Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Во IIA-группе — бериллий, магний и щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий, радий. У атомов два внешних электрона, в соединениях степень окисления \(+2\). Это сильные восстановители, и их активность растёт сверху вниз по группе.
Подробное объяснение
Мел на школьной доске, мрамор в метро, гипсовая повязка, побелка на стволах деревьев и накипь в чайнике — всё это соединения кальция, самого распространённого металла IIA-группы. В свободном виде эти металлы в природе не встречаются: они слишком активны.
Строение атомов
На внешнем уровне у атомов IIA-группы по два электрона (\(ns^2\)). Отдавая их, атом превращается в ион \(\mathrm{Me^{2+}}\), поэтому степень окисления в соединениях всегда \(+2\). Вниз по группе радиус атома растёт, электроны отдаются легче, восстановительные свойства усиливаются от бериллия к барию. При этом в одном периоде щелочной металл активнее соседа из IIA-группы: натрий отдаёт один электрон, магний — два, и это труднее.
Простые вещества
Серебристо-белые лёгкие металлы, твёрже щелочных; мягче других барий. Бериллий и магний на воздухе покрываются прочной оксидной плёнкой и не разрушаются. Кальций, стронций и барий реагируют с кислородом и влагой воздуха, поэтому их, как щелочные металлы, хранят под керосином.
Название «щелочноземельные» объясняется так: оксиды этих металлов в старину называли «землями», а с водой они дают щёлочи.
Химические свойства металлов
- С кислородом: \(\mathrm{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO}\); барий в избытке кислорода образует пероксид \(\mathrm{BaO_2}\) (при недостатке кислорода — оксид \(\mathrm{BaO}\)).
- С неметаллами при нагревании — хлориды, сульфиды, нитриды: \(\mathrm{3Ca + N_2 \xrightarrow{t} Ca_3N_2}\).
- С водой: кальций, стронций и барий реагируют уже на холоде, образуя щёлочь и водород, скорость растёт от Ca к Ba. Магний реагирует медленно и только при нагревании, бериллий с водой не реагирует.
- С кислотами — соль и водород.
- Кальций восстанавливает металлы из оксидов (кальциетермия): \(\mathrm{TiO_2 + 2Ca \xrightarrow{t} Ti + 2CaO}\).
Оксиды и гидроксиды
Характер оксидов и гидроксидов меняется вниз по группе так же, как металличность.
| Элемент | Оксид | Гидроксид |
|---|---|---|
| Be | \(\mathrm{BeO}\) — амфотерный | \(\mathrm{Be(OH)_2}\) — амфотерный |
| Mg | \(\mathrm{MgO}\) — основный, с водой почти не реагирует | \(\mathrm{Mg(OH)_2}\) — нерастворимое основание |
| Ca, Sr, Ba | \(\mathrm{CaO}\), \(\mathrm{SrO}\), \(\mathrm{BaO}\) — основные, с водой дают щёлочи | щёлочи, растворимость растёт от Ca к Ba |
Амфотерность оксида бериллия видна по реакции со щёлочью: \(\mathrm{BeO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Be(OH)_4]}\).
Оксиды щелочноземельных металлов реагируют с водой, кислотами и кислотными оксидами: \(\mathrm{BaO + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O}\), \(\mathrm{CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3}\). Получают их обжигом карбонатов. При нагревании все гидроксиды группы разлагаются на оксид и воду: \(\mathrm{Mg(OH)_2 \xrightarrow{t} MgO + H_2O}\).
Известь: от камня к камню
\(\mathrm{CaO}\) называют негашёной известью, \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) — гашёной. Насыщенный прозрачный раствор гидроксида кальция — известковая вода, мутная взвесь — известковое молоко. Схема показывает, как известняк превращается в известь и обратно.
Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ. При избытке \(\mathrm{CO_2}\) осадок растворяется: образуется растворимый гидрокарбонат \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}\). Так в природе вода растворяет известняк и образует пещеры, а при нагревании гидрокарбонат снова распадается — отсюда накипь.
Важные соли
- \(\mathrm{CaCO_3}\) — мел, мрамор, известняк; «вскипает» с кислотами: \(\mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow}\).
- \(\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}\) — гипс. При прокаливании теряет часть воды и превращается в алебастр \(\mathrm{CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O}\); с водой алебастр снова затвердевает в гипс.
- \(\mathrm{MgSO_4}\) — горькая (английская) соль, есть в морской воде.
- \(\mathrm{BaSO_4}\) — нерастворимое контрастное вещество для рентгена желудка; растворимые соли бария ядовиты.
В отличие от солей щелочных металлов, многие соли IIA-группы — карбонаты, сульфаты (кроме \(\mathrm{MgSO_4}\)), фосфаты — малорастворимы или нерастворимы.
Как решать задачи
- Определите, щелочноземельный металл или Be, Mg: от этого зависят реакции с водой и характер оксида и гидроксида.
- Металл — восстановитель, степень окисления в продукте \(+2\). В ОВР составьте электронный баланс: \(\mathrm{Me^0 - 2e^- \rightarrow Me^{+2}}\).
- В ионных уравнениях нерастворимые \(\mathrm{CaCO_3}\), \(\mathrm{BaSO_4}\), \(\mathrm{Mg(OH)_2}\) пишите формулами.
- В задачах с \(\mathrm{CO_2}\) и известковой водой сравните количества веществ: при соотношении 1 : 1 — карбонат, при избытке газа (до 2 : 1) — гидрокарбонат.
Разобранные примеры
Реакция с водой и ОВР
Напишите уравнение реакции бария с водой, расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
\(\mathrm{Ba^0 - 2e^- \rightarrow Ba^{+2}}\) — 1, окисление.
\(\mathrm{2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0}\) — 1, восстановление.
Барий отдаёт два электрона, два атома водорода их принимают, поэтому перед водой коэффициент 2.
Цепочка превращений кальция
Напишите уравнения: CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ → CaCl₂.
Последняя реакция — обмен, ионная форма: \(\mathrm{CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow}\).
Состав смеси по объёму газа
Смесь кальция и оксида кальция массой 10 г обработали водой. Выделилось 2,24 л водорода (н. у.). Найдите массовую долю кальция в смеси.
- \(m(\text{смеси}) = 10\) г
- \(V(\mathrm{H_2}) = 2{,}24\) л
- \(w(\mathrm{Ca})\)
Водород даёт только металл, оксид с водой реагирует без газа:
\(n(\mathrm{H_2}) = 2{,}24/22{,}4 = 0{,}1\) моль, \(n(\mathrm{Ca}) = 0{,}1\) моль, \(m(\mathrm{Ca}) = 0{,}1 \cdot 40 = 4\) г.
\(w(\mathrm{Ca}) = \dfrac{4}{10} \cdot 100\% = 40\%\).
Типичные ошибки
Они стоят во IIA-группе, но их гидроксиды — не щёлочи: \(\mathrm{Be(OH)_2}\) амфотерен, \(\mathrm{Mg(OH)_2}\) нерастворим. Бериллий с водой не реагирует, магний — только при нагревании.
Щелочноземельные — только Ca, Sr, Ba, Ra. Всю группу называют «металлы IIA-группы».
По привычке «кислород всегда −2» в \(\mathrm{BaO_2}\) барию приписывают +4. Но у бария, как у всех металлов IIA-группы, степень окисления в соединениях только +2; \(\mathrm{BaO_2}\) — пероксид, в нём кислород \(-1\).
\(\mathrm{Ba + O_2 \xrightarrow{t} BaO_2}\) (в избытке кислорода, как в учебнике): \(\mathrm{\overset{+2}{Ba}\overset{-1}{O_2}}\). При недостатке кислорода барий даёт оксид \(\mathrm{BaO}\); его получают и разложением карбоната бария.
«Негашёная известь» — это \(\mathrm{CaO}\), а не \(\mathrm{Ca(OH)_2}\); известковая вода — прозрачный раствор, а не взвесь. Из-за путаницы пишут неверные формулы и ионные уравнения.
\(\mathrm{CaO}\) — негашёная известь, \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) — гашёная. Известковую воду в ионных уравнениях пишут ионами \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{OH^-}\), известковое молоко — формулой \(\mathrm{Ca(OH)_2}\).
В задачах про пропускание углекислого газа всегда пишут только карбонат, даже когда газа вдвое больше гидроксида.
Сравните количества: при \(n(\mathrm{CO_2}) : n(\mathrm{Ca(OH)_2}) = 2 : 1\) весь осадок переходит в \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}\), при промежуточном соотношении — смесь карбоната и гидрокарбоната.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой металл НЕ относят к щелочноземельным?
Показать ответ
Ответ: В) Магний
Щелочноземельные металлы — Ca, Sr, Ba, Ra. Бериллий и магний стоят в той же IIA-группе, но их гидроксиды не щёлочи.
-
Что образуется при нагревании бария в избытке кислорода (как в учебнике)?
Показать ответ
Ответ: Б) Пероксид бария BaO₂
В избытке кислорода барий образует пероксид, \(\mathrm{Ba + O_2 \xrightarrow{t} BaO_2}\), где кислород имеет степень окисления \(-1\) (при недостатке кислорода получается оксид BaO).
-
Какие утверждения верны?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Восстановительные свойства растут от бериллия к барию; В) Оксид бериллия амфотерный; Г) Гидроксид бария растворим лучше гидроксида кальция
Радиус атома растёт вниз по группе, и электроны отдаются легче. Бериллий с водой не реагирует; \(\mathrm{BeO}\) реагирует и с кислотами, и со щелочами; растворимость гидроксидов растёт от \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) к \(\mathrm{Ba(OH)_2}\).
-
Почему известковая вода мутнеет, если через неё продувать выдыхаемый воздух?
Показать ответ
Ответ: Б) Выпадает карбонат кальция
Углекислый газ выдоха реагирует с раствором, \(\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}\). Гидрокарбонат растворим — он получается при избытке \(\mathrm{CO_2}\), и раствор снова светлеет.
-
Сколько граммов оксида кальция получится при полном разложении 50 г карбоната кальция?
Показать ответ
Ответ: 28
\(n(\mathrm{CaCO_3}) = 50/100 = 0{,}5\) моль, \(m(\mathrm{CaO}) = 0{,}5 \cdot 56 = 28\) г.
-
Какое вещество используют для рентгеноскопии желудка?
Показать ответ
Ответ: В) Сульфат бария
\(\mathrm{BaSO_4}\) нерастворим даже в желудочной кислоте и задерживает рентгеновские лучи. Растворимые соли бария, например \(\mathrm{BaCl_2}\), ядовиты.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Напишите уравнение реакции стронция с водой. Какое вещество образуется в растворе и как это доказать индикатором?
Подсказка
Щелочноземельные металлы вытесняют из воды водород и образуют щёлочь.
Решение
В растворе — щёлочь \(\mathrm{Sr(OH)_2}\). Фенолфталеин в нём становится малиновым.
Ответ
Чем негашёная известь отличается от гашёной? Напишите уравнение реакции, которая превращает одну в другую.
Подсказка
Одна из них — оксид, другая — гидроксид.
Решение
Негашёная известь — оксид кальция \(\mathrm{CaO}\), гашёная — гидроксид кальция \(\mathrm{Ca(OH)_2}\). Гашение — реакция оксида с водой, идёт с сильным разогревом:
Ответ
Какой объём водорода (н. у.) выделится при реакции 8 г кальция с водой?
Подсказка
Количество вещества водорода равно количеству вещества кальция.
Решение
\(n(\mathrm{Ca}) = \dfrac{8}{40} = 0{,}2\) моль, \(n(\mathrm{H_2}) = 0{,}2\) моль.
\(V(\mathrm{H_2}) = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48\) л.
Ответ
Какую массу негашёной извести можно получить обжигом 200 кг известняка, содержащего 90 % карбоната кальция?
Подсказка
Сначала найдите массу чистого CaCO₃, потом количество вещества в киломолях.
Решение
\(m(\mathrm{CaCO_3}) = 200 \cdot 0{,}9 = 180\) кг, \(n(\mathrm{CaCO_3}) = \dfrac{180}{100} = 1{,}8\) кмоль.
\(n(\mathrm{CaO}) = 1{,}8\) кмоль, \(m(\mathrm{CaO}) = 1{,}8 \cdot 56 = 100{,}8\) кг.
Ответ
Напишите уравнения реакций для цепочки Mg → MgO → MgCl₂ → Mg(OH)₂ → MgO. Для реакций обмена составьте сокращённые ионные уравнения.
Подсказка
Гидроксид магния нерастворим и при нагревании разлагается.
Решение
Ответ
Через раствор, содержащий 7,4 г гидроксида кальция, пропустили 4,48 л углекислого газа (н. у.). Останется ли осадок? Какая соль и какой массы будет в растворе?
Подсказка
Сравните количества веществ. На 1 моль Ca(OH)₂ уходит 1 моль CO₂ до карбоната и ещё 1 моль — до гидрокарбоната.
Решение
\(n(\mathrm{Ca(OH)_2}) = \dfrac{7{,}4}{74} = 0{,}1\) моль, \(n(\mathrm{CO_2}) = \dfrac{4{,}48}{22{,}4} = 0{,}2\) моль.
Сначала выпадает карбонат:
\(n(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}) = 0{,}1\) моль, \(M = 40 + 2 \cdot 61 = 162\) г/моль, \(m = 0{,}1 \cdot 162 = 16{,}2\) г.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. У металлов IIA-группы два «лишних» электрона, которые они охотно отдают; чем ниже металл в группе, тем легче. Покажите дома знакомые вещества: мел и яичная скорлупа — карбонат кальция, они «шипят» в уксусе; гипс в аптеке, «горькая соль» — сульфат магния. Расскажите про известь: строители гасят её водой, она греется, а потом на воздухе снова превращается в камень, поглощая углекислый газ.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему кальций хранят под керосином, а магний — нет? 2) Чем гашёная известь отличается от негашёной? 3) Почему известковая вода мутнеет от выдыхаемого воздуха?
На что обратить внимание. Степень окисления металлов группы всегда \(+2\), отсюда формулы \(\mathrm{CaCl_2}\), \(\mathrm{Ca(OH)_2}\), \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\). Следите, чтобы ребёнок не записывал Be и Mg в щелочноземельные и проверял растворимость солей по таблице.