Глава IV. Металлы и их соединения. § 31. Общая характеристика элементов IIA-группы — с. 163
§ 31. Проверьте свои знания.
1. Какие металлы IIA-группы называют щёлочноземельными? Объясните происхождение этого названия.
1. Какие металлы IIA-группы называют щёлочноземельными? Объясните происхождение этого названия.
Щёлочноземельными называют металлы IIA-группы начиная с кальция: кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra (бериллий и магний к ним не относят).
Название возникло потому, что их оксиды (CaO, SrO, BaO) алхимики называли «землями» (тугоплавкие, нерастворимые в огне вещества, похожие на землю), а при растворении в воде эти оксиды, как и сами металлы, образуют щёлочи: CaO + H₂O = Ca(OH)₂; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑. Отсюда: «щёлочные земли» — щёлочноземельные.
Название возникло потому, что их оксиды (CaO, SrO, BaO) алхимики называли «землями» (тугоплавкие, нерастворимые в огне вещества, похожие на землю), а при растворении в воде эти оксиды, как и сами металлы, образуют щёлочи: CaO + H₂O = Ca(OH)₂; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑. Отсюда: «щёлочные земли» — щёлочноземельные.
§ 31. Проверьте свои знания.
2. Сравните щелочные и щёлочноземельные металлы. Укажите вид связи и тип кристаллической решётки в простых веществах, образованных этими металлами.
Сходство: и те и другие — активные металлы-восстановители, в простых веществах связь металлическая, кристаллическая решётка металлическая; серебристо-белые, лёгкие, электро- и теплопроводные; реагируют с неметаллами и водой с образованием щёлочей и водорода; хранят под керосином (кроме Be и Mg).
Различия: у щелочных металлов на внешнем слое 1 электрон, у щёлочноземельных — 2; степень окисления +1 и +2 соответственно; щелочные мягче, легче и легкоплавки (Na режется ножом, t пл. 98 °C), щёлочноземельные твёрже (Ca, Ba) и плавятся при более высокой температуре (Ca — 842 °C); щелочные активнее (Na реагирует с водой бурно, Ca — спокойнее); с кислородом Na образует пероксид, Li — оксид, барий — пероксид; соли щелочных металлов почти все растворимы, а щёлочноземельных — многие малорастворимы (CaCO₃, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂).
Различия: у щелочных металлов на внешнем слое 1 электрон, у щёлочноземельных — 2; степень окисления +1 и +2 соответственно; щелочные мягче, легче и легкоплавки (Na режется ножом, t пл. 98 °C), щёлочноземельные твёрже (Ca, Ba) и плавятся при более высокой температуре (Ca — 842 °C); щелочные активнее (Na реагирует с водой бурно, Ca — спокойнее); с кислородом Na образует пероксид, Li — оксид, барий — пероксид; соли щелочных металлов почти все растворимы, а щёлочноземельных — многие малорастворимы (CaCO₃, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂).
§ 31. Проверьте свои знания.
3. Перечислите общие химические свойства щёлочноземельных металлов. Подчеркните особенности взаимодействия этих металлов с водой.
Щёлочноземельные металлы — сильные восстановители (отдают 2 электрона, степень окисления +2). Общие свойства:
1) с кислородом образуют оксиды (2Ca + O₂ = 2CaO, при нагревании), барий — пероксид (Ba + O₂ = BaO₂);
2) при нагревании реагируют с галогенами, серой, азотом, образуя галогениды, сульфиды, нитриды: Ca + Cl₂ = CaCl₂; Ca + S = CaS; 3Ca + N₂ = Ca₃N₂;
3) реагируют с водой: Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑;
4) реагируют с кислотами, вытесняя водород: Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑;
5) кальций применяют как восстановитель других металлов из оксидов (кальциетермия): TiO₂ + 2Ca = Ti + 2CaO (t).
Особенности взаимодействия с водой: скорость реакции увеличивается от кальция к барию (Ca реагирует спокойно, Ba — активнее); образуются щёлочи, растворимость которых растёт в ряду Ca(OH)₂ → Sr(OH)₂ → Ba(OH)₂; бериллий с водой при комнатной температуре не реагирует, магний реагирует медленно и только при нагревании (Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑).
1) с кислородом образуют оксиды (2Ca + O₂ = 2CaO, при нагревании), барий — пероксид (Ba + O₂ = BaO₂);
2) при нагревании реагируют с галогенами, серой, азотом, образуя галогениды, сульфиды, нитриды: Ca + Cl₂ = CaCl₂; Ca + S = CaS; 3Ca + N₂ = Ca₃N₂;
3) реагируют с водой: Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑;
4) реагируют с кислотами, вытесняя водород: Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑;
5) кальций применяют как восстановитель других металлов из оксидов (кальциетермия): TiO₂ + 2Ca = Ti + 2CaO (t).
Особенности взаимодействия с водой: скорость реакции увеличивается от кальция к барию (Ca реагирует спокойно, Ba — активнее); образуются щёлочи, растворимость которых растёт в ряду Ca(OH)₂ → Sr(OH)₂ → Ba(OH)₂; бериллий с водой при комнатной температуре не реагирует, магний реагирует медленно и только при нагревании (Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑).
§ 31. Примените свои знания.
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.
Карбонат-ион доказывают действием кислоты: к образцу (известняк, мрамор, кальцит) приливают соляную кислоту — наблюдается «вскипание» из-за выделения углекислого газа:
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
Полное ионное: CaCO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑
Сокращённое ионное: CaCO₃ + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑ (CaCO₃ — нерастворимая соль, записывается формулой).
Для подтверждения выделяющийся газ пропускают через известковую воду — она мутнеет: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (ионное: Ca²⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O). Значит, газ — CO₂, а исходное вещество содержит карбонат.
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
Полное ионное: CaCO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑
Сокращённое ионное: CaCO₃ + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑ (CaCO₃ — нерастворимая соль, записывается формулой).
Для подтверждения выделяющийся газ пропускают через известковую воду — она мутнеет: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (ионное: Ca²⁺ + 2OH⁻ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O). Значит, газ — CO₂, а исходное вещество содержит карбонат.
§ 31. Примените свои знания.
5. Охарактеризуйте свойства оксида кальция как основного оксида. Ответ подтвердите уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.
Оксид кальция CaO (негашёная известь) — твёрдое белое вещество, типичный основный оксид. Его свойства:
1) реагирует с водой, образуя щёлочь (гашение извести, выделяется много теплоты):
CaO + H₂O = Ca(OH)₂
Ионное: CaO + H₂O = Ca²⁺ + 2OH⁻
2) реагирует с кислотами, образуя соль и воду:
CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O
Ионное полное: CaO + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O; сокращённое: CaO + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O
3) реагирует с кислотными оксидами, образуя соли:
CaO + CO₂ = CaCO₃; CaO + SiO₂ = CaSiO₃ (при нагревании)
(ионных уравнений нет — вещества не электролиты).
1) реагирует с водой, образуя щёлочь (гашение извести, выделяется много теплоты):
CaO + H₂O = Ca(OH)₂
Ионное: CaO + H₂O = Ca²⁺ + 2OH⁻
2) реагирует с кислотами, образуя соль и воду:
CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O
Ионное полное: CaO + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O; сокращённое: CaO + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O
3) реагирует с кислотными оксидами, образуя соли:
CaO + CO₂ = CaCO₃; CaO + SiO₂ = CaSiO₃ (при нагревании)
(ионных уравнений нет — вещества не электролиты).
§ 31. Примените свои знания.
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)
1) Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑ (или Ca + Cl₂ = CaCl₂);
2) CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl; ионное: Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; сокращённое: Ca²⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓;
3) CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при нагревании, обжиг);
4) CaO + H₂O = Ca(OH)₂;
5) Ca(OH)₂ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂O; ионное сокращённое: OH⁻ + H⁺ = H₂O;
6) Ca(NO₃)₂ + 2NaF = CaF₂↓ + 2NaNO₃; ионное: Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2Na⁺ + 2F⁻ = CaF₂↓ + 2Na⁺ + 2NO₃⁻; сокращённое: Ca²⁺ + 2F⁻ = CaF₂↓.
б)
1) BaCO₃ = BaO + CO₂↑ (при нагревании);
2) BaO + H₂O = Ba(OH)₂;
3) Ba(OH)₂ + 2HCl = BaCl₂ + 2H₂O; ионное сокращённое: OH⁻ + H⁺ = H₂O;
4) 3BaCl₂ + 2Na₃PO₄ = Ba₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl; ионное: 3Ba²⁺ + 6Cl⁻ + 6Na⁺ + 2PO₄³⁻ = Ba₃(PO₄)₂↓ + 6Na⁺ + 6Cl⁻; сокращённое: 3Ba²⁺ + 2PO₄³⁻ = Ba₃(PO₄)₂↓.
1) Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑ (или Ca + Cl₂ = CaCl₂);
2) CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl; ионное: Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; сокращённое: Ca²⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓;
3) CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при нагревании, обжиг);
4) CaO + H₂O = Ca(OH)₂;
5) Ca(OH)₂ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂O; ионное сокращённое: OH⁻ + H⁺ = H₂O;
6) Ca(NO₃)₂ + 2NaF = CaF₂↓ + 2NaNO₃; ионное: Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2Na⁺ + 2F⁻ = CaF₂↓ + 2Na⁺ + 2NO₃⁻; сокращённое: Ca²⁺ + 2F⁻ = CaF₂↓.
б)
1) BaCO₃ = BaO + CO₂↑ (при нагревании);
2) BaO + H₂O = Ba(OH)₂;
3) Ba(OH)₂ + 2HCl = BaCl₂ + 2H₂O; ионное сокращённое: OH⁻ + H⁺ = H₂O;
4) 3BaCl₂ + 2Na₃PO₄ = Ba₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl; ионное: 3Ba²⁺ + 6Cl⁻ + 6Na⁺ + 2PO₄³⁻ = Ba₃(PO₄)₂↓ + 6Na⁺ + 6Cl⁻; сокращённое: 3Ba²⁺ + 2PO₄³⁻ = Ba₃(PO₄)₂↓.
§ 31. Примените свои знания.
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.
Дано: m(смеси) = 9,8 г; V(газа) = 0,896 л (н. у.); m(остатка) = 2,1 г.
Найти: w(CaCO₃), w(Ca(OH)₂), w(CaSO₄) — ?
Решение: с соляной кислотой реагируют карбонат и гидроксид кальция; сульфат кальция малорастворим и не реагирует, поэтому остаток — это CaSO₄: m(CaSO₄) = 2,1 г. Газ — CO₂ — выделяется только из карбоната:
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O (газа нет).
n(CO₂) = 0,896 л : 22,4 л/моль = 0,04 моль; n(CaCO₃) = n(CO₂) = 0,04 моль.
M(CaCO₃) = 40 + 12 + 48 = 100 г/моль; m(CaCO₃) = 0,04 моль · 100 г/моль = 4 г.
m(Ca(OH)₂) = 9,8 − 4 − 2,1 = 3,7 г.
w(CaCO₃) = 4 : 9,8 · 100 % = 40,8 %; w(Ca(OH)₂) = 3,7 : 9,8 · 100 % = 37,8 %; w(CaSO₄) = 2,1 : 9,8 · 100 % = 21,4 %.
Ответ: 40,8 % CaCO₃; 37,8 % Ca(OH)₂; 21,4 % CaSO₄.
Найти: w(CaCO₃), w(Ca(OH)₂), w(CaSO₄) — ?
Решение: с соляной кислотой реагируют карбонат и гидроксид кальция; сульфат кальция малорастворим и не реагирует, поэтому остаток — это CaSO₄: m(CaSO₄) = 2,1 г. Газ — CO₂ — выделяется только из карбоната:
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O (газа нет).
n(CO₂) = 0,896 л : 22,4 л/моль = 0,04 моль; n(CaCO₃) = n(CO₂) = 0,04 моль.
M(CaCO₃) = 40 + 12 + 48 = 100 г/моль; m(CaCO₃) = 0,04 моль · 100 г/моль = 4 г.
m(Ca(OH)₂) = 9,8 − 4 − 2,1 = 3,7 г.
w(CaCO₃) = 4 : 9,8 · 100 % = 40,8 %; w(Ca(OH)₂) = 3,7 : 9,8 · 100 % = 37,8 %; w(CaSO₄) = 2,1 : 9,8 · 100 % = 21,4 %.
Ответ: 40,8 % CaCO₃; 37,8 % Ca(OH)₂; 21,4 % CaSO₄.
§ 31. Используйте дополнительную информацию.
8. Щелочные металлы получают электролизом расплавов их гидроксидов — щелочей. Для получения щёлочноземельных металлов используют электролиз расплавов их солей. Как вы думаете, почему для этих целей не годятся гидроксиды щёлочноземельных металлов?
Напишите уравнение электролиза расплава хлорида кальция.
Гидроксиды щелочных металлов (NaOH, KOH) плавятся при сравнительно невысоких температурах (около 320–360 °C) и в расплаве устойчивы. Гидроксиды щёлочноземельных металлов — малорастворимые или умеренно растворимые вещества, которые при нагревании разлагаются на оксид и воду раньше, чем плавятся: Ca(OH)₂ = CaO + H₂O (Mg(OH)₂ = MgO + H₂O). Поэтому расплав гидроксида получить нельзя, а электролиз нужен именно расплава. Используют соли — хлориды, которые плавятся без разложения.
Электролиз расплава хлорида кальция:
CaCl₂ = Ca + Cl₂↑ (электролиз расплава)
Катод (−): Ca²⁺ + 2ē → Ca⁰ (восстановление); анод (+): 2Cl⁻ − 2ē → Cl₂⁰ (окисление).
Электролиз расплава хлорида кальция:
CaCl₂ = Ca + Cl₂↑ (электролиз расплава)
Катод (−): Ca²⁺ + 2ē → Ca⁰ (восстановление); анод (+): 2Cl⁻ − 2ē → Cl₂⁰ (окисление).
§ 31. Используйте дополнительную информацию.
9. Подготовьте сообщение об истории открытия одного из щелочных металлов, о его свойствах и применении.
Сообщение: калий. Соединения калия (поташ K₂CO₃ из золы растений, селитра KNO₃) были известны давно. Свободный калий в 1807 г. получил английский химик Хамфри Дэви электролизом слегка увлажнённого расплавленного гидроксида калия; это был первый металл, выделенный с помощью электрического тока. По легенде, увидев на катоде шарики металла, вспыхивающие на воздухе, Дэви пришёл в восторг. Название происходит от арабского «алкали» (зола растений). Калий — мягкий серебристо-белый металл (плотность 0,86 г/см³, t пл. 63 °C), легче воды. Это сильный восстановитель: на воздухе мгновенно окисляется, с водой реагирует со взрывом (2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑), поэтому хранится под керосином. Пламя окрашивает в фиолетовый цвет. Калий — биогенный элемент: нужен растениям и животным (работа клеток, нервной системы и сердца), поэтому важнейшее применение — калийные удобрения (KCl, KNO₃, K₂SO₄). Гидроксид калия используют для производства жидкого мыла и электролита щелочных аккумуляторов, перманганат калия — как антисептик. Оговорка: задание в книге повторяет формулировку § 30; выбор металла свободный.