Ca3P2
Взаимодействие с серой и фосфором возможно при нагревании, образуются фосфид и нитрид кальция соответственно.
1.3. + H2
Са + H2 → СаH2
Взаимодействие с водородом возможно при нагревании, реакция идет с образованием соли — гидрида кальция.
1.4. + N2
6Са + 2N2 → 2Са3N2
Взаимодействие с азотом возможно при нагревании, реакция идет с образованием соли — нитрида кальция.
1.5. + C
Ca + 2C → CaC2
Взаимодействие с углеродом возможно при нагревании, с образованием карбида кальция.
1.6. + O2
2Са + O2 → 2СаO
3Са + N2 → Са3N2
2Ba + O2 → 2BaO (свыше 800 °C)
Щелочноземельные металлы горят на воздухе при температуре около 500°С, в результате образуются оксиды и нитриды.
Ba + O2 → BaO2
При н.у. только барий образует пероксид.
2. Щелочноземельные металлы взаимодействуют со сложными веществами:
2.1. + H₂O
2Ca0 + 2H2+O = 2Ca+(OH)2 + H20
В ходе реакции щелочные металлы, стоящие до водорода в ряду активности металлов, вытесняют его из кислоты, образуется щелочь и газ — водород. Реакция идет активно даже при комнатной температуре.
2.2. + минеральные кислоты
2Са + 2HCl → СаCl2 + H2↑
2.3. + H2SO4(конц.)
4Ca + 5H2SO4(конц.) → 4CaSO4 + S + 5H2O
Реакция с концентрированной серной кислотой при взаимодействии с активными металлами идет с образованием свободной серы.
2.4. + HNO3
4Ca + 10HNO3 (конц) → N2O + 4Сa(NO3)2 + 5H2O
Реакция с концентрированной азотной кислотой при взаимодействии с активными металлами идет с образованием оксида азота (I).
4Ba + 10HNO3 → 4Ba(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Реакция с разбавленной азотной кислотой при взаимодействии с активными металлами идет с образованием нитрата аммония.
2.5. + HeMeO (некоторые неметаллы)
2Ca + SiO2 → 2CaO + Si
В ходе реакции могут восстанавливаться некоторые неметаллы (кремний, бор, углерод).
2.6. + расплав соли
Ca + CuCl2 → CaCl2 + Cu
В расплаве соли щелочно-земельные металлы вытесняют менее активные металлы из солей и оксидов, реакция невозможна в растворе.
Качественные реакции
Пирохимическая реакция окрашивание солями пламени — качественная реакция на щелочно-земельные металлы.
Цвет пламени:
Ca — кирпично-красный
Sr — карминово-красный (алый)
Ba — яблочно-зеленый
Взаимодействие с карбонатами — качественная реакция на ионы кальция, стронция и бария. В ходе реакции образуется белый осадок.
Ca2+ + CO32- → CaCO3↓
Ba2+ + CO32- → BaCO3↓
Взаимодействие с сульфатами — качественная реакция на распознание ионов стронция и бария. В ходе реакции образуется белый осадок.
Ba2+ + SO42- → BaSO4↓
Sr2+ + SO42- → SrSO4↓
Также осадки белого цвета образуются при взаимодействии солей кальция, стронция и бария с сульфитами и фосфатами.
Например, при взаимодействии хлорида кальция с фосфатом натрия образуется белый осадок фосфата кальция:
3CaCl2 + 2Na3PO4 → 6NaCl + 2Ca3(PO4)2↓