Щёлочноземе́льные мета́ллы - химические элементы Са, Sr, Ba, Ra. Названы так потому, что их оксиды - «зе́мли» (по терминологии алхимиков) - сообщают воде щелочную реакцию. Иногда к щёлочноземельным металлам относят также Be и Mg.
* * *
ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ - ЩЕЛОЧНОЗЕМЕ́ЛЬНЫЕ МЕТА́ЛЛЫ, химические элементы Ве, Мg, Ca, Sr, Ba, Ra. Названы так потому, что их оксиды - «земли» (по терминологии алхимиков) - сообщают воде щелочную реакцию.
ЩЁЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ: кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra. Химически активны, при обычных условиях реагируют с водой. Соли щёлочноземельных металлов, кроме Ra, широко распространены в природе в виде минералов, например гипс CaSO4´2H2O.
ПОДГРУППА IIA
БЕРИЛЛИЙ, МАГНИЙ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ КАЛЬЦИЙ, СТРОНЦИЙ, БАРИЙ, РАДИЙ
Строго говоря, эта подгруппа состоит из двух типов элементов. Бериллий и магний элементы коротких периодов более сходны между собой, чем с другими четырьмя элементами, которые собственно и образуют семейство щелочноземельных металлов. Фактически, бериллий и в меньшей степени магний более сходны с первыми элементами подгруппы IIIA. Особенностью электронного строения любого элемента подгруппы IIA является наличие двух электронов на внешнем слое и внутренняя электронная структура по типу предыдущего благородного газа. Способность отдавать два внешних валентных электрона возрастает в подгруппе с увеличением атомного радиуса и атомного номера элемента. Максимальная степень окисления составляет II, но имеются сведения о существовании соединений со степенью окисления I. Такие соединения неустойчивы и диспропорционируют с образованием свободного металла и иона М(II).
Физические и химические свойства. Все элементы подгруппы IIA химически активны и поэтому в свободном состоянии в природе не существуют. Щелочноземельные металлы энергично реагируют с водой, вытесняя водород и образуя гидроксиды, как и щелочные металлы. Магний взаимодействует только с кипящей водой, а бериллий не реагирует даже с парами при высокой температуре. Бериллий отличается от остальных элементов подгруппы и даже от магния по химическим и многим физическим свойствам. Такое отличие характерно для всех элементов, начинающих подгруппы А, что объясняется малым радиусом иона и соответственно высокой зарядовой плотностью. Особенности и отличия свойств бериллия приведены ниже.
Физические свойства. Бериллий очень твердый материал и способен оставлять царапины на стекле; твердость других элементов подгруппы уменьшается, и барий по твердости близок к свинцу (табл. 3).
Кристаллическая структура. Различие в физических свойствах всех металлов этой подгруппы объясняется различием их кристаллической структуры, а кальций имеет две модификации.
Взаимодействие с кислотами. Все эти элементы реагируют с разбавленными растворами минеральных кислот (типа HCl), а бериллий растворяется менее энергично. Соли бериллия (продукты реакций бериллия с кислотами, например, BeCl2) имеют более ковалентную связь, чем соли других металлов этой подгруппы, и поэтому обладают в растворе меньшей электропроводностью. В водных растворах соли бериллия гидратированы благодаря малому радиусу иона Be2+ и сильному взаимодействию с дипольными молекулами воды. Бериллий в отличие от других металлов плохо реагирует с азотной кислотой, так как на поверхности образуется защитная пассивирующая пленка BeO.
Карбонаты. Невозможно образование BeCO3 в растворе из-за сильного взаимодействия иона Be2+ c кислородом воды или OH. По той же причине и карбонат магния MgCO3, образующийся в растворе, содержит некоторую долю ассоциированного с ним основания Mg(OH)2. Другие металлы образуют в этих условиях средние карбонаты. Связь BeO в карбонате бериллия BeОCO2 настолько прочна, что эта соль способна разлагаться на BeO и CO2.
Оксиды и гидроксиды. При взаимодействии с кислородом Be и Mg образуют оксиды МО, а другие, более активные металлы, могут образовывать и пероксиды, например BaO2. Пероксиды могут образовываться и по реакции гидроксидов Ca, Sr и Ba с H2O2. Растворимость гидроксидов возрастает по мере увеличения радиуса иона и ослабления притяжения между ионом металла и гидроксид-ионом.
Комплексообразование. Ион Be2+ обладает высоким химическим сродством к ионам или молекулам, имеющим электронную пару. Например, 2 иона :Cl:предоставляют две электронные пары для образования химической связи в :Cl:Be:Cl:, 4 электрона распределяются на 2s- и 2p-гибридизованных орбиталях, формируя линейное строение молекулы BeCl2 с ковалентными свойствами. Be2+ способен удерживать большее число электронных пар, образуя различные комплексные ионы с координационным числом 4 (наиболее стабильные лиганды гидроксид-ион, альдегид, эфир, дикарбоновые кислоты, дикетоны). Be2+, как и другие члены подгруппы IIA, образует устойчивые комплексы с этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА). Благодаря прочности комплексов с ЭДТА эта кислота часто используется для анализа содержания кальция и магния
см. также ХИМИЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ.
Источники сырья и применение. Все металлы подгруппы и их соединения находят различное промышленное применение. Бериллий получают из минерала берилла, отделяя гидроксид от сопутствующего алюминия. Гидроксид переводят в хлорид или фторид, и металл получают электролизом расплава галогенида. Добавки бериллия к меди приводят к получению твердого, не искрящего, прочного сплава, который широко используется в специальных пружинах и инструментах для работы во взрывоопасной атмосфере. Металл прозрачен для рентгеновского излучения и поэтому из него изготовляют окна в рентгеновских трубках. Ядро бериллия имеет низкое поперечное сечение захвата нейтронов, поэтому бериллий используется как оболочка урановых стержней в ядерных реакторах. Получение металлического магния важный технологический процесс. Металл трудно обрабатывать и сваривать из-за его воспламеняемости. Многие сплавы магния находят применение в промышленности. Чистый металл получают из морской воды или богатых рассолов осаждением в виде Mg(OH)2. Гидроксид прокаливают, образующийся оксид переводят в хлорид MgCl2, который подвергают электролизу, выделяя чистый магний. Для этих же целей можно получать оксид магния прокаливанием доломита, содержащего MgCO3. Во время Второй мировой войны был разработан процесс получения Mg восстановлением MgO угольной пылью и парами нефти.
См. также МАГНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.
Остальные металлы этой подгруппы получают электролизом расплавов их солей, они также имеют несколько крупных областей применения. Так, прокаливание известняка (минерал, содержащий CaCO3, MgCO3 и силикаты) с целью получения оксида кальция негашеной извести является многотоннажным производством. При частичной гидратации получается гашеная известь. Оба продукта применяются в производстве цемента, штукатурки и строительного раствора. Сульфат кальция соcтава CaSO4Ч0,5H2O известен как гипс, который при смешении с водой затвердевает с небольшим расширением в результате образования CaSO4*2H2O. См. также КАЛЬЦИЙ.
Радий. Радий существенно отличается от остальных элементов подгруппы IIA: он радиоактивен, при его распаде испускаются a- и g-частицы. По свойствам он близок к барию, особенно по растворимости (кроме растворимости хлоридов), химической активности и физическим свойствам. Радий и его соединения применяются в промышленности светящихся красок. Урановая смолка (урановая руда) содержит следы радия и служит основным источником мировой добычи радия, всего несколько сот граммов.