Особенности и свойства щелочноземельных металлов. Щелочные и щелочноземельные металлы
Общая характеристика
Щелочноземельные металлы — совокупность химических элементов с похожими характеристиками. При взаимодействии оксидов этих металлов с водой создается щелочная среда.
При нормальных условиях сохраняют твердую структуру, металлический блеск, высокую температура плавления.
Щелочноземельные металлы имеют несколько похожих особенностей. Плотность химического элемента возрастает зависимо от порядкового номера. Эти материалы невозможно разрезать ножом (исключением является стронций).
Физические свойства щелочноземельных металлов
Физические свойства данной группы имеют следующие характеристики: светло-серый — темно-серый цвет, твердые вещества, не растворимые и нелетучие, без запаха, тепло-электропроводимые, имеют характерный металлический блеск.
Показатели плотности и температуры плавления представлены в таблице:
Что мы узнали?
Щелочные и щелочноземельные – наиболее активные металлы. Это мягкие простые вещества серого или серебристого цвета с небольшой плотностью. Литий, натрий, калий плавают на поверхности воды. Щелочноземельные металлы более твёрдые и плотные, чем щелочные. На воздухе быстро окисляются. Щелочные металлы образуют надпероксиды и пероксиды, оксид образует только литий. Бурно реагируют с водой при комнатной температуре. С неметаллами реагируют при нагревании. Щелочноземельные металлы вступают в реакцию с оксидами, вытесняя менее активные металлы. Со щелочами реагирует только бериллий .
Элементы и их нахождение в таблице Менделеева
Каждый элемент имеет определенные особенности. Чтобы понять, как работать с подобными металлами, необходимо изучить их характеристики.
Бериллий
Характеристики:
- номер — 4;
- простое вещество — твердый материал;
- цвет — светло-серый.
Особенности — металлический блеск, высокая токсичность.
Бериллий (Фото: Instagram / chemistry_easy)
Магний
Характеристики:
- номер — 12;
- простое вещество — легкий, ковкий материал;
- цвет — белый с серебристыми отливами.
Особенности — металлический блеск, малый удельный вес.
Кальций
Характеристики:
- номер – 20;
- простое вещество – мягкий материал;
- цвет — белый с серебристыми отливами.
Стронций
Характеристики:
- номер — 38;
- простое вещество — мягкий, ковкий, пластичный материал;
- цвет — белый с серебристыми отливами.
Имеет радиоактивные изотопы.
Стронций в ампуле с аргоном (Фото: Instagram / chemical_elements)
Барий
Характеристики:
- номер — 58;
- простое вещество — ковкий, мягкий материал;
- цвет — белый с серебристыми отливами.
Радий
Характеристики:
- номер – 88;
- простое вещество — твердый материал;
- цвет — белый с серебристыми отливами.
Особенности — радиоактивен, поверхности радия быстро тускнеют на воздухе.
Качественные реакции
Одна из качественных реакций-окрашивание пламени.
Список возможных цветов пламени при нагревании данных элементов:
Ca — темно-оранжевый;
Sr — насыщенный красный;
Ba — светло-зеленый или классический зеленый.
Металлы данного типа при взаимодействии с щелочами, оксидами или растворами солей выпадают в белый осадок.
Соли магния и кальция
Такие соединения щелочноземельных металлов, как соли, имеют важное значение для живых организмов. Ведь именно соли кальция являются источником этого элемента в организме. А без него невозможно нормальное формирование скелета, зубов, рогов у животных, копыт, волос и шерстного покрова и так далее.
Так, самой распространенной солью щелочноземельного металла кальция является карбонат. Его другие названия:
- мел;
- мрамор;
- известняк;
- доломит.
Используется не только как поставщик ионов кальция в живой организм, но и как стройматериал, сырье для химических производств, в косметической промышленности, стекольной и так далее.
Такие соединения щелочноземельных металлов, как сульфаты, тоже имеют важное значение. Например, сульфат бария (медицинское название «баритовая каша») используется в рентгенодиагностике. Сульфат кальция в виде кристаллогидрата — это гипс, который содержится в природе. Он используется в медицине, строительстве, штамповке слепков.
Где используются
Свойства металлов щелочноземельной группы обусловили применение каждого во всех сегментах – от авиастроения до медицины и ювелирного дела:
- Бериллий. Исходник при выплавке сплавов, включая «атомные», получения ракетного топлива. Компонент ювелирных минералов первого ряда – аквамарина, гелиодора, изумруда.
- Кальций. Базис большинства огнеупоров, строительных материалов. Металл задействован при производстве топлива, аптечных препаратов.
- Магний. Самый легкий щелочноземельный металл. Как восстановитель нашел применение в металлургии. Без проблем куется, раскатывается. Чаще используется как «ингредиент» сплавов, снижающий их массивность, – материал корпусов и деталей ракет, самолетов, автомобилей, электроники. А также приборов для нужд оборонного комплекса и предприятий приборостроения.
Сегодня на первое место по использованию магниевых сплавов выходят смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
- Стронций. Металлургами используется как лигатура сплавов, очиститель сталей, чугуна, меди от серы, других вредных примесей. Сырье закупают производители радиоэлектроники, химических источников тока, атомщики, пиротехники. Продукция «высокого сегмента» из металла – чистый уран, керамика-сверхпроводник, вакуумный инструментарий.
Стронций создает насыщенно-красные оттенки огней салюта. Изотопом вещества лечат онкологию.
- Барий. Используются соединения металла. Главный потребитель – атомщики. Ассортимент: вакуумные, пьезоэлектрические приборы, жидкий теплоноситель, линзы, стекло для урановых стержней, керамика-сверхпроводник. Нетоксичный сульфат используется рентгенологами как контрастное вещество.
На особом счету радий. Это самый редкий щелочноземельный металл: на планете его получено всего полтора килограмма.
Даже микродозы радиоактивного вещества смертельно опасны для человека. Однако это свойство используется исследователями ядерных процессов и для лечения онкологии.
Шкалы, стрелки компасов, бортовых приборов, изготовленных до 1970-х годов, покрыты краской, содержащей радий. Она светится в темноте, но с тех пор не используется как опасная для человека.
Щелочноземельные металлы — соединения и их применение
К данной категории относятся элементы второй группы главной подгруппы системы химических элементов. Их постоянная степень окисления +2. Это активные восстановители, легко вступающие в химические реакции с большинством соединений и простых веществ. Проявляют все типичные свойства металлов: блеск, ковкость, тепло и электропроводность.
Самыми важными и распространенными из них являются магний и кальций. Бериллий проявляет амфотерность, барий и радий относятся к редким элементам. Все они способны формировать следующие типы соединений:
- интерметаллические;
- оксиды;
- гидриды;
- бинарные соли (соединения с неметаллами);
- гидроксиды;
- соли (двойные, комплексные, кислые, основные, средние).
Рассмотрим самые важные соединения с практической точки зрения и их области применения.
История
Двойное название группы – отражение природы и характеристик входящих в нее элементов:
- Они способны образовывать щелочи.
- Ряд свойств их оксидов близки окислам алюминия и железа. Такие вещества еще средневековые алхимики именовали «землями».
Сегодняшний состав щелочноземельной группы сформировался не сразу: бериллий и магний отсутствовали.
Это объяснялось отличием свойств данных элементов от остальных:
- По большинству характеристик они ближе к алюминию, чем к другим элементам группы.
- Их гидроксиды – не щелочи.
- Магний взаимодействует с водой в замедленном режиме, у бериллия реакция в таком растворе нулевая. Та же картина при контакте с неметаллами.
Однако специалисты Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) решили все-таки причислить бериллий и магний к щелочноземельной группе.
Химические свойства
Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с простыми веществами и сложными соединениями, образуя соли, оксиды, щёлочи. Основные свойства активных металлов описаны в таблице.
|
Взаимодействие |
Щелочные металлы |
Щелочноземельные металлы |
|
С кислородом |
Самовоспламеняются на воздухе. Образуют надпероксиды (RO2), кроме лития и натрия. Литий образует оксид при нагревании выше 200°C. Натрий образует смесь пероксида и оксида. Примеры: – 4Li + O2 → 2Li2O; – 2Na + О2 → Na2O2; – Rb + O2 → RbO2 |
На воздухе быстро образуются защитные оксидные плёнки. При нагревании до 500°С самовоспламеняются. Примеры: – 2Mg + O2 → 2MgO; – 2Ca + O2 → 2CaO |
|
С неметаллами |
Реагируют при нагревании с серой, водородом, фосфором: – 2K + S → K2S; – 2Na + H2 → 2NaH; – 2Cs + 5P → Cs2P5. С азотом реагирует только литий, с углеродом – литий и натрий: – 6Li + N2 → 2Li3N; – 2Na + 2C → Li2C2 |
Реагируют при нагревании: – Ca + Br2 → CaBr2; – Be + Cl2 → BeCl2; – Mg + S → MgS; – 3Ca + 2P → Ca3P2; – Sr + H2 → SrH2 |
|
С галогенами |
Бурно реагируют с образованием галогенидов: 2Na + Cl2→ 2NaCl |
|
|
С водой |
Образуются щёлочи. Чем ниже металл расположен в группе, тем более активно протекает реакция. Литий взаимодействует спокойно, натрий горит жёлтым пламенем, калий – со вспышкой, цезий и рубидий взрываются. Примеры: – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑; – 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2↑ |
Менее активно, чем щелочные металлы, реагируют при комнатной температуре: – Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 |
|
С кислотами |
Со слабыми и разбавленными кислотами реагируют с взрывом. С органическими кислотами образуют соли. Примеры: – 8K + 10HNO3 (конц) → 8KNO3 + N2O + 5H2O; – 8Na + 5H2SO4 (конц) → 4Na2SO4 + H2S↑ + 4H2O; – 10Na + 12HNO3 (разб) → N2 + 10NaNO3 + 6H2O; – 2Na + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2↑ |
Образуют соли: – 4Sr + 5HNO3 (конц) → 4Sr(NO3)2 + N2O +4H2O; – 4Ca + 10H2SO4 (конц) → 4CaSO4 + H2S↑ + 5H2O |
|
Со щелочами |
– |
Из всех металлов реагирует только бериллий: Be + 2NaOH + 2H2O → Na2[Be(OH)4] + H2 |
|
С оксидами |
– |
Вступают в реакцию все металлы, кроме бериллия. Замещают менее активные металлы: 2Mg + ZrO2 → Zr + 2MgO |
Рис. 3. Реакция калия с водой.
Щелочные и щелочноземельные металлы можно обнаружить с помощью качественной реакции. При горении металлы окрашиваются в определённый цвет. Например, натрий горит жёлтым пламенем, калий – фиолетовым, барий – светло-зелёным, кальций – тёмно-оранжевым.
Варианты соединения металлов
Вещества, в которых одновременно могут находиться два разных металла и более, подразделяются на:
- сплавы;
- двойные соли;
- комплексные соединения;
- интерметаллиды.
Способы соединения металлов между собой также варьируются. Например, для получения сплавов используют метод расплавления, смешения и затвердевания полученного продукта.
Интерметаллиды образуются в результате прямых химических реакций между металлами, нередко происходящих со взрывом (например, цинк и никель). Для таких процессов нужны особые условия: температура очень высокая, давление, вакуумность, отсутствие кислорода и прочие.
Двойные соли и комплексные соединения могут сформироваться при сливании растворов исходных веществ, а также при их сплавлении.
Изготовление изделий из металлов подразумевает также их соединение между собой. Для этого используют такие способы, как:
- сварка (газовая, электрическая и так далее);
- пайка разными видами припоев;
- резьба;
- заклепывание.
Главное условие — это создать такое изделие, которое сможет быть устойчивым к коррозии и в котором не будет швов и примесей, щелей.
приложений
бериллий
Учитывая его инертную реакционную способность, бериллий является металлом с высокой устойчивостью к коррозии и в небольших пропорциях добавляется в медные или никелевые сплавы с интересными механическими и термическими свойствами для различных отраслей промышленности..
Среди них те, которые работают с летучими растворителями, в которых инструменты не должны создавать искр из-за механических ударов. Также его сплавы находят применение при разработке ракет и материалов для самолетов..
магний
В отличие от бериллия, магний более экологичен и является неотъемлемой частью растений. По этой причине он имеет большое биологическое значение и в фармацевтической промышленности. Например, молочная магнезия является средством от изжоги и состоит из раствора Mg (OH)2.
Он также имеет промышленное применение, например, при сварке алюминиевых и цинковых сплавов или при производстве стали и титана..
кальций
Одним из его основных применений является CaO, который реагирует с алюмосиликатами и силикатами кальция, давая цементу и бетону желаемые свойства для зданий. Это также фундаментальный материал в производстве стали, стекла и бумаги..
С другой стороны, CaCO3 участвует в процессе Solvay для производства Na2Колорадо3. Со своей стороны, CaF2 находит применение при изготовлении ячеек для спектрофотометрических измерений.
Другие соединения кальция используются при приготовлении пищи, средств личной гигиены или косметики.
стронций
При горении стронций мигает интенсивным красным светом, который используется в пиротехнике и для изготовления вспышек.
барий
Соединения бария поглощают рентгеновские лучи, поэтому BaSO4 -который также нерастворим и предотвращает2+ свободный от организма токсический зуд — используется для анализа и диагностики изменений в пищеварительных процессах.
радио
Радий использовался в лечении рака из-за его радиоактивности. Некоторые из его солей были предназначены для окрашивания часов, а затем запретили это применение из-за рисков для тех, кто их носил.
Фосфоры из щелочноземельных металлов
Эти вещества известны еще со Средних веков. Раньше их называли люминофорами. Это название встречается и сейчас. По своей природе данные соединения — это сульфиды магния, стронция, бария, кальция.
При определенной обработке они способны проявлять фосфоресцирующие свойства, причем свечение очень красивое, от красного до ярко-фиолетового. Это применяется при изготовлении дорожных знаков, спецодежды и прочих вещей.
Формы нахождения в природе
Щёлочноземельным металлам присуща чрезмерная активность, поэтому в природе они как самостоятельный элемент отсутствуют.
Почти всегда это составляющая минералов либо руд:
- Самый распространенный элемент щелочноземельной группы – кальций (2,9-12,9% по массе). Его получают из известняков, им насыщены мрамор, гранит.
- Почти три процента забирает магний.
- В сто раз реже в литосфере представлены барий со стронцием.
- Содержание остальных элементов измеряется тысячными долями процента.
Самым редким на планете щёлочноземельным металлом является радий. Но найти его легче других: это обязательный компонент урановых рудников.
Электронное строение и закономерности изменения свойств
Атомы данных металлов на внешнем энергетическом уровне имеют 2 s-электрона. Отсюда следует, что максимальная степень окисления +2.
Также могут иметь нулевую степень окисления, но не отрицательную, так как металлы не могут иметь данную степень.
Общая конфигурация внешнего энергетического уровня nS2:
В периоде от Be до Ra металлические свойства, восстановительные, электроотрицательные увеличиваются, а неметаллические, окислительные свойства и радиус атома уменьшается.
Соли
Такие соединения щелочных металлов, как соли, являются не только практически востребованными веществами, но и присутствуют в организме живых существ, поддерживая их нормальную жизнеспособность.
Самой главной солью является, безусловно, хлорид натрия. Это обычная поваренная соль, которая есть у каждого дома и которой не придают особого значения вследствие большой распространенности. Однако если представить, что она вдруг исчезнет, мало кто обрадуется последствиям. Несоленую пищу есть сложно, к тому же это наносит непоправимый вред здоровью, так как в организм не поступают ионы натрия, нужные для работы сердца и сосудов.
Также важные соединения щелочных металлов — это карбонаты. Особенно карбонат и бикарбонат натрия, который в простонародье называется содой. Его используют при производстве стекла, для изготовления моющих средств. Содой можно спокойно чистить посуду. Она обладает хорошими дезинфицирующими, обеззараживающими, очищающими и отбеливающими свойствами. Широко используется в пищевой промышленности, особенно в кондитерском деле и хлебопечении. С ее помощью варят мыло, создают стиральные порошки.
Сода, соль, каустик — все это соединения щелочных металлов в природе. Они существуют в чистом виде, формируя залежи, либо входят в состав продуктов сгорания тех или иных веществ. Иногда их получают лабораторным способом. Но всегда эти вещества важны и ценны, так как окружают человека и формируют его быт.
Соединения щелочных металлов и их применение не ограничиваются только натрием. Также распространены и популярны в отраслях хозяйства такие соли, как:
- хлорид калия;
- селитра калийная (нитрат калия);
- карбонат калия;
- сульфат.
Все они являются ценными минеральными удобрениями, используемыми в сельском хозяйстве.
Присутствие в природе
Элементы можно найти в природе, но только в виде сплавов, поскольку они имеют высокую химическую активность. Чаще всех встречается кальций. Ему немного уступает магний. Стронций с барием также достаточно распространены. Бериллий с радием считаются самыми редкими из этой группы.
Интересный факт про радий (Фото: Instagram / fakt_zhizni)
Соединения щелочных металлов и их применение
Щелочными называются элементы, расположенные в первой группе главной подгруппе периодической системы. Их всего 6, и открыты они были практически все одновременно с небольшим временным интервалом. В форме простых веществ в природе данные элементы не встречаются.
Вследствие высокой химической активности работать с ними очень тяжело и опасно. Поэтому пришлось потрудиться, чтобы выделить их в чистом виде. Гораздо раньше людьми начали использоваться различные соединения щелочных металлов. Некоторые из них были известны еще с древности и не потеряли важности и актуальности сегодня. Они используются в технике, строительстве, медицине, пищевой отрасли, химической промышленности, металлургии, машиностроении, сельском хозяйстве и многих других разделах народного хозяйства. Основные из них рассмотрим подробнее.
Виды соединения щелочных металлов с другими металлами относятся к группам:
- интерметаллических соединений;
- комплексных соединений;
- двойных солей.
Оксиды
Из всех щелочных металлов при сгорании в кислороде нормальный оксид способен давать только литий. Остальные же проявляют чрезмерную активность, поэтому формируют пероксиды Ме2О2. Из пероксидов действием простого металла можно получить оксид нормального вида Ме2О. Кислородные соединения щелочных металлов имеют разную окраску.
- Оксид лития, калия и натрия — белые кристаллические порошки.
- Рубидий — желтая окраска оксида.
- Цезий — оранжевая.
Основная область применения — химическая промышленность. Оксиды щелочных металлов реагируют с водой, образуя важные соединения — щелочи. Этим свойством и обусловлено название данной группы элементов. Соединения щелочных металлов — оксиды — лишь часть от общей массы значимых и важных веществ, в состав которых входят эти элементы.
Гидроксиды (щелочи)
Соединения щелочных металлов с гидроксогруппой называют щелочами, или гидроксидами. Все они — очень едкие вещества, способные легко разрушать практически любой материал. Особенно это касается животных тканей. Поэтому работать с щелочами следует крайне осторожно, на месте контакта с кожей может возникнуть глубокий химический ожег.
Самым известным веществом среди щелочей является каустическая сода, или гидроокись натрия. Данное соединение известно еще с древних времен, где оно добывалось из золы растений и использовалось для мыловарения и стирки белья. Химическая формула — NaOH. Сегодня едкий натр производится огромными количествами в каждой стране, так как без его участия не обходится практически ни одна отрасль производства. Он используется:
- в нефтеперерабатывающей промышленности;
- в косметической и парфюмерной;
- в химических синтезах;
- для производства чистящих и моющих средств, абразивных материалов;
- в кожевенной и текстильной промышленности и других областях.
Другие металлы из группы щелочных формируют не столь важные и распространенные щелочи. Более-менее значимым является лишь гидроксид калия — КОН, который известен как едкое кали.
Свойства
Свойства щелочных и щелочноземельных металлов позволяют определить в каких сферах деятельности их можно применять.
Физические
Свойства:
| Атомный номер | Валентность | Температура плавления | Плотность | Температура кипения | |
| Магний | 12 | 2 | 650 | 1.737 | 1105 |
| Стронций | 38 | 2 | 769 | 2.54 | 1384 |
| Бериллий | 4 | 2 | 1279 | 1.848 | 2970 |
| Кальций | 20 | 2 | 839 | 1.55 | 1484 |
| Радий | 88 | 2 | 700 | 5.5 | 1737 |
| Барий | 56 | 2 | 729 | 3.5 | 1637 |
Химические
Чем выше порядковый номер элемента, тем сильнее его химическая активность. Надпероксиды, озониды этих элементов ученые еще не изучили до конца. Они нестабильны.
У гидроксидов, оксидов этих химических элементов при возрастании порядкового номера усиливаются свойства. Применяются в разных сферах промышленности.
При взаимодействии с открытым воздухом щелочноземельные металлы покрываются оксидной пленкой. В реакцию с посторонними элементами вступают только при сильном нагревании.
Радий, стронций, барий активно взаимодействуют с азотом, кислородом. Для их хранения нужны герметичные емкости, которые будут заполнены керосином.
Тест по теме
- /10Вопрос 1 из 10
Какой элемент не относится к активным металлам?
- Рубидий
- Стронций
- Цезий
- Цирконий
Начать тест Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Светлана-Анатольевна Мамахай9/10
Ахмед Магомедов7/10
Veronika Nechaeva9/10
Лидия Маслова10/10
Сергей Ефремов8/10
Способы получения
Для получения гидроксидов на чистые химические элементы воздействуют водой без примесей. Реакция должна протекать при комнатной температуре. При этом выделяется водород.
Для получения чистых щелочноземельных металлов проводится разложение сложных веществ на более простые. После этого осуществляться восстановление. Для получения стронция, кальция, магния применяется технология электролиза. Барий, бериллий получают с помощью восстановления. Сложнее всего добывать чистый радий. Для его получения нужно перерабатывать урановую руду.
Банки с жидкостью для электролиза (Фото: Instagram / take_n_make)