4. Соединения элементов
Известно несколько типов кислородных соединений элементов. Все элементы IIА –подгруппы образуют оксиды состава МО. Это термически устойчивые соединения с очень высокими и сравнительно близкими по величине температурами плавления.
Их можно получить сжиганием соответствующего металла в кислороде или термическим разложением карбонатов, гидроксидов, нитратов и других солей элементов IIА –подгруппы.
Оксиды магния и щелочноземельных элементов с растворами щелочей не реагируют, взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:
BaO + H2O = Ba(OH)2
Эти оксиды поглощают из воздуха не только пары воды, но и диоксид углерода:
BaO + CO2 = BaCO3
При нагревании оксида бария в присутствии кислорода при температуре ниже 600 °C образуется устойчивый при невысоких температурах пероксид бария, который при нагревании выше 800 °C разлагается на оксид бария и кислород.
Пероксид бария мало растворим в воде, подвергается гидролизу. Его используют для лабораторного получения пероксида водорода:
BaO2 + H2O + CO2 = H2O2 + BaCO3
BaO2 + H2SO4 = H2O2 + BaSO4
Устойчивость пероксидов понижается вверх по группе (для бериллия пероксид неизвестен). Их получают дейчтвием пероксида водорода на гидроксиды соответствующих элементов. При получении пероксида магния концентрация пероксида водорода должна быть менее 30 %. Для щелочноземельных элементов получены также кристаллические надпероксиды состава М(О2)2, а для стронция и бария – озониды М(О3)2, однако эти соединения крайне неустойчивы.
Элементы IIА –подгруппы образуют гидроксиды. Растворимость гидроксидов вниз по группе постепенно увеличивается и гидроксид бария уже относят к щелочам. В ряду гидроксидов от бериллия к барию наблюдается усиление основных свойств. Малорастворимый гидроксид бериллия является амфотерным. Он вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей, в которых бериллий входит в состав катиона или аниона.
Гидроксиды элементов IIА –подгруппы термически неустойчивы и при нагревании разлагаются:
М(ОН)2 = МО + Н2О.
Гидроксиды щелочноземельных элементов довольно агрессивны и обладают разъедающим действием. Особенно это относится к гидроксиду бария, имеющему тривиальное название «едкий барий»
Среди солей щелочноземельных элементов хорошо растворимы лишь нитраты, перхлораты, ацетаты и некоторые другие. Большинство солей магния легко растворяются в воде; малорастворимыми являются фторид, карбонат, ортофосфат. Многие растворимые соли образуют кристаллогидраты. В частности, безводные галогениды магния и кальция используются в качестве осушителей, так как они поглощают пары воды из воздуха. Малорастворимые соли легко получить реакциями ионного обмена. Катионы щелочноземельных элементов не участвуют в гидролизе.
При взаимодействии водных растворов солей бериллия с растворимыми карбонатами образуется гидроксокарбонат бериллия – соединение переменного состава.
Малорастворимые карбонаты магния и щелочноземельных элементов известны только в безводном виде. В присутствии избытка диоксида углерода и воды карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты, а при кипячении происходит обратный процесс:
СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2.
С кислотами карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с выделением диоксида углерода и образованием соответствующих солей:
SrCO3 + 2HNO3 = Sr(NO3)2 + CO2 + H2O
При нагревании карбонаты элементов IIА –подгруппы, не плавясь, разлагаются:
MCO3 = MO + CO2
Термическая устойчивость солей повышается вниз по группе, это связано с увеличением радиуса катиона, что вызывает меньшее искажение окружающих анионов.
Сульфаты бериллия и магния растворимы в воде, а сульфат щелочноземельных элементов – малорастворимы. Реакция с сульфат-ионом является качественной на катион бария. При нагревании сульфаты бериллия и магния плавятся без разложения, плавление же сульфатов щелочноземельных элементов сопровождается частичным разложением:
CaSO4 = CaO + SO3
Растворимость сульфатов и хроматов закономерно понижается по группе. Дихроматы всех элементов IIА –подгруппы хорошо растворимы в воде. Эти соли образуются при действии кислот на хроматы.
Галогениды элементов (кроме фторидов) IIА –подгруппы хорошо растворимы в воде. Наиболее важным фторидом является фторид кальция – это природное соединение (минерал флюорит) является крупным источником фтора. Он тугоплавкий мало растворим в воде.
Хлориды легко увлажняются и имеют намного более низкие температуры плавления, они легко образуют многочисленные гидраты и растворимы в спиртах.
Бромиды и йодиды имеют еще более низкие температуры плавления и более высокую растворимость в воде, спиртах, эфирах и т.д.
Бинарные соединения элементов IIА –подгруппы –гидриды, нитриды, фосфиды, сульфиды – в большинстве случаев получают прямым синтезом из простых веществ. В бинарных соединениях эти элементы всегда имеют степень окисления (+2), а неметаллы – отрицательные степени окисления.
Водородные соединения характеризуются ионной кристаллической решеткой. Гидриды бериллия и магния – полимеры с мостиковыми атомами водорода. Координационное число бериллия и магния в них равно 4. Гидриды легко окисляются кислородом воздуха и водой. Эти реакции сопровождаются большим выделением энергии:
СаН2 + О2 = Са(ОН)2 ΔΗ° = – 810 кДж
СаН2 + 2Н2О = 2Н2 + Са(ОН)2 ΔΗ° = – 524 кДж
Бинарные соединения можно получить не только из металлов, но и из их соединений (при высокой температуре):
BaSO4 + 4C = BaS + 4CO
CaO + 3C = CaC2 + CO