18.4: Група 2A Елементи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 106108

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Щоб описати, як виділяють лужноземельні метали.
Бути знайомим з реакціями, сполуками та комплексами лужноземельних металів.

Як і лужні метали, лужноземельні метали настільки реактивні, що вони ніколи не зустрічаються в елементарній формі в природі. Оскільки вони утворюють +2 іони, які мають дуже негативні потенціали відновлення, для виділення їх з руд потрібна велика кількість енергії. Чотири з шести елементів групи 2 - магній (Mg), кальцій (Ca), стронцій (Sr) та барій (Ba) - були вперше виділені на початку 19 століття сером Хамфрі Деві, використовуючи техніку, подібну до тієї, яку він використовував для отримання перших лужних металів. Однак, на відміну від лужних металів, сполуки лужноземельних металів були визнані унікальними протягом багатьох століть. Насправді назва лугу походить від арабського al-qili, що означає «попіл», який, як відомо, нейтралізує кислоти. Середньовічні алхіміки виявили, що частина золи буде танути при нагріванні, і ці речовини пізніше були ідентифіковані як карбонати натрію і калію (\(M_2CO_3\)). Зола, яка не плавилася (але розчинялася в кислоті), спочатку називалася лужноземними, згодом була ідентифікована як лужноземельні оксиди (МО). У 1808 році Деві зміг отримати чисті зразки Mg, Ca, Sr і Ba шляхом електролізу їх хлоридів або оксидів.

Берилій (Be), найлегший лужноземельний метал, вперше був отриманий в 1828 році Фрідріхом Велером в Німеччині і одночасно Антуаном Бюссі у Франції. Метод, який використовували обидва чоловіки, полягав у зниженні хлориду сильнодіючим «новим» відновником, калієм:

\[\mathrm{BeCl_2(s)}+\mathrm{2K(s)}\xrightarrow\Delta\mathrm{Be(s)}+\mathrm{2KCl(s)} \label{Eq1}\]

Радій був відкритий в 1898 році П'єром і Марією Кюрі, які переробляли тонни залишку з уранових шахт, щоб отримати близько 120 мг майже чистого\(RaCl_2\). Марі Кюрі була удостоєна Нобелівської премії з хімії в 1911 році за своє відкриття. Через низьку кількість і високу радіоактивність, однак, радій має мало застосувань.

Отримання лужноземельних металів

Лужноземельні метали отримують для промислового використання електролітичним відновленням їх розплавлених хлоридів, як зазначено в цьому рівнянні для кальцію:

\[CaCl_{2\;(l)} \rightarrow Ca_{(l)} + Cl_{2\;(g)} \label{Eq2}\]

Хлориди металів групи 2 отримують з різних джерел. Наприклад,\(BeCl_2\) отримують шляхом взаємодії\(HCl\) з бериллією (\(BeO\)), яку отримують з напівдорогоцінного каменю берил\([Be_3Al_2(SiO_3)_6]\).

Кристал берилу. Берил - дорогоцінний камінь і важливе джерело берилію.

Хімічні відновники також можуть бути використані для отримання елементів групи 2. Наприклад, магній отримують у великих масштабах шляхом нагрівання форми вапняку під назвою доломіт (CaCo ₃ ·MgCo ₃) з недорогим сплавом залізо/кремній при 1150°С Спочатку\(CO_2\) виділяється, залишаючи після себе суміш\(CaO\) і MgO; Mg ² ⁺ є потім зменшують:

\[2CaO·MgO_{(s)} + Fe/Si_{(s)} \rightarrow 2Mg(l) + Ca_2SiO_{4\;(s)} + Fe(s) \label{Eq3}\]

Раннім джерелом магнію була руда під назвою магнезит (\(MgCO_3\)) з району північної Греції під назвою Магнезія. Стронцій був отриманий із стронтіанита (\(SrCO_3\)), знайденого в свинцевій шахті в містечку Стронтіан в Шотландії. Лужноземельні метали дещо легше ізолювати зі своїх руд, в порівнянні з лужними металами, оскільки їх карбонат і деякі сульфатні та гідроксидні солі нерозчинні.

Кристал стронтіанита. І стронтіаніт, одна з найважливіших руд стронцію, і стронцій названі на честь міста Стронціан, Шотландія, розташування однієї з перших шахт для стронцієвих руд.

Загальні властивості лужноземельних металів

Кілька важливих властивостей лужноземельних металів зведені в табл\(\PageIndex{1}\). Хоча багато з цих властивостей подібні до властивостей лужних металів (Таблиця\(\PageIndex{1}\)), певні ключові відмінності пояснюються відмінностями валентних електронних конфігурацій двох груп (ns ² для лужноземельних металів проти ns ¹ для лужних металів).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Вибрані властивості елементів групи 2
	Берилій	Магній	Кальцій	Стронцій	Барій	Радій
*Цитовані значення призначені для шестикоординатних іонів, крім Be ² ⁺, для яких задано значення чотирикоординатного іона.
атомний символ	Бути	Мг	Ca	Sr	Ба	Ра
атомний номер	4	12	20	38	56	88
атомна маса	9.01	24.31	40.08	87.62	137.33	226
валентна електронна конфігурація	2 с ²	3s ²	4 с ²	5s ²	6s ²	7s ²
температура плавлення/температура кипіння (° C)	1287/2471	650/1090	842/1484	777/1382	727/1897	700/—
щільність (г/см ³) при 25° C	1,85	1.74	1.54	2.64	3.62	~5
атомний радіус (пм)	112	145	194	219	253	—
перша енергія іонізації (кДж/моль)	900	738	590	549	503	—
найпоширеніший ступінь окислення	+2	+2	+2	+2	+2	+2
іонний радіус (пм) *	45	72	100	118	135	—
спорідненість до електронів (кДж/моль)	≥ 0	≥ 0	−2	−5	−14	—
електронегативність	1.6	1.3	1.0	1.0	0.9	0.9
стандартний електродний потенціал (Е°, В)	−1,85	−2.37	−2.87	−2.90	−2.91	−2.8
продукт реакції з О ₂	БеО	MgO	СаО	СрО	БаО ₂	—
тип оксиду	амфотерних	слабо основний	основні	основні	основні	—
продукт реакції з N ₂	жоден	_{Мг 3} Н ₂	_{Каб 3} Н ₂	Ср ₃ Н ₂	Бар ₃ N ₂	—
продукт реакції з X ₂	Бекс ₂	МГх ₂	Сах ₂	sRx ₂	BAx ₂	—
продукт реакції з Н ₂	жоден	мГг ₂	Ач ₂	СРГ ₂	Бах ₂	—

Як і у лужних металів, атомні та іонні радіуси лужноземельних металів плавно збільшуються від Be до Ba, а енергії іонізації зменшуються. Як і слід було очікувати, перша енергія іонізації лужноземельного металу з конфігурацією валентних електронів ns ² завжди значно більша, ніж енергія лужного металу, безпосередньо передує їй. Однак елементи групи 2 виявляють деякі аномалії. Наприклад, щільність Са менше, ніж у Be і Mg, двох найлегших представників групи, а Mg має найнижчі температури плавлення і кипіння. На відміну від лужних металів, найважчий лужноземельний метал (Ba) є найсильнішим відновником, а найлегший (Be) - найслабшим. Стандартні електродні потенціали Ca і Sr не сильно відрізняються від потенціалів Ba, вказуючи на те, що протилежні тенденції енергій іонізації та енергій гідратації мають приблизно однакове значення.

Однією з основних відмінностей між елементами групи 1 і групи 2 є їх електронна спорідненість. З їх наполовину заповненими ns орбіталями лужні метали мають значну спорідненість до додаткового електрона. На відміну від цього, лужноземельні метали, як правило, мають мало або зовсім не схильні приймати додатковий електрон, оскільки їх ns валентні орбіталі вже заповнені; доданий електрон повинен займати одну з вакантних орбіталей np, які набагато вищі за енергією.

Реакції та сполуки лужноземельних металів

При їх низькій першій і другій енергіях іонізації елементи групи 2 майже виключно утворюють іонні сполуки, які містять іони М ² ⁺. Однак, як і очікувалося, найлегший елемент (Be), з його вищою енергією іонізації та малими розмірами, утворює сполуки, які в значній мірі ковалентні. Деякі сполуки Mg ² ⁺ також мають значний ковалентний характер. Отже, металоорганічні сполуки, подібні до тих, що обговорюються для Li в групі 1, також важливі для Be та Mg у групі 2.

Елементи групи 2 майже виключно утворюють іонні сполуки, що містять іони М ² ⁺.

Всі лужноземельні метали енергійно реагують з галогенами (група 17), утворюючи відповідні галогеніди (MX ₂). За винятком галогенідів берилію, всі ці сполуки мають переважно іонну природу, містять катіон M ² ⁺ та два X ⁻ аніони. Галогеніди берилію з властивостями, більш характерними для ковалентних сполук, мають полімерну галогенідно-мостовидну структуру в твердому стані, як показано для BeCl ₂. Ці сполуки є летючими, утворюючи пари, які містять лінійні молекули X—Be—X, передбачені моделлю відштовхування електронної пари валентної оболонки (VSEPR). Як і очікувалося для сполук з лише чотирма валентними електронами навколо центрального атома, галогеніди берилію є потужними кислотами Льюїса. Вони легко реагують з основами Льюїса, такими як ефіри, утворюючи чотиригранні аддукти, в яких центральний берилій оточений октетом електронів:

\[ BeCl_{2(s)} + 2(CH_3CH_2)_2O_{(l)} \rightarrow BeCl_2[O(CH_2CH_3)_2]_{2(soln)} \label{Eq4}\]

берилій chloride.jpg — Твердий хлорид берилію (BeCl ₂). Тверда речовина має полімерну, галогенно-мостоподібну структуру.

Через їх більш високу енергію іонізації і невеликих розмірів, як Be, так і Mg утворюють металоорганічні сполуки.

Реакції лужноземельних металів з киснем менш складні, ніж у лужних металів. Всі елементи групи 2, крім барію, реагують безпосередньо з киснем, утворюючи простий оксид МО. ^{Барій утворює пероксид барію (BaO ₂), оскільки більший іон O ₂ ²⁻ краще розділяє великі іони Ba ²⁺ у кристалічній решітці.} На практиці тільки BeO готується шляхом прямої реакції з киснем, і ця реакція вимагає тонкодисперсного Be і високих температур, оскільки Be відносно інертний. Інші лужноземельні оксиди зазвичай отримують термічним розкладанням карбонатних солей:

\[\mathrm{MCO_3(s)}\xrightarrow\Delta\mathrm{MO(s)}+\mathrm{CO_2(g)} \label{Eq5}\]

Реакції лужноземельних металів з важчими халькогенами (Y) подібні до реакцій лужних металів. При наявності реагентів у співвідношенні 1:1 утворюються бінарні халькогеніди (МГ); при нижчих співвідношеннях M:Y утворюються солі, що містять поліхалькогенідні іони (Y _n ²⁻).

На зворотному рівні оксиди Ca\(\ref{Eq5}\), Sr та Ba реагують зі CO ₂ для регенерації карбонату. За винятком BeO, який має значний ковалентний характер і тому є амфотерним, всі лужноземельні оксиди є основними. Таким чином, вони реагують з водою з утворенням гідроксидів—M (OH) ₂:

\[MO_{(s)} + H_2O_{(l)} \rightarrow M^{2+}_{(aq)} + 2OH^−_{(aq)} \label{Eq6}\]

і вони розчиняються у водній кислоті. Гідроксиди більш легких лужноземельних металів нерозчинні у воді, але їх розчинність збільшується у міру збільшення атомного номера металу. Оскільки BeO та MgO набагато інертніші, ніж інші оксиди 2 групи, вони використовуються як вогнетривкі матеріали в додатках, пов'язаних з високими температурами та механічними навантаженнями. Наприклад, MgO (температура плавлення = 2825° C) використовується для покриття нагрівальних елементів в електричних діапазонах.

Карбонати лужноземельних металів також вступають в реакцію з водною кислотою, _{даючи СО 2} і Н ₂ О:

\[MCO_{3(s)} + 2H^+_{(aq)} \rightarrow M^{2+}_{(aq)} + CO_{2(g)} + H_2O_{(l)} \label{Eq7}\]

Реакція в Equation\(\ref{Eq7}\) є основою антацидів, які містять MCO ₃, який використовується для нейтралізації надлишку шлункової кислоти.

Тенденція в реакційній здатності лужноземельних металів з азотом протилежна тій, що спостерігається для лужних металів. Тільки найлегший елемент (Be) не реагує легко з N ₂ з утворенням нітриду (M ₃ N ₂), хоча дрібнодисперсний Be буде реагувати при високих температурах. Вища енергія ґратки, обумовлена сильно зарядженими іонами M ² ⁺ та N ^{3 −}, мабуть, достатня для подолання хімічної інертності молекули N ₂ з її зв'язком NN. Аналогічно всі лужноземельні метали реагують з важчими елементами групи 15, утворюючи бінарні сполуки, такі як фосфіди та арсеніди, із загальною формулою M ₃ Z ₂.

Більш високі енергії решітки змушують лужноземельні метали бути більш реактивними, ніж лужні метали до елементів групи 15.

При нагріванні всі лужноземельні метали, крім берилію, вступають в реакцію безпосередньо з вуглецем з утворенням іонних карбідів із загальною формулою MC ₂. Найважливішим лужноземельним карбідом є карбід кальцію (CaC ₂), який легко реагує з водою з отриманням ацетилену. Протягом багатьох років ця реакція була первинним джерелом ацетилену для зварювання і ламп на шахтарських шоломах. На відміну від цього, берилій реагує з елементарним вуглецем, утворюючи Be ₂ C, який формально містить іон C ^{4 −} (хоча сполука є ковалентною). Відповідно до цієї рецептури, реакція Be ₂ C з водою або водною кислотою утворює метан:

\[Be_2C_{(s)} + 4H_2O_{(l)} \rightarrow 2Be(OH)_{2(s)} + CH_{4(g)} \label{Eq8}\]

Берилій не реагує з воднем, за винятком високих температур (1500° C), хоча BeH ₂ можна готувати при більш низьких температурах непрямим шляхом. Всі важчі лужноземельні метали (Mg через Ba) реагують безпосередньо з воднем для отримання бінарних гідридів (MH ₂). Гідриди важчих лужноземельних металів є іонними, але і BeH _{2, і MgH ₂} мають полімерні структури, що відображають значний ковалентний характер. Всі лужноземельні гідриди є хорошими відновниками, які швидко реагують з водою або водною кислотою з утворенням водневого газу:

\[CaH_{2(s)} + 2H_2O_{(l)} \rightarrow Ca(OH)_{2(s)} + 2H_{2(g)} \label{Eq9} \]

Як і лужні метали, важчі лужноземельні метали досить електропозитивні для розчинення в рідкому аміаку. Однак у цьому випадку на атом металу утворюються два сольватірованние електрони, і ніякі рівноваги за участю димерів металів або аніонів металів не відомі. Також, як і лужні метали, лужноземельні метали утворюють широкий спектр простих іонних солей з оксоаніонами, таких як карбонат, сульфат і нітрат. Нітратні солі, як правило, розчинні, але карбонати та сульфати важчих лужноземельних металів досить нерозчинні через більш високу енергію решітки завдяки подвійно зарядженому катіону та аніону. Розчинність карбонатів і сульфатів швидко зменшується вниз по групі, оскільки енергії гідратації зменшуються зі збільшенням розміру катіонів.

Розчинність лужноземельних карбонатів та сульфатів зменшується вниз по групі, оскільки енергії гідратації зменшуються.

Комплекси лужноземельних металів

Через більш високий позитивний заряд (+2) і менші іонні радіуси лужноземельні метали мають набагато більшу тенденцію до утворення комплексів з основами Льюїса, ніж лужні метали. Ця тенденція є найбільш важливою для найлегшого катіона (Be ² ⁺) і швидко зменшується зі збільшенням радіуса іона металу.

Лужноземельні метали мають значно більшу тенденцію до утворення комплексів з основами Льюїса, ніж лужні метали.

У хімії Be ² ⁺ переважає її поведінка як кислота Льюїса, утворюючи комплекси з основами Льюїса, які виробляють октет електронів навколо берилію. Наприклад, солі ^{Be ²⁺} розчиняються у воді з утворенням кислих розчинів, які містять чотиригранний іон [Be (H ₂ O) ₄] ²⁺. Завдяки високому співвідношенню заряду до радіуса, іон ^{Be ² +} поляризує координовані молекули води, тим самим підвищуючи їх кислотність:

\[ [Be(H_2O)_4]^{2+}_{(aq)} \rightarrow [Be(H_2O)_3(OH)]^+_{(aq)} + H^+_{(aq)} \label{Eq10}\]

Аналогічно, при наявності міцної основи берилій і його солі утворюють чотиригранний гідроксокомплекс: [Be (OH) ₄] ²⁻. Звідси оксид берилію амфотерний. Берилій також утворює дуже стабільний чотиригранний фторидний комплекс: [BeF ₄] ²⁻. Нагадаємо, що галогеніди берилію поводяться як кислоти Льюїса, утворюючи аддукти з основами Льюїса (Equation\(\ref{Eq4}\)).

Більш важкі лужноземельні метали також утворюють комплекси, але зазвичай з координаційним числом 6 і вище. Комплексне утворення є найбільш важливим для менших катіонів (Mg ² ⁺ і Ca ² ⁺). При цьому водні розчини Mg ² ⁺ містять октаедричний [Mg (H ₂ O) ₆] ²⁺ іон. Як і лужні метали, лужноземельні метали утворюють комплекси з нейтральними циклічними лігандами, такими як коронні ефіри та криптанди, розглянуті в розділі 21.3.

Металоорганічні сполуки, що містять елементи групи 2

Як і лужні метали, найлегші лужноземельні метали (Be і Mg) утворюють найбільш ковалентоподібні зв'язки з вуглецем, і вони утворюють найбільш стійкі металоорганічні сполуки. Металоорганічні сполуки магнію з формулою RmGx, де R - алкільна або арильна група, а X - галоген, повсюдно називаються реактивами Гріньара, на честь Віктора Гріньяра (1871—1935), французького хіміка, який їх відкрив. Реагенти Гріньяра можуть бути використані для синтезу різних органічних сполук, таких як спирти, альдегіди, кетони, карбонові кислоти, ефіри, тіоли та аміни.

Використання лужноземельних металів

Елементарний магній - єдиний лужноземельний метал, який виробляється у великих масштабах (близько 5 × 10 ⁵ тн на рік). Його низька щільність (1,74 г/см ³ в порівнянні з 7,87 г/см ³ для заліза і 2,70 г/см ³ для алюмінію) робить його важливим компонентом легких металевих сплавів, що використовуються в рамах літаків і деталей літаків і автомобільних двигунів (рис.\(\PageIndex{1}\)). Більшість комерційного алюмінію насправді містить близько 5% магнію для поліпшення його корозійної стійкості та механічних властивостей. Елементарний магній також служить недорогим і потужним відновником для отримання ряду металів, включаючи титан, цирконій, уран і навіть берилій, як показано в наступному рівнянні:

\[TiCl_{4\;(l)} + 2Mg(s) \rightarrow Ti_{(s)} + 2MgCl_{2\;(s)} \label{11}\]

Єдиною іншою лужною землею, яка широко використовується в якості металу, є берилій, який надзвичайно токсичний. Попадання берилію або вплив берилійсодержащего пилу викликає синдром, званий бериліозом, що характеризується сильним запаленням дихальних шляхів або інших тканин. Невеликий відсоток берилію різко підвищує міцність мідних або нікелевих сплавів, які використовуються в немагнітних, що не іскряться інструментах (таких як гайкові ключі та викрутки), пружинами камери, електричних контактах. Низький атомний номер берилію надає йому дуже низьку тенденцію до поглинання рентгенівських променів і робить його унікальним для застосувань, пов'язаних з радіоактивністю. Як елементний Be, так і BeO, який є високотемпературною керамікою, використовуються в ядерних реакторах, а вікна на всіх рентгенівських трубках і джерелах виготовлені з берилієвої фольги.

21.13.jpg — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Магнієві сплави легкі та стійкі до корозії. Оскільки магній приблизно в п'ять разів легше сталі і на 50% легше алюмінію, він довгий час вважався «матеріалом майбутнього», як показав у цій концепції 1950 року спортивний автомобіль Buick LeSabre, виготовлений майже повністю з магнію і алюмінієвих сплавів. Сучасні алюмінієві сплави зазвичай містять близько 5% магнію для поліпшення їх корозійної стійкості і механічних властивостей.

Щорічно використовуються мільйони тонн сполук кальцію. Як обговорювалося в попередніх розділах, CaCl ₂ використовується як «дорожня сіль» для зниження температури замерзання води на дорогах при холодних температурах. Крім того, CaCo ₃ є основним компонентом цементу і інгредієнтом багатьох комерційних антацидів. «Негашене вапно» (СаО), вироблене нагріванням CaCo ₃ (Equation\(\ref{Eq5}\)), використовується в металургійній промисловості для видалення оксидних домішок, виготовлення багатьох видів скла, нейтралізації кислого грунту. Інші застосування сполук групи 2, описаних в попередніх розділах, включають медичне використання BaSO ₄ в «барієвих молочних коктейлів» для виявлення проблем травлення за допомогою рентгенівських променів та використання різних лужноземельних сполук для отримання блискучих кольорів, що спостерігаються в феєрверках.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Для кожного застосування вибирайте найбільш підходящу речовину, виходячи з властивостей і реакційної здатності лужноземельних металів і їх сполук. Поясніть свій вибір в кожному конкретному випадку. Використовуйте будь-які таблиці, які вам потрібні для прийняття рішення, такі як значення K _sp (табл. 17.1), енергії решітки (табл. 8.1) та енергії забороненої зони.

Щоб нейтралізувати надлишок шлункової кислоти, що викликає розлад травлення, ви б використовували BeCo ₃, CaCo ₃ або BaCo ₃?
Щоб видалити СО ₂ з атмосфери в космічній капсулі, ви б використовували MgO, CaO або BaO?
Як компонент сплаву в автомобільному електроді свічки запалювання, ви б використовували Be, Ca або Ba?

Наведено: застосування та вибрані лужноземельні метали

Запитано: найбільш підходяща речовина для кожної програми

Стратегія:

Виходячи з обговорення в цьому розділі та будь-якої відповідної інформації в інших місцях цієї книги, визначте, яка речовина найбільш підходить для зазначеного використання.

Рішення

Всі лужноземельні карбонати нейтралізують кислий розчин за допомогою рівняння\(\ref{Eq7}\). Оскільки берилій та його солі токсичні, BeCo ₃ не можна використовувати як антацид. З решти варіантів CaCo ₃ дещо більш розчинний, ніж BaCo ₃ (відповідно до значень K _sp в таблиці 17.1), що говорить про те, що він буде діяти швидше. Причому формульна маса СаСО ₃ становить 100,1 аму, тоді як у BaCo ₃ майже вдвічі більше. Тому для нейтралізації заданої кількості кислоти потрібно вдвічі більше маси BaCo ₃ порівняно з CaCo ₃. Крім того, реакція BaCo ₃ з кислотою виробляє розчин, що містить іони Ba ² ⁺, які є токсичними. (Ba ² ⁺ є стимулятором, який може викликати фібриляцію шлуночків серця.) Нарешті, CaCo ₃ виробляється у величезних масштабах, тому CaCo ₃, ймовірно, буде значно дешевше, ніж будь-яка сполука барію. Отже, СаСО ₃ - кращий вибір для антациду.
Ця заявка передбачає взаємодію СО ₂ з лужноземельним оксидом з утворенням карбонату, що є зворотним реакцією термічного розкладання, в якій MCO ₃ розкладається до CO ₂ та оксиду металу MO (рівняння\(\ref{Eq5}\)). Завдяки своїм вищим енергіям решітки найменші лужноземельні метали повинні утворювати найбільш стійкі оксиди. Отже, їх карбонати повинні розкладатися при найнижчих температурах, як це спостерігається (_{BeCo 3} розкладається при 100° C; BaCo ₃ при 1360° C). Якщо карбонат з найменшим лужноземельним металом розкладається найбільш легко, ми очікуємо, що зворотна реакція (утворення карбонату) відбудеться найбільш легко з найбільшим катіоном металу (Ba ² ⁺). Отже, BaO - найкращий вибір.
Сплав в електроді свічки запалювання повинен випускати електрони і сприяти їх протіканню через зазор між електродами при високих температурах. З трьох перерахованих металів Ba має найнижчу енергію іонізації і таким чином вивільняє електрони найбільш легко. Нагрівання сплаву, що містить барій до високих температур, призведе до деякої іонізації, забезпечуючи початковий етап формування іскри.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Який із зазначених лужноземельних металів або їх сполук найбільш підходить для кожного застосування?

сушильний агент для видалення води з атмосфери - CaCl ₂, _{MgSO 4} або BaF ₂
видалення відкладень накипу (в основному CaCo ₃) у водопровідних трубах - HCl (aq) або H ₂ SO ₄ (aq)
видалення слідів N ₂ з очищеного газу аргону — Be, Ca або Ba

Відповідь

МГСО ₄
HCl
Ба

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Прогнозуйте продукти кожної реакції, а потім збалансуйте кожне хімічне рівняння.

СаО (и) + HCl (г) →
MgO (и) + надлишок ОН ⁻ (aq) →
\(\mathrm{CaH_2(s)}+\mathrm{TiO_2(s)}\xrightarrow\Delta\)

Дано: реагенти

Запитано: продукти та збалансоване хімічне рівняння

Стратегія:

Дотримуйтесь процедури, наведеної в прикладі 3, щоб передбачити продукти кожної реакції, а потім збалансувати кожне хімічне рівняння.

Рішення

Газоподібний HCl - це кислота, а СаО - основний оксид, який містить іон O ^{2 −}. Таким чином, це кислотно-лужна реакція, яка виробляє CaCl ₂ і H ₂ O.

B Збалансоване хімічне рівняння\[CaO_{(s)} + 2HCl_{(g)} → CaCl_{2(aq)} + H_2O_{(l)}\]

Оксид магнію є основним оксидом, тому він може або вступати в реакцію з водою, щоб дати основний розчин, або розчинятися в кислому розчині. Гідроксид-іон також є основою. Оскільки у нас є дві основи, але немає кислоти, реакція кислотно-лужна неможлива. Окислювально-відновна реакція малоймовірно, оскільки MgO не є ні хорошим окислювачем, ні хорошим відновником.

B Робимо висновок, що ніякої реакції не відбувається.

A Оскільки _{CaH 2} містить іон гідриду (H ⁻), він є хорошим відновником. Це також сильна основа, оскільки H ⁻ іони можуть реагувати з іонами H ⁺, утворюючи H ₂. Оксид титану (TiO ₂) - оксид металу, який містить метал у найвищому ступені окислення (+4 для металу групи 4); він може діяти як окислювач, приймаючи електрони. Тому ми прогнозуємо, що відбудеться окислювально-відновна реакція, в якій H ⁻ окислюється і Ti ⁴ ⁺ зменшується. Найбільш ймовірним продуктом відновлення є металевий титан, але що таке продукт окислення? У продуктах повинен з'явитися кисень, причому як СаО, так і Н ₂ О є стійкими сполуками. Ступінь окислення водню +1 в H ₂ O є ознакою того, що відбулося окислення (2H ⁻ → 2H ⁺ + 4e ⁻).

B Збалансоване хімічне рівняння

\(\mathrm{CaH_2(s)}+\mathrm{TiO_2(s)}\xrightarrow\Delta\mathrm{Ti(s)}+\mathrm{CaO(s)}+\mathrm{H_2O(l)}\)

Ми також могли б написати продукти як Ti (s) + Ca (OH) ₂ (и).

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Прогнозуйте продукти кожної реакції, а потім збалансуйте кожне хімічне рівняння.

\(\mathrm{BeCl_2(s)}+\mathrm{Mg(s)}\xrightarrow\Delta\)
БакЛ ₂ (ак) + Na ₂ СО ₄ (ак) →
БеО (и) + ОН ⁻ (ак) + Н ₂ О (л) →

Відповідь

\(\mathrm{BeCl_2(s)}+\mathrm{Mg(s)}\xrightarrow\Delta\mathrm{Be(s)}+ \mathrm{MgCl_2(s)}\)
БакЛ ₂ (ак) + Na ₂ СО ₄ (ак) → АСО ₄ (и) + 2NaCl (ак)
БеО (и) + 2ОН ⁻ (ак) + Н ₂ О (л) → [Бе (ОН) ₄] ²⁻ (ак)

Резюме

Елементи групи 2 майже виключно утворюють іонні сполуки, що містять іон М ² ⁺, вони більш реактивні по відношенню до елементів групи 15, і вони мають більшу схильність до утворення комплексів з основами Льюїса, ніж лужні метали. Чисті зразки більшості лужноземельних металів можуть бути отримані електролізом хлоридів або оксидів. Берилій вперше був отриманий шляхом відновлення його хлориду; хлорид радію, який є радіоактивним, був отриманий за допомогою ряду реакцій і відділень. На відміну від лужних металів, лужноземельні метали, як правило, мають мало або зовсім не спорідненість до доданого електрона. Всі лужноземельні метали реагують з галогенами, утворюючи відповідні галогеніди, з киснем з утворенням оксиду (за винятком барію, який утворює пероксид), а з важчими халькогенідами утворюють халькогеніди або поліхалькогенідні іони. Всі оксиди, крім BeO, реагують з CO ₂ з утворенням карбонатів, які, в свою чергу, реагують з кислотою з утворенням CO ₂ _{і H 2} O. За винятком Be, всі лужноземельні метали реагують з N ₂ з утворенням нітридів, і всі реагують з вуглецем і воднем з утворенням карбідів і гідридів. Лужноземельні метали розчиняються в рідкому аміаку, утворюючи розчини, які містять два розчинених електрона на атом металу. Лужноземельні метали мають більшу тенденцію, ніж лужні метали, утворювати комплекси з коронними ефірами, криптандами та іншими основами Льюїса. Найважливішими лужноземельними органометалічними сполуками є реагенти Гріньяра (RmGx), які використовуються для синтезу органічних сполук.