18.4. Щелочноземельные металлы и их соединения

Металлы второй группы периодической системы — бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий — называют щелочноземельными металлами*. Некоторые свойства этих элементов приведены в табл. 18.2. Щелочноземельные металлы обладают значительно большей твердостью и меньшей реакционной способностью, чем щелочные металлы, поскольку имеют вдвое больше валентных электронов. Соединения щелочноземельных элементов аналогичны по своему составу; все они образуют окислы MO, гидроокиси M(OH)₂, карбонаты MCO₃, сульфаты MSO₄ и другие соединения (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ra).

Таблица 18.2. Некоторые свойства щелочноземельных металлов

^а Для этих металлов надежные значения температур кипения не получены; они приблизительно на 600° выше температуры плавления.

^б Для катиона, имеющего заряд 2+ и координационное число 6.

^в Оценка.

В давние времена химики называли «землями» многие неметаллические вещества. Когда было установлено, что окись магния и окись кальция имеют щелочную реакцию, эти соединения стали называть щелочными землями. Сами металлы (магний, кальций, стронций и барий) были получены Хемфри Дэви в 1808 г. Бериллий был открыт в минерале берилле (Be₃Al₂Si₆O₁₈) в 1798 г. и выделен в 1828 г.

* Обычно щелочноземельными называют металлы подгруппы кальция. — Прим. ред.

Бериллий — легкий серебристо-белый металл, который можно получить электролизом расплавленной смеси хлорида бериллия BeCl₂ и хлорида натрия. Этот металл применяют при изготовлении окошек для рентгеновских трубок (рентгеновские лучи легко проникают через элементы с малым атомным номером, а металлический бериллий обладает лучшими механическими свойствами из всех наиболее легких элементов). Его используют также в качестве составной части специальных сплавов. Если к меди добавить около 2% бериллия, то получается прочный сплав, пригодный, в частности, для изготовления пружин.

Основная руда бериллия — берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈. Изумруды — кристаллы берилла, содержащие следы хрома, придающего им зеленый цвет. Аквамарин — голубовато-зеленая разновидность берилла.

Соединения бериллия особой ценности не представляют, за исключением окиси бериллия BeO, которую применяют в атомных реакторах, предназначенных для получения плутония из урана (гл. 20).

Соединения бериллия очень ядовиты. Даже пыль порошкообразного металла или его окиси при вдыхании может вызывать весьма серьезные заболевания.

Металлический магний получают электролизом расплавленного хлорида магния, а также восстановлением окиси магния углем или ферросилицием (сплавом железа с кремнием). За исключением кальция и щелочных металлов, магний — самый легкий из известных металлов; его применяют при производстве легких сплавов, например магналия (10% Mg и 90% Al).

Магний реагирует с кипящей водой, образуя при этом гидроокись магния Mg(OH)₂ — соединение, обладающее щелочными свойствами

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

Металлический магний на воздухе горит, давая яркий белый свет; при этом образуется окись магния MgO (старое название магнезия)

2Mg + O₂ → 2MgO

Суспензия окиси магния в воде находит применение в медицине («магнезиальное молоко») для нейтрализации избыточной кислотности желудка, а также в качестве слабительного. Сульфат магния MgSO₄×7H₂O, известный как «эпсомская соль» или «английская соль», используют как слабительное.

Карбонат магния MgCO₃ встречается в природе в виде минерала магнезита. Его используют при изготовлении основных огнеупоров для футеровки медеплавильных конвертеров и мартеновских сталеплавильных печей (гл. 19).

Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция CaCl₂. Это серебристо-белый металл, обладающий несколько большей твердостью, чем свинец. Он реагирует с водой, а если его поджечь, то горит на воздухе с образованием смеси окиси кальция CaO и нитрида кальция Ca₃N₂.

Кальций находит широкое практическое применение в качестве раскислителя (вещества, удаляющего кислород) для железа и стали, меди и медных сплавов, а также в качестве составной части свинцовых сплавов (металл для подшипников или для изготовления оболочек электрических кабелей) и сплавов алюминия; его используют и как восстановитель при получении других металлов из их окислов.

Кальций реагирует с холодной водой, образуя гидроокись кальция Ca(OH)₂, и быстро сгорает в воздухе, давая окись кальция CaO.

Сульфат кальция встречается в природе в виде минерала гипса CaSO₄·2H₂O. Этот минерал представляет собой белое вещество, применяемое в промышленности строительных материалов для изготовления сухой штукатурки и для производства алебастра. При нагревании гипса немного выше 100° он теряет ¾ кристаллизационной воды и превращается в порошкообразное вещество CaSO₄·½H₂O, которое и называется алебастром. (При нагревании до более высоких температур образуется безводный CaSO₄; это соединение реагирует с водой гораздо медленнее.) При смешивании с водой мелкие кристаллы алебастра растворяются, а затем кристаллизуются в виде длинных игл CaSO₄·2H₂O. Иглообразные кристаллы этого вещества срастаются и образуют твердую массу, принимающую очертания той формы, в которую была помещена увлажненная масса CaSO₄·½H₂O.

Основными минералами стронция являются сульфат стронция — целестин SrSO₄ — и карбонат стронция — стронцианит SrCO₃.

Нитрат стронция Sr(NO₃)₂ получают растворением карбоната стронция в азотной кислоте. Его применяют в смеси с углем и серой для получения красного огня в фейерверках, сигнальных ракетах и световых железнодорожных сигналах. Хлорат стронция Sr(ClO₃)₂ применяют для тех же целей. Другие соединения стронция похожи на соответствующие соединения кальция. Металлический стронций не имеет практического применения.

Металлический барий не находит широкого применения. Важнейшими соединениями этого элемента являются сульфат бария BaSO₄, очень плохо растворимый в воде и в разбавленных кислотах, и хлорид бария BaCl₂·2H₂O, растворимый в воде. Сульфат бария встречается в природе в виде минерала барита.

Подобно другим элементам с большими атомными номерами, барий очень сильно поглощает рентгеновские лучи. На этом его свойстве основано применение смеси сульфата бария и воды в виде жидковатой «бариевой каши» в качестве контрастного вещества при рентгенологическом исследовании пищеварительного тракта. Растворимость этого вещества настолько мала, что позволяет избежать отравляющего действия, свойственного большинству соединений бария.

Нитрат бария Ba(NO₃)₂ и хлорат бария Ba(ClO₃)₂ используют для получения зеленого цвета в фейерверках.

Соединения радия по свойствам очень близки соответствующим соединениям бария. Отличительным важным свойством радия и его соединений является радиоактивность, которая будет рассмотрена в гл. 20.