Какой из металлов образует щелочь с наиболее сильными свойствами

IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами.

Все элементы IIA группы относятся к s-элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s-подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.

Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:

Ме0 – 2e— → Ме+2

Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.

Взаимодействие с простыми веществами

с кислородом

Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.

Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO2):

2Mg + O2 = 2MgO

2Ca + O2 = 2CaO

2Ba + O2 = 2BaO

Ba + O2 = BaO2

Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me3N2.

с галогенами

Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:

Мg + I2 = MgI2 – иодид магния

Са + Br2 = СаBr2 –  бромид кальция

Ва + Cl2 = ВаCl2 – хлорид бария

с неметаллами IV–VI групп

Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.

Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C22-, фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:

Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:

С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me2Si, с азотом – нитриды (Me3N2), фосфором – фосфиды (Me3P2):

с водородом

Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

Ве + Н2SO4(разб.) = BeSO4 + H2↑

Mg + 2HBr = MgBr2 + H2↑

Ca + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + H2↑

c кислотами-окислителями

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N2O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH4NO3):

4Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O

4Mg + 10HNO3(сильно разб.) = 4Mg(NO3)2 + NН4NO3 + 3H2O

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Be + 2H2SO4 → BeSO4 + SO2↑+ 2H2O

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:

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

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

Be + 2KOH + 2H2O = H2↑ + K2[Be(OH)4] — тетрагидроксобериллат калия

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

Be + 2KOH = H2↑+ K2BeO2 — бериллат калия

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.

Äàâíåíüêî íå áûëî ñòàòååê è âîò ÿ ãîòîâ íà÷àòü ñåðèþ ðàáîò ïî õèìèè ýëåìåíòîâ. Ìàòåðèàë ÿ ïîñòàðàþñü, êàê â õîðîøèõ ó÷åáíèêàõ äåëèòü íà «áàçîâûé» è «ðàñøèðåííûé«, êàê ïîêàçàëà ïðàêòèêà òàêîå ðàñïðåäåëåíèå ïîìîãàåò êàê íîâè÷êàì, òàê è óâëå÷åííûì õèìèêàì. Áóäó áëàãîäàðåí çà êðèòèêó, ïîñêîëüêó îøèáîê ÿ, êàê íà÷èíàþùèé ïèñàòåëü, ïîêà äåëàþ äîñòàòî÷íî.

Íà÷íåì ïîæàëóé ñ ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Âñå ðàñïîëîæåíû â ïåðâîé ãðóïïå ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû, è èõ îáúåäèíÿþò êàê îáùèå õèìè÷åñêèå òàê è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà. Íî ÷åì îáóñëîâëåíî òàêîå ñõîäñòâî?

 öèêëå «Î÷åíü ëåãêàÿ õèìèÿ» ìû ðàçáèðàëèñü â ñòðîåíèè àòîìîâ è ãîâîðèëè î òîì, ÷òî èìåííî ýëåêòðîííàÿ îáîëî÷êà îïðåäåëÿåò ñâîéñòâà òîãî èëè èíîãî ýëåìåíòà, òåïåðü íàñòàëî âðåìÿ ïðèìåíèòü íàøè çíàíèÿ íà ïðàêòèêå.

Åñëè âñïîìíèòü ïîëîæåíèÿ ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà, ìû óâèäèì, ÷òî ó âñåõ ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ íà ïîñëåäíåì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå íàõîäèòñÿ ïî îäíîìó ýëåêòðîíó. Èç ýòîãî ìû äåëàåì ëîãè÷íûé âûâîä, ÷òî îíè ñêëîííû îòäàâàòü åãî, ÷òîáû ïðèîáðåñòè çàêîí÷åííûé ýëåêòðîííûé óðîâåíü.

Çàêîí÷åííûé ýëåêòðîííûé óðîâåíü îáëàäàåò ìåíüøåé ýíåðãèåé ÷åì íåçàêîí÷åííûé, ñëåäîâàòåëüíî ñîñòîÿíèå, ïðè êîòîðîì ýíåðãåòè÷åñêàÿ îáîëî÷êà àòîìà õàðàêòåðèçóåòñÿ íàèìåíüøåé ýíåðãèåé, áóäåò íàèáîëåå ñòàáèëüíûì.  òåîðèè ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ýôôåêòàìè âûðîæäåííîñòè ýëåêòðîíà (íåîäíîçíà÷íîå îïðåäåëåíèå åãî íà îðáèòàëè) Íà ïðàêòèêå æå ïîäòâåðæäàåòñÿ áîëüøîé ðàçíèöåé ìåæäó ýíåðãèÿìè ïåðâîé è âòîðîé ñòóïåíè èîíèçàöèè (÷òî ãîâîðèò î ìåíåå ïðî÷íîé ñâÿçè ñ ÿäðîì âíåøíåãî ýëåêòðîíà, ïî ñðàâíåíèþ ñ ýëåêòðîíîì ñ çàïîëíåííîé îáîëî÷êè)

Èìåííî ïîýòîìó ùåëî÷íûå ìåòàëëû î÷åíü àêòèâíû, ñïîñîáíû ëåãêî îòäàâàòü ýëåêòðîí, ïðîÿâëÿÿ ñâîéñòâà âîññòàíîâèòåëåé, à òàêæå îáëàäàþò ñàìûìè íèçêèìè ýëåêòðîõèìè÷åñêèìè ïîòåíöèàëàìè

Âûñîêàÿ àêòèâíîñòü ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ íå ïîçâîëÿåò èì íàõîäèòñÿ â ïðèðîäå â ñàìîðîäíîì âèäå, ïîýòîìó ìåòàëëû ïåðâîé ãðóïïû îáðàçóþò ìíîæåñòâî ìèíåðàëîâ, ñ íåêîòîðûìè èç êîòîðûõ, íàïðèìåð ñ ïîâàðåííîé ñîëüþ, ìû ñòàëêèâàåìñÿ êàæäûé äåíü.

Èçâåñòíî îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ìèíåðàëîâ, îáðàçóåìûõ ùåëî÷íûìè ìåòàëëàìè, âîò íåêîòîðûå èç íèõ:

LiAl(SiO3)2- ñïîäóìåí

KCl * MCl2* 6H2O- êàðíàëèò

KCl- ñèëüâèí

NaCl- ãàëèò

(Cs, Na)[AlSi2O6] — ïîëëóöèò

(K,Na,Rb)AlSi3O8- àìàçîíèò

Âûäåëåíèå ìåòàëëîâ èç èõ ñîåäèíåíèé, ââèäó èõ âûñîêîé õèìè÷åñêîé àêòèâíîñòè, ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé çàäà÷åé, â îñíîâíîì èñïîëüçóþò ëèáî ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ìåòîä, ëèáî âîññòàíîâëåíèå àëþìèíèåì, êàëüöèåì èëè öèðêîíèåì.

Ðåçîííûå âîïðîñû âûçûâàåò ïîñëåäíèé ìåòîä, âåäü ìû çíàåì, ÷òî ìåòàëë, ñòîÿùèé â ýëåêòðîõèìè÷åñêîì ðÿäó íàïðÿæåíèé ïîñëå íàïðèìåð íàòðèÿ, íå ìîæåò âîññòàíîâèòü åãî èç ñîëè, îäíàêî íà ïîìîùü íàì ïðèõîäÿò óæå ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ, à èìåííî íèçêàÿ òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ è êèïåíèÿ, â óñëîâèÿõ àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ, íåáîëüøèå êîëè÷åñòâà íàòðèÿ, ïîëó÷àþùèåñÿ â ðåàêöèè õëîðèäà íàòðèÿ è àëþìèíèÿ, îïÿòü âçàèìîäåéñòâóþò ñ õëîðèäîì àëþìèíèÿ è ðåàêöèÿ â îáùåì íå èäåò. Íî åñëè ïîìåñòèòü ðåàêöèîííóþ ñìåñü â âàêóóì è íàãðåòü, îáðàçóþùèéñÿ â õîäå ðåàêöèè íàòðèé íà÷íåò èñïàðÿòüñÿ, íå ðåàãèðóÿ ñ òâåðäûì äàæå ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå õëîðèäîì àëþìèíèÿ. Òàêæå âíèìàíèå çàñëóæèâàåò ìåòîä Ãðåéñõåéìà, âçàèìîäåéñòâèå àöåòèëåíèäà (êàðáèäà) êàëüöèÿ ñ ôòîðèäîì êàëèÿ (ðåàêöèÿ).Ðóáèäèé è öåçèé ïîëó÷àþò ðàçëîæåíèåì àçèäîâ (ñîëåé HN3) âàêóóìå.

Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà

Âñå ùåëî÷íûå ìåòàëëû ðåàãèðóþò ñ êèñëîðîäîì, âîäîðîäîì, íåìåòàëëàìè, êèñëîòàìè, âîäîé è ìíîãèìè äðóãèìè êëàññàìè ñîåäèíåíèé, â òîì ÷èñëå è îðãàíè÷åñêèìè ìîëåêóëàìè.

Ñîåäèíåíèÿ ñ êèñëîðîäîì.

Ùåëî÷íûå ìåòàëëû îáðàçóþò 4 òèïà ñîåäèíåíèé ñ êèñëîðîäîì: îêñèäû, ïåðîêñèäû, íàäïåðîêñèäû, îçîíèäû. Íà ïðèìåðå íàòðèÿ ñîîòâåòñòâåííî:

Na2O, Na2O2, NaO2, NaO3.

Òàêîå ìíîãîîáðàçèå îáóñëîâëåíî âûñîêîé àêòèâíîñòüþ ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ, à òàêæå íåçíà÷èòåëüíîé ðàçíèöåé ìåæäó ýíåðãèÿìè ñâÿçè êèñëîðîäíûõ àòîìîâ äðóã ñ äðóãîì è àòîìàìè ìåòàëëîâ.

Âñå êèñëîðîäíûå ñîåäèíåíèÿ ðåàãèðóþò ñ âîäîé. Îêñèäû ïðè âçàèìîäåéñòâèè äàþò ùåëî÷è, à îñòàëüíûå ñîåäèíåíèÿ: ùåëî÷ü è ïåðîêñèä âîäîðîäà íà õîëîäå, ùåëî÷ü âîäó è êèñëîðîä ïðè íàãðåâàíèè, èëè â ïðèñóòñòâèè êàòàëèçàòîðà (MnO2 Pt êàòàëàçà).

Èíòåðåñíî, ÷òî ïðÿìûì âçàèìîäåéñòâèåì êèñëîðîäà íåëüçÿ ïîëó÷èòü îêñèä ùåëî÷íîãî ìåòàëëà, èñêëþ÷åíèåì ÿâëÿåòñÿ îêñèä ëèòèÿ, â ýòîì ëèòèé ïðîÿâëÿåò äèàãîíàëüíîå ñõîäñòâî ñ ìàãíèåì.  ñëó÷àå ñ îñòàëüíûìè ìåòàëëàìè îáðàçóåòñÿ àäñêàÿ ñìåñü îêñèäîâ, ïåðîêñèäîâ è íàäïåðîêñèäîâ.

×èñòûå îêñèäû ïîëó÷àþò âçàèìîäåéñòâèåì íàïðèìåð êàëèÿ ñ íèòðàòîì êàëèÿ, èëè ïåðîêñèäà ñ ìåòàëëîì, àçèäà ñ ìåòàëëîì, ãèäðîêñèäà ñ ìåòàëëîì, ýòè ñïîñîáû íå ýôôåêòèâíû äëÿ öåçèÿ è ðóáèäèÿ, ââèäó èõ âûñî÷àéøåé àêòèâíîñòè. Îñòàëüíûå êèñëîðîäíûå ñîåäèíåíèÿ ïîëó÷àþò ïðÿìûì îêèñëåíèåì èëè, êàê â ñëó÷àå îçîíèäîâ, âçàèìîäåéñòâèåì ñ îçîíîì.

Èíòåðåñíûìè ñîåäèíåíèÿìè ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ ÿâëÿþòñÿ èíòåðìåòàëëèäû, ñîåäèíåíèÿ äâóõ ìåòàëëîâ. Îñîáåííîñòüþ ñïëàâîâ (èíòåðìåòàëëèäîâ) ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ ÿâëÿåòñÿ èõ íåâåðîÿòíî íèçêàÿ òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ, íàïðèìåð ó ñïëàâà íàòðèÿ, êàëèÿ è öåçèÿ îíà ðàâíà -78 °C. À íàïðèìåð ñïëàâ ðòóòè è íàòðèÿ (àìàëüãàìà íàòðèÿ) èñïîëüçóåòñÿ â îðãàíè÷åñêîì ñèíòåçå êàê âîññòàíîâèòåëü, áëàãîäàðÿ ñâîåé ñïîñîáíîñòè ðåàãèðîâàòü ñ âîäîé áåç îïàñíîñòè âçðûâà, êàê ýòî áûâàåò â ñëó÷àå ñ íàòðèåì.

Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ ïîëó÷àþòñÿ ñîëåîáðàçíûå ãèäðèäû, ñîåäèíåíèÿ â êîòîðûõ âîäîðîä ïðèíèìàåò ñòåïåíü îêèñëåíèÿ -1. Ãèäðèäû âûãëÿäÿò êàê áåëûå ïîðîøêè, âçàèìîäåéñòâóþò ñ êèñëîòàìè è âîäîé, îáëàäàþò ñèëüíûìè âîññòàíîâèòåëüíûìè ñâîéñòâàìè, ÷òî àêòèâíî èñïîëüçóåòñÿ â îðãàíè÷åñêîé õèìèè. Ñìåøàííûé ãèäðèä àëþìèíèÿ ëèòèÿ, èëè àëàíàò ëèòèÿ èñïîëüçóþò äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ êåòîíîâ, àëüäåãèäîâ è íèòðîñîåäèíåíèé.

Ñîåäèíåíèÿ ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ ñ íåìåòàëëàìè ïîëó÷àþò ïðÿìûì âçàèìîäåéñòâèåì. Ñóëüôèäû è ôîñôèäû îáðàçóþò âñå ùåëî÷íûå ìåòàëëû, à êàðáèäû (àöåòèëåíèäû) ïðè ïðÿìîì âçàèìîäåéñòâèè îáðàçóåò òîëüêî ëèòèé, îí æå ðåàãèðóåò ñ àçîòîì ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå, îáðàçóÿ íèòðèä.

 ñëåäóþùåé ÷àñòè ðå÷ü ïîéäåò î íàèáîëåå âàæíûõ ñîåäèíåíèÿõ ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ- ñîëÿõ, ÿâëÿþùèõñÿ îñíîâíûìè êîìïîíåíòàìè óäîáðåíèé, áåç êîòîðûõ íàøà æèçíü áûëà áû íå âîçìîæíà.