К элементам IIA-группы Периодической системы Д. И. Менделеева относят бериллий, магний и щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий, радий. Обладают ли щелочноземельные и щелочные металлы сходными свойствами?
Щелочноземельные (IIA-группа) и щелочные (IA-группа) металлы действительно обладают некоторыми сходными свойствами, поскольку оба семейства элементов являются активными металлами, образуют ионные соединения, легко отдают электроны и имеют выраженные основные свойства. Однако между ними есть значительные различия.
Щелочные металлы (натрий, калий и другие) более активны, чем щелочноземельные. Они мягче, имеют меньшую плотность и температуру плавления, хранятся под слоем керосина, так как моментально реагируют с водой и кислородом. В соединениях проявляют степень окисления +1.
Щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий) менее активны, чем щелочные, но всё же достаточно реакционноспособны. В соединениях проявляют степень окисления +2, обладают большей плотностью и температурой плавления, чем щелочные металлы. Их реакция с водой происходит менее бурно, но также сопровождается выделением водорода.
1. Какие металлы IIA-группы называют щелочноземельными? Объясните происхождение этого названия.
К щелочноземельным металлам относят кальций, стронций, барий и радий. Название связано с тем, что их оксиды (земли) обладают основными свойствами, а сами металлы встречаются в земной коре в виде минералов, таких как известняк и мрамор.
2. Сравните щелочные и щелочноземельные металлы. Укажите вид связи и тип кристаллической решётки в простых веществах, образованных этими металлами.
Щелочные металлы (IA-группа) и щелочноземельные металлы (IIA-группа) обладают схожими свойствами, но различаются по химической активности. Щелочные металлы мягкие, имеют низкую плотность и температуру плавления, обладают кубической объемно-центрированной кристаллической решёткой и формируют ионную связь в соединениях. Щелочноземельные металлы прочнее, имеют более высокую плотность и температуру плавления, также образуют ионную связь, но их кристаллическая решётка чаще гексагональная плотноупакованная.
3. Перечислите общие химические свойства щелочноземельных металлов. Подчеркните особенности взаимодействия этих металлов с водой.
Щелочноземельные металлы активно реагируют с кислородом, образуя оксиды, и с галогенами, образуя галогениды. Они растворяются в кислотах с выделением водорода. Особенность их взаимодействия с водой заключается в постепенном увеличении реакционной способности сверху вниз в группе: кальций реагирует с водой умеренно, стронций и барий значительно активнее.
4. С помощью какой химической реакции можно доказать, что в состав природных соединений кальция — известняка, мрамора, кальцита — входит карбонат этого металла? Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.
Для доказательства наличия карбоната кальция (CaCO₃) в природных соединениях можно использовать реакцию с кислотами, например, с соляной кислотой. В результате выделяется углекислый газ, что подтверждается помутнением известковой воды (раствора гидроксида кальция).
Молекулярное уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O
Ионное уравнение: CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂↑ + H₂O
5. Охарактеризуйте свойства оксида кальция как оснбвного оксида. Ответ подтвердите уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.
Оксид кальция (CaO) — это типичный основной оксид, поскольку он реагирует с водой с образованием щелочи, а также с кислотами и кислотными оксидами, образуя соли.
Взаимодействие с водой: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ Ca²⁺ + O²⁻ + H₂O → Ca²⁺ + 2OH⁻
Взаимодействие с кислотами (пример с соляной кислотой): CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O Ca²⁺ + O²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O
Взаимодействие с кислотными оксидами (пример с углекислым газом): CaO + CO₂ → CaCO₃ Ca²⁺ + O²⁻ + CO₂ → CaCO₃
6. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) Ca ⟶ CaCl2 ⟶ CaCO3 ⟶ CaO ⟶ Ca(OH)2 ⟶ Ca(NO3)2 ⟶ CaF2;
б) BaCO3 ⟶ BaO ⟶ Ba(OH)2 ⟶ BaCl2 ⟶ Ba3(PO4)2.
Для реакций обмена запишите ионные уравнения.
а) Ca ⟶ CaCl₂ ⟶ CaCO₃ ⟶ CaO ⟶ Ca(OH)₂ ⟶ Ca(NO₃)₂ ⟶ CaF₂
Ca + Cl₂ → CaCl₂ CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaCl Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃ + 2Na⁺ + 2Cl⁻ CaCO₃ → CaO + CO₂ (при нагревании) CaO + H₂O → Ca(OH)₂ Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O Ca²⁺ + 2OH⁻ + 2H⁺ + 2NO₃⁻ → Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2H₂O Ca(NO₃)₂ + 2HF → CaF₂ + 2HNO₃ Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2H⁺ + 2F⁻ → CaF₂ + 2H⁺ + 2NO₃⁻ б) BaCO₃ ⟶ BaO ⟶ Ba(OH)₂ ⟶ BaCl₂ ⟶ Ba₃(PO₄)₂
BaCO₃ → BaO + CO₂ (при нагревании) BaO + H₂O → Ba(OH)₂ Ba(OH)₂ + 2HCl → BaCl₂ + 2H₂O Ba²⁺ + 2OH⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2H₂O 3BaCl₂ + 2Na₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6NaCl 3Ba²⁺ + 6Cl⁻ + 6Na⁺ + 2PO₄³⁻ → Ba₃(PO₄)₂ + 6Na⁺ + 6Cl⁻
7. При обработке 9.8 г смеси карбоната, гидроксида и сульфата кальция избытком соляной кислоты выделилось 0,896 л газа (н. у.) и осталось 2,1 г твёрдого остатка. Вычислите массовую долю компонентов в смеси.
В смеси содержатся карбонат кальция (CaCO₃), гидроксид кальция (Ca(OH)₂) и сульфат кальция (CaSO₄). При взаимодействии с соляной кислотой (HCl):
Карбонат кальция разлагается с выделением углекислого газа: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O
Гидроксид кальция реагирует с кислотой без выделения газа: Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O
Сульфат кальция с HCl практически не реагирует и остаётся в осадке.
Объём выделившегося газа — 0,896 л. По уравнению состояния идеального газа, 1 моль газа (н. у.) занимает 22,4 л. Найдём количество молей CO₂: n(CO₂) = 0,896 / 22,4 = 0,04 моль
Определим массу карбоната кальция, так как 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂: m(CaCO₃) = 0,04 × 100 = 4 г
Масса твёрдого остатка — это несреагировавший CaSO₄: m(CaSO₄) = 2,1 г
Общая масса смеси — 9,8 г, тогда масса Ca(OH)₂ найдётся по разности: m(Ca(OH)₂) = 9,8 - 4 - 2,1 = 3,7 г
Теперь найдём массовые доли: ω(CaCO₃) = 4 / 9,8 = 0,408 (40,8%) ω(Ca(OH)₂) = 3,7 / 9,8 = 0,378 (37,8%) ω(CaSO₄) = 2,1 / 9,8 = 0,214 (21,4%)
8. Щелочные металлы получают электролизом расплавов их гидроксидов — щелочей. Для получения щелочноземельных металлов используют электролиз расплавов их солей. Как вы думаете, почему для этих целей не годятся гидроксиды щелочно-земельных металлов? Напишите уравнение электролиза расплава хлорида кальция.
Гидроксиды щелочноземельных металлов (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂) при нагревании разлагаются на оксид и воду: Ca(OH)₂ → CaO + H₂O
Оксиды плохо проводят электрический ток, поэтому вместо них используют расплавы солей, например, хлоридов.
Уравнение электролиза расплава хлорида кальция: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻
На катоде (восстановление): Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca
На аноде (окисление): 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Общее уравнение: CaCl₂ → Ca + Cl₂