2. Природные формы
Магний и кальций относятся к наиболее распространенным элементам земной коры. Стронций и барий встречаются реже, а бериллий считается редким элементом. Радий – чрезвычайно редкий и рассеянный элемент. Наиболее долгоживущий изотоп радий -226 (период полураспада 1600 лет) входит в состав природного урана -238.
Из-за высокой химической активности элементы IIА –подгруппы в свободном виде не встречаются.
Соли кальция и магния содержатся в соленой и пресной воде. Именно эти катионы обусловливают «жесткость» воды. Гидрокарбонаты создают временную, а сульфаты и хлориды – постоянную жесткость.
При кипячении воды, содержащей гидрокарбонаты кальция и магния, образуется накипь, состоящая из карбонатов этих элементов. В состав накипи может входить также сульфат кальция, поскольку растворимость этой соли понижается при нагревании. Образование накипи приводит, к нарушению работы водяных котлов и теплоносителей.
В литосфере элементы IIА –подгруппы находятся главным образом в виде силикатов и алюмосиликатов, а также карбонатов и сульфатов. Бериллий входит в состав фенакита (Be2SiO4), берилла (3BeO·Al2O3·6SiO2) и его окрашенных разновидностей.
Ниже перечислены минералы других элементов:
карналлит - KCl·MgCl2·6H2O;
оловин – 2MgO·SiO2;
шпинель - MgO·Al2O3;
тальк – 3MgO·4SiO2·4H2O;
гипс – CaSO4·2H2O;
стронцианит – SrCO3;
барит – BaSO4.
3. Простые вещества
3.1 Методы получения
Для получения простых соединений используют электрохимические и химические методы восстановления.
Бериллий выделяют из берилла сульфатным или фторидным способом.
Магний производится в больших количествах электролизом расплава смеси хлоридов магния, калия и натрия или кремнийтермическим восстановлением.
Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция, который является побочным продуктом в процессе Сольве или образуется в реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция.
Металлический стронций получают электролизом смеси расплавленных хлорида стронция и хлорида калия или аммония на никелевом железном катоде.
Аналогичные методы используют для получения бария.
3.2 Физические и химические свойства
В чистом виде металлы имеют серебристо-белый цвет. Все они кроме бериллия, очень мягкие. Температуры кипения и плавления вниз по группе изменяются не монотонно. Это обусловлено изменением типа кристаллической структуры металла. Металлы относятся к числу легких.
Химически щелочноземельные металлы чрезвычайно активны. На воздухе быстро окисляются:
2Са + О2 = 2СаО
Барий загорается на воздухе при раздавливании. При этом наряду с оксидом образуется пероксид бария. Щелочноземельные металлы также легко взаимодействуют с водой:
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2.
Бериллий и магний обладают меньшей активностью. При контакте с воздухом они окисляются, покрываясь тонкой пленкой оксида (приобретая при этом матовый оттенок), но глубокому разрушению не подвергаются. Бериллий окисляется кислородом воздуха полностью только при температуре выше 800 °C, а магний в виде порошка или ленты загорается на воздухе ослепительно-ярким пламенем при температурах выше 400 °C.
По химическим свойствам бериллий и магний и щелочноземельные металлы являются сильнейшими восстановителями.
Бериллий, магний и щелочноземельные металлы взаимодействуют со многими неметаллами. Все они, кроме бериллия, реагируют при нагревании с водородом, образуя гидриды. Все металлы легко окисляются галогенами, серой, азотом (при нагревании). С углеродом при повышенной температуре они образуют карбиды различного состава.
При сжигании магния на воздухе происходит его взаимодействие как с кислородом, так и с азотом. В результате реакции образуется смесь оксида и нитрида магния:
2Mg + O2 = 2MgO
3Mg + N2 = Mg3N2
С водой бериллий не реагирует даже при температуре красного каления, так как поверхность металла покрыта прочной оксидной пленкой. Для реакции с участием магния:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2
Оксидная пленка на поверхности магния не устойчива в слабокислотной среде, поэтому магний разрушается под действием горячего концентрированного раствора хлорида аммония:
Mg + 2NH4Cl = MgCl2 + 2NH3 + H2
Щелочноземельные металлы вступают в реакцию с водой уже при комнатной температуре. Металлы легко реагируют с кислотами, давая соответствующие соли. Действие концентрированной азотной кислоты не бериллий и магний приводит к пассивации. Щелочноземельные металлы взаимодействуют с азотной кислотой, восстанавливая её преимущественно до катиона аммония, монооксида азота и оксида диазота:
4Ca + 10HNO3(оч.разб.) = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
4Ca + 10HNO3(разб.)= 4Ca(NO3)2 + N2O + 5H2O
Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, но бериллий активно реагирует с растворами щелочей:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2
При проведении реакции с расплавом щелочи при 400 – 500 °C образуются диоксобериллиаты:
Be + 2NaOH = Na2BeO2 + H2
Для всех металлов (особенно магния) характерны высокотемпературные реакции с оксидами, продуктами которых являются оксиды элементов IIА –подгруппы и соответствующие простые вещества. Процессы получения металлов, основанные на восстановлении их оксидов и галогенидов магнием, называют магниетермией. Магниетермию используют для промышленного производства титана. Восстановление очищенного TiCl4 проводят расплавленным магнием при 740 – 780 °C в инертной атмосфере:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti
Щелочноземельные металлы, как и щелочные, растворяются в жидком аммиаке с образованием электропроводных растворов темно-синего цвета, содержащих сольватированные катионы и электроны. При испарении аммиака кристаллизуются комплексы состава [M(NH3)6], которые постепенно превращаются в амиды M(NH2)2.
При высоких температурах металлы реагируют с аммиаком с образованием соответствующих нитридов водорода или гидридов кальция, стронция, бария.