И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007

Занятие 21
10-й класс (первый год обучения)
Металлы IIa подгруппы. Жесткость воды

Металлы IIа подгруппы

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названия.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Важнейшие соединения: оксиды, гидроксиды, соли.

6. Качественные реакции.

7. Нахождение в природе.

8. Основные методы получения.

В состав IIа подгруппы периодической системы входят бериллий, магний, щелочно-земельные металлы – кальций, стронций, барий, а также радий – радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов. Бериллий по своим свойствам похож на алюминий, а магний – на литий (проявление диагонального сходства). Свое название щелочно-земельные металлы получили потому, что их гидроксиды обладают щелочными свойствами, а оксиды по тугоплавкости похожи на оксиды тяжелых металлов, которые раньше называли «землями». На внешнем уровне атомы элементов IIа подгруппы содержат два валентных s-электрона; вниз по подгруппе увеличивается радиус атома, уменьшается энергия ионизации, что приводит к усилению металлических свойств и восстановительной активности металлов.

Металлы IIa подгруппы проявляют в соединениях валентность II и степень окисления +2; они легко отдают два валентных электрона, превращаясь в катион M⁺². Преобладающий тип связи в соединениях – ионная, хотя для соединений бериллия и некоторых соединений магния характерен ковалентный полярный тип связи, что объясняется сравнительно высокой электроотрицательностью этих металлов.

Бериллий получил свое название от греч. beryllos (по зеленой окраске минерала изумруд, в состав которого входит бериллий). Название магния образовано от названия минерала гидромагнезит, содержащего этот металл и найденного греками около г. Магнезия в Малой Азии (ныне г. Манис в Турции). Кальций в переводе с латинского означает камень, известняк. Стронций получил свое название в честь деревни Строншиан в шотландском графстве Аргайлл, где впервые был обнаружен минерал стронцианит, содержащий этот металл. Название бария произошло от греческого слова barys (тяжелый) благодаря большой плотности минерала барита (BaSO₄). Название радия связано с его радиоактивностью и происходит от латинского слова radius (луч).

Металлы IIа подгруппы имеют серебристо-белый цвет, они хорошие проводники тепла и электричества; их температуры плавления и плотности выше, чем у щелочных металлов. Металлы IIа подгруппы тверже и тяжелее, чем щелочные (самый мягкий из них – барий – по твердости близок к свинцу). Однако у всех этих металлов, кроме радия, плотность менее 5 г/см³, поэтому они считаются легкими.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Металлы IIа подгруппы являются активными металлами и сильными восстановителями.

Уравнения реакций

H₂(+/–):*

Be + H₂ нет реакции.

O₂(+):

Металлы (–).

Неметаллы (+):

H₂O (+/–):

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂,

Be + H₂O нет реакции.

Основные оксиды (–/+):

CuO + Ca нет реакции,

Кислотные оксиды (–/+):

Основания (–/+):

Ca + NaOH нет реакции,

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂.

Кислоты-неокислители (+):

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂.

Кислоты-окислители (+/–):

4Mg + 10HNO₃ (конц.) = 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O,

4Mg + 10HNO₃ (оч. разб.) = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O,

4Mg + 9HNO₃ (разб.) = 4Mg(NO₃)₂ + NH₃ + 3H₂O,

4Mg + 5H₂SO₄ (конц.) = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O,

Соли (+/–):

Mg + CuCl₂ = Cu + MgCl₂,

Mg + NaCl нет реакции.

В а ж н е й ш и е  с о е д и н е н и я

Оксиды – белые тугоплавкие вещества ионного (кроме ВеО) строения, обладают основными свойствами (ВеО – амфотерными), реагируют с кислотами, кислотными оксидами, некоторыми металлами и неметаллами, водой (оксиды Be и Mg не взаимодействуют с водой на холоде, но взаимодействуют с водяным паром):

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O,

CaO + H₂O = Ca(OH)₂,

MgO + H₂O (пар) = Mg(OH)₂.

Оксид бериллия обладает амфотерными свойствами:

BeO + 2HCl = BeCl₂ + H₂O,

Получают оксиды окислением металлов или (чаще) термическим разложением карбонатов и гидроксидов:

Гидроксиды – белые порошкообразные вещества с ионным типом связи (кроме гидроксида бериллия), плохо растворимые в воде (кроме гидроксида бария), проявляют основные свойства (гидроксид бериллия амфотерен). При нагревании они разлагаются, взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, солями:

Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O,

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O,

Ca(OH)₂ + CuCl₂ = Cu(OH)₂ + CaCl₂.

Гидроксид бериллия проявляет амфотерные свойства:

Be(OН)₂ + 2HCl = BaCl₂ + 2H₂O,

Гидроксиды магния и бериллия получают обменной реакцией соли со щелочью:

MgCl₂ + 2NaOH = Mg(OH)₂ + 2NaCl.

Гидроксиды щелочно-земельных металлов получают растворением соответствующего оксида в воде:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Кроме того, для получения гидроксидов элементов IIа подгруппы можно использовать реакции гидролиза гидридов, карбидов и других бинарных соединений соответствующего элемента:

CaH₂ + 2HOH = Ca(OH)₂ + 2H₂,

CaC₂ + 2HOH = Ca(OH)₂ + C₂H₂.

Соли – хлориды, бромиды и нитраты хорошо растворимы в воде. Соли, образованные слабой кислотой, имеют щелочную реакцию среды вследствие гидролиза; соли, образованные сильной кислотой, не гидролизуются. Некоторые соли щелочно-земельных металлов разлагаются при нагревании, например:

Ca(HCO₃)₂ + HOH = Ca(OH)₂ + H₂O + 2CO₂,

CaCl₂ + HOH не гидролизуется,

К а ч е с т в е н н ы е  р е а к ц и и  н а  и о н ы  м е т а л л о в
II а  п о д г р у п п ы

Наличие иона магния можно определить с помощью гидроксид-иона или карбонат-иона:

Mg²⁺ + 2OH^– Mg(OH)₂,

Mg²⁺ + MgCO₃.

Наличие иона кальция можно определить с помощью карбонат-иона или по изменению окраски пламени на темно-оранжевую:

Ca²⁺ + CaCO₃.

Наличие иона стронция можно определить по изменению окраски пламени на красно-малиновую.

Наличие иона бария можно определить с помощью сульфат-иона или по изменению окраски пламени на зеленую:

Ba²⁺ + BaSO₄.

В природе металлы IIа подгруппы встречаются только в виде соединений, важнейшими из которых являются: доломит (CaCO₃•MgCO₃), магнезит (MgCO₃), гипс (CaSO₄•2H₂O), барит (BaSO₄), мел, мрамор, известняк (CaCO₃), фосфорит (Ca₃(PO₄)₂), стронцианит (SrCO₃).

П о л у ч е н и е

Чистые металлы получают электролизом расплавов солей:

восстановлением из оксидов:

Стронций и барий получают чаще всего алюмотермией:

Эти соединения надо з а п о м н и т ь: негашеная известь – CaO, гашеная известь – Ca(OH)₂, известковая вода – Ca(OH)₂ (насыщ. р-р), баритова вода – Ba(OH)₂, мел, мрамор, известняк –
CaCO₃, горькая (английская) соль – MgSO₄•7H₂O, гипс CaSO₄•2H₂O.

Жесткость воды и способы ее устранения

П л а н

1. Жесткость воды.

2. Временная (карбонатная) жесткость и способы ее устранения.

3. Постоянная жесткость. Известково-содовый и катионитный способ устранения постоянной жесткости.

4. Количественное выражение общей жесткости.

5. Характеристика воды по степени жесткости.

6. Свойства жесткой воды.

Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция и магния. Анионами растворимых солей кальция и магния могут быть гидрокарбонат-ионы, сульфат-ионы и хлорид-ионы. Различают временную (карбонатную) и постоянную жесткость.

Временная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Временная жесткость легко устраняется кипячением:

Постоянная жесткость обусловлена наличием в воде сульфатов, хлоридов и других солей кальция и магния. Постоянную жесткость можно устранить, используя следующие способы.

а) Известково-содовый способ – к воде добавляют смесь гашеной извести и соды. При этом временная жесткость воды устраняется гашеной известью, а постоянная – содой:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O,

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCl.

б) Катионитный способ – воду пропускают через колонку, заполненную катионитом (катиониты – твердые вещества, содержащие в своем составе подвижные катионы, способные обмениваться на ионы внешней среды) Na₂R, где R – анион. На катионите задерживаются ионы кальция и магния, а в раствор переходят ионы натрия, в результате чего жесткость воды уменьшается:

Na₂R + Ca²⁺ CaR + 2Na⁺,

Na₂R + Mg²⁺ MgR + 2Na⁺.

Через определенное время катионит необходимо регенерировать, т.е. восстановить первоначальные свойства. Для этого через катионообменные колонки пропускают насыщенный раствор поваренной соли, при этом происходят обратные процессы:

CaR + 2NaCl Na₂R + CaCl₂,

MgR + 2NaCl Na₂R + MgCl₂.

После такой промывки катионит снова можно использовать для умягчения воды.

Сумма временной и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды, которая количественно выражается числом ммоль эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся
в 1 л воды (таблица).

Таблица

Характеристика воды по степени жесткости

В жесткой воде плохо развариваются продукты, т.к. катионы кальция образуют нерастворимые соединения, взаимодействуя с белками пищи; плохо завариваются чай, кофе; плохо мылится мыло из-за присутствия мало растворимых в воде стеаратов кальция и магния. Постоянное употребление жесткой воды может привести к отложению солей в организме человека.

Тест по теме «Металлы
IIа подгруппы. Жесткость воды»

1. Соединение Ca(OH)₂ называют:

а) известняком;

б) хлорной известью;

в) гашеной известью;

г) негашеной известью.

2. Какие из перечисленных веществ при взаимодействии с водой образуют раствор, в котором лакмус имеет синюю окраску?

а) Гидроксид кальция; б) оксид фосфора(V);

в) карбонат калия; г) барий.

3. В образце известняка содержится 4,8 г атомов кислорода. Количество вещества (в моль) известняка составляет:

а) 3; б) 0,3; в) 0,9; г) 0,1.

4. На смесь оксида и пероксида бария подействовали избытком серной кислоты. После отделения осадка было получено 300 мл раствора, к пробе которого объемом 3 мл по каплям добавляли раствор перманганата калия до прекращения выделения кислорода. Объем кислорода составил
67,2 мл. Молярная концентрация (в моль/л) полученного раствора пероксида водорода равна:

а) 1; б) 100; в) 0,01; г) 0,03.

5. Временная жесткость воды обусловлена наличием ионов:

а) Ca²⁺; б) в) г) Mg²⁺.

6. Сумма всех коэффициентов в реакции взаимодействия кальция с избытком разбавленной азотной кислоты равна:

а) 42; б) 21; в) 5; г) 22.

7. Расположите данные химические элементы в порядке возрастания энергии ионизации:

а) бериллий; б) кальций;

в) калий; г) алюминий.

8. Индивидуальным веществом является:

а) негашеная известь; б) баритова вода;

в) стекло; г) гидроксид кальция.

9. Общую жесткость воды можно устранить:

а) кипячением;

б) известково-содовым способом;

в) катионитным способом;

г) декантацией.

10. Исключите «лишний» элемент в ряду:

а) магний; б) кальций;

в) стронций; г) барий.

Ключ к тесту

Задачи и упражнения на металлы IIа подгруппы

Цепочки превращений

1. Карбонат кальция оксид кальция гидроксид кальция карбонат кальция нитрат кальция.

2. Магний сульфат магния нитрат магния оксид магния ацетат магния.

3. Хлорид кальция сульфат кальция сульфид кальция сульфат кальция гидроксид кальция оксид кальция гидрокарбонат кальция.

4. Магний оксид магния гидроксид магния хлорид магния гидроксокарбонат магния сульфат магния гидроксид магния.

5. Сульфид магния оксид магния … гидроксид магния … нитрат магния.

6. Кальций гидроксид кальция карбонат кальция оксид кальция карбид кальция
гидроксид кальция гидрокарбонат кальция.

Расчетные задачи

У р о в е н ь  А

1. При взаимодействии 13,7 г металла с водой выделяется 2,24 л газа (н. у.). Определите металл. Какой осадок и в каком количестве образуется, если к полученному раствору прибавить избыток сульфата натрия?

Решение

Газ (H₂) выделяется при взаимодействии M Ia и IIa подгрупп с водой.

По закону эквивалентов:

Если М Ia подгруппы, то

A_r(M) = Э•валентность = 68,5 (нет такого металла).

Если М IIa подгруппы, то

A_r(M) = Э•валентность = 137 (Ba).

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂,

Ba(OH)₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄ + 2NaOH,

(BaSO₄) = (Ba(OH)₂) = (Ba) = = 0,1 моль,

m(BaSO₄) = •M = 0,1•233 = 23,3 г.

Ответ. Металл – Ba; m(BaSO₄) = 23,3 г.

2. Какой объем 0,5М раствора гидроксида кальция необходимо добавить к 81 г 10%-го раствора (плотность 1 г/см³) гидрокарбоната кальция для полноты образования осадка? Определите массу осадка.

Ответ. 100 мл Ca(OH)₂, 10 г СaCO₃.

3. На раствор, содержащий 23,3 г смеси сульфата и хромата калия, подействовали избытком хлорида бария. Осадок отфильтровали, промыли, а затем к нему добавили избыток соляной кислоты. Часть осадка растворилась, оставшуюся часть отфильтровали, промыли и просушили. Масса осадка после просушивания составила 23,3 г. Определите состав исходной смеси.

Ответ. 17,4 г K₂SO₄ и 5,9 г K₂CrO₄.

4. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов 1:3:4 (в порядке перечисления). Какой объем воды может вступить в химическое взаимодействие с 35 г такой смеси?

Ответ. 17,568 мл.

5. Растворимость гидроксида стронция в воде при 100 °С равна 28 г, а при 25 °С – 1 г на 100 г воды. 200 г раствора гидроксида стронция, насыщенного при 100 °С, охладили до 25 °С. Найдите массу октагидрата гидроксида стронция, выпавшего в осадок при охлаждении раствора.

Ответ. 93,08 г Sr(OH)₂•8H₂O.

У р о в е н ь  Б

1. Некоторую массу кристаллогидрата карбоната магния прокаливали до прекращения выделения газов. Последние были пропущены через промывные склянки с концентрированной серной кислотой и известковой водой. Масса первой склянки увеличилась на 1,8 г, а во второй выпало 2 г осадка. Определите состав исходного кристаллогидрата и его массу.

Ответ. Пентагидрат MgCO₃•5H₂O; 3,48 г.

2. Молярное соотношение карбоната, гидрокарбоната и нитрата кальция в смеси массой 100 г равно 1:2:3 (в порядке перечисления). Какой объем при 1200 °С и нормальном давлении займут газообразные продукты разложения этой смеси?

Решение

Уравнения реакций разложения компонентов смеси:

По условию задачи:

(CaCO₃) : (Ca(HCO₃)₂) : (Ca(NO₃)₂) = 1 : 2 : 3.

Пусть (CaCO₃) = x моль.

Тогда (Ca(HCO₃)₂) = 2x;

(Ca(NO₃)₂) = 3x;

100х + 162•2х + 164•3х = 100,

х 0,109 моль.

При р = 101,3 кПа и t = 1200 °C в газообразном состоянии выделяется:

СО₂ по уравнению (1):

¹(CO₂) = (CaCO₃) = x = 0,109 моль;

H₂O, СО₂ по уравнению (2):

²(H₂O) = (Ca(HCO₃)₂) = 2x = 0,218 моль,

²(CO₂) = 2(Ca(HCO₃)₂) = 4x = 0,436 моль;

О₂ по уравнению (3):

³(O₂) = (Ca(NO₃)₂) = 3x = 0,327 моль.

Суммарное количество молей газообразных продуктов разложения:

= 0,109 + 0,218 + 0,436 + 0,327 = 1,09 моль (н.у.).

Из уравнения состояния идеальных газов находим объем:

pV = RT,

Ответ. V = 131,8 л.

3. Смесь равных количеств гидроксида и карбоната двухвалентного металла прокалили. Масса твердого остатка оказалась меньше массы исходной смеси в 1,775 раза. К этому остатку добавили в 10 раз большую массу 5%-го раствора серной кислоты. Рассчитайте массовые доли веществ в образовавшемся растворе.

Ответ. 6% MgSO₄.

4. При обработке водой смеси гидрида и нитрида двухвалентного металла с равными массовыми долями образовалась газовая смесь с плотностью по водороду 2,658. Установите металл, входящий в состав соединений (при расчетах цифры не округлять!).

Ответ. Кальций.

5. Магниевую пластинку массой 16 г опустили в 16%-й раствор сульфата меди(II) массой 350 г. Когда пластинку извлекли, массовые доли содержащихся в растворе солей оказались одинаковыми. Во сколько раз увеличилась масса пластинки?

Ответ. В 4,5 раза.

Качественные задачи

1. С какими из данных веществ будет взаимодействовать гидроксид магния: соляная кислота, азотная кислота, углекислый газ, хлорид натрия, гидроксид бария, серная кислота, оксид меди(II)?

Ответ. HCl, HNO₃, H₂SO₄.

2. В склянках без этикеток находятся сода, мел, гипс и сульфат натрия. Как с помощью воды и азотной кислоты можно распознать эти вещества?

Ответ.

3. Вещество А – легкий, довольно твердый серебристо-белый металл. При взаимодействии вещества А с В, являющимся простым газообразным веществом, образуется соединение С, растворимое в воде с образованием щелочного раствора. При обработке вещества С серной кислотой образуется соль, кристаллогидрат которой применяется в медицине для наложения фиксирующих повязок при переломах. Приведите уравнения реакций.

Ответ. А – Ca; B – H₂; С – CaH₂;
кристаллогидрат – CaSO₄•2H₂O.

4. Вещество А – оксид, растворимый в воде с образованием щелочного раствора. Соединение В, находящееся в таком растворе, реагирует с газом С, не имеющим запаха, с образованием белого осадка, который постепенно растворяется по мере дальнейшего пропускания газа С. Приведите уравнения реакций, идентифицируйте вещества.

Ответ. А – CaO, BaO; B – Ca(OH)₂, Ba(OH)₂; С – CO₂.

5. Вещество А, входящее в состав одного из самых распространенных в земной коре минералов, разлагается при высокой температуре на два оксида, один из которых В всегда образуется в процессе жизнедеятельности. При взаимодействии вещества В с графитом при нагревании получается токсичный для теплокровных животных газ С, без цвета и запаха, горючий. Приведите уравнения реакций, идентифицируйте вещества.

Ответ. А – CaСO₃; B – CO₂; С – CO.

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует