Щёлочноземельные металлы

Не следует путать со щелочными металлами.

Щёлочноземе́льные мета́ллы — химические элементы 2-й группы^[1] периодической таблицы элементов: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra)^[2]. В случае своего открытия гипотетический 120-й элемент унбинилий, согласно строению внешней электронной оболочки, также будет отнесен к щёлочноземельным металлам.

Группа →	2
↓ Период
2	4 Бериллий Be 9.0121831 1s² 2s²
3	12 Магний Mg 24,305 3s2
4	20 Кальций Ca 40,078 4s2
5	38 Стронций Sr 87,62 5s2
6	56 Барий Ba 137,327 6s2
7	88 Радий Ra (226) 7s2

Бериллий и магний

Раньше Be и Mg не относили к щёлочноземельным металлам, потому что их гидроксиды не являются щелочами. Be(OH)₂ — амфотерный гидроксид. Mg(OH)₂ — малорастворимое основание, которое дает слабощелочную реакцию и окрашивает индикатор.

Be не реагирует с водой, Mg — очень медленно (при обычных условиях) в отличие от всех остальных щёлочноземельных металлов.

Однако сегодня, согласно определению ИЮПАК, бериллий и магний относят к щёлочноземельным металлам.

Физические свойства

К щёлочноземельным металлам часто относят только кальций, стронций, барий и радий, реже магний и бериллий. Однако согласно номенклатуре ИЮПАК щёлочноземельными металлами следует считать все элементы 2-й группы^[2]. Первый элемент этой группы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию, чем к высшим аналогами группы, в которую он входит (диагональное сходство). Второй элемент этой группы, магний, уже обладает некоторыми химическими свойствами, общими для щелочноземельных металлов, но в остальном заметно отличается от них, в частности, значительно меньшей активностью, и рядом свойств напоминает всё тот же алюминий.

Все щёлочноземельные металлы серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Рост плотности щёлочноземельных металлов наблюдается только начиная с кальция. Самый тяжёлый — радий, по плотности сравнимый с германием (ρ= 5,5 г/см³).

Электрическая проводимость щелочноземельных металлов примерно такая же, как и щелочных металлов.

В целом металлы второй группы по сравнению с щелочными металлами обладают большей плотностью и твердостью.

Некоторые атомные и физические свойства щелочноземельных металлов

Атомный номер	Название, символ	Число изотопов (природных + искусственных)	Атомная масса	Энергия ионизации, кДж·моль−1	Сродство к электрону, кДж·моль−1	ЭО	Металл. радиус, нм (По Полингу)	Ионный радиус, нм (По Полингу)	tпл, °C	tкип, °C	ρ, г/см³	ΔHпл, кДж·моль−1	ΔHкип, кДж·моль−1
4	Бериллий Be	1+11а	9,012182	898,8	-50 (оценка)	1,57	0,169	0,031	1278	2970	1,848	12,21	309
12	Магний Mg	3+19а	24,305	737,3	-40 (оценка)	1,31	0,24513	0,065	650	1105	1,737	9,2	131,8
20	Кальций Ca	5+19а	40,078	589,4	2,37	1,00	0,279	0,099	839	1484	1,55	9,20	153,6
38	Стронций Sr	4+35а	87,62	549,0	5,02	0,95	0,304	0,113	769	1384	2,54	9,2	144
56	Барий Ba	7+43а	137,327	502,5	13,95	0,89	0,251	0,135	729	1637	3,5	7,66	142
88	Радий Ra	46а	226,0254	509,3	9,65 (оценка)	0,9	0,2574	0,143	700	1737	5,5	8,5	113

^а Радиоактивные изотопы

Химические свойства

Щёлочноземельные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня ns², и являются s-элементами, наряду с щелочными металлами, водородом и гелием. Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и в большинстве соединений имеют степень окисления +2 (очень редко +1).

Химическая активность щёлочноземельных металлов растёт с ростом порядкового номера. Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенами даже при температуре красного каления (до 600 °C, для реакции с кислородом и другими халькогенами нужна ещё более высокая температура, фтор — исключение). Магний защищён оксидной плёнкой при комнатной температуре и более высоких (до 650 °C) температурах и не окисляется дальше. Кальций медленно окисляется и при комнатной температуре вглубь (в присутствии водяных паров), и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе при комнатной температуре. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов, поэтому их, подобно щелочным металлам (за исключением рубидия и цезия, для которых допустимо хранение только в атмосфере аргона, поскольку они сильно окисляются даже в керосине) и кальцию, хранят под слоем керосина, особочистые реактивы простых веществ кальция, стронция и бария хранятся в ампулах с инертной атмосферой аргона, более того, барий и его водорастворимые соединения токсичны, поэтому работа с ним требует защиты органов дыхания и кожи от возможного попадания растворов солей бария.

Озониды и надпероксиды щёлочноземельных металлов детально не изучены, они являются неустойчивыми соединениями и не находят широкого применения.

Оксиды и гидроксиды щёлочноземельных металлов имеют тенденцию к усилению основных свойств с ростом порядкового номера.

Простые вещества

Бериллий реагирует со слабыми и сильными растворами кислот с образованием солей:

${\displaystyle {\mathsf {Be+2H^{+}\longrightarrow Be^{2+}+H_{2}\uparrow }}}$

однако пассивируется холодной концентрированной азотной кислотой.

Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

${\displaystyle {\mathsf {Be+2OH^{-}+2H_{2}O\rightarrow [Be(OH)_{4}]^{2-}+H_{2}\uparrow }}}$

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400—500 °C образуются диоксобериллаты:

${\displaystyle {\mathsf {Be+2OH^{-}\rightarrow BeO_{2}^{2-}+H_{2}\uparrow }}}$

Магний, кальций, стронций, барий и радий реагируют с водой с образованием щелочей (магний с холодной водой реагирует очень медленно, но при внесении раскалённого порошка магния в воду, а также в горячей воде — бурно):

${\displaystyle {\mathsf {Sr+2H_{2}O\longrightarrow Sr(OH)_{2}+H_{2}\uparrow }}}$

Также кальций, стронций, барий и радий реагируют с водородом, азотом, бором, углеродом и другими неметаллами с образованием соответствующих бинарных соединений:

${\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\longrightarrow CaH_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Sr+N_{2}\longrightarrow Sr_{3}N_{2}}}}$

Оксиды

Оксид бериллия — амфотерный оксид, растворяется в концентрированных минеральных кислотах и щелочах с образованием солей:

${\displaystyle {\mathsf {BeO+2NaOH+H_{2}O\longrightarrow Na_{2}[Be(OH)_{4}]}}}$

${\displaystyle {\mathsf {BeO+2HCl\longrightarrow BeCl_{2}+H_{2}O}}}$

но с менее сильными кислотами и основаниями реакция уже не идет.

Оксид магния не реагирует с разбавленными и концентрированными основаниями, но легко реагирует с кислотами и водой:

${\displaystyle {\mathsf {MgO+2HCl\longrightarrow MgCl_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {MgO+H_{2}O\longrightarrow Mg(OH)_{2}}}}$

Оксиды кальция, стронция, бария и радия — основные оксиды, реагируют с водой, сильными и слабыми растворами кислот и амфотерными оксидами и гидроксидами:

${\displaystyle {\mathsf {CaO+H_{2}O\longrightarrow Ca(OH)_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {SrO+2HCl\longrightarrow SrCl_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {BaO+Al_{2}O_{3}\ \xrightarrow {^{o}t} \ Ba(AlO_{2})_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {BaO+2Al(OH)_{3}\ \xrightarrow {^{o}t} \ Ba(AlO_{2})_{2}+3H_{2}O}}}$

Гидроксиды

Гидроксид бериллия амфотерен, при реакциях с сильными основаниями образует бериллаты, с кислотами — бериллиевые соли кислот:

${\displaystyle {\mathsf {Be(OH)_{2}+2KOH\longrightarrow K_{2}BeO_{2}+2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Be(OH)_{2}+2HCl\longrightarrow BeCl_{2}+2H_{2}O}}}$

Гидроксиды магния, кальция, стронция, бария и радия — основания, сила увеличивается от слабого Mg(OH)₂ до очень сильного Ra(OH)₂, являющегося сильнейшим коррозионным веществом, по активности превышающим гидроксид калия. Хорошо растворяются в воде (кроме гидроксидов магния и кальция). Для них характерны реакции с кислотами и кислотными оксидами и с амфотерными оксидами и гидроксидами:

${\displaystyle {\mathsf {Ba(OH)_{2}+SO_{3}\longrightarrow BaSO_{4}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Sr(OH)_{2}+2H_{3}PO_{4}\longrightarrow Sr_{3}(PO_{4})_{2}+6H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Ra(OH)_{2}+Al_{2}O_{3}\longrightarrow Ra(AlO_{2})_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Ba(OH)_{2}+Zn(OH)_{2}\longrightarrow Ba[Zn(OH)_{4}]}}}$

Нахождение в природе

Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) на Земле. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щёлочноземельным металлом является кальций, содержание которого равно относительно массы земной коры оценивается по-разному: от 2 % до 13,3 %^[3]. Немногим ему уступает магний, содержание которого равно 2,35 %. Распространены в природе также барий и стронций, содержание которых соответственно равно 0,039 % и 0,0384 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 2⋅10⁻⁴% от массы земной коры. Радиоактивный радий — это самый редкий из всех щёлочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1⋅10⁻¹⁰% (от массы земной коры)^{[4][неавторитетный источник][5]}.

Биологическая роль

Магний содержится в тканях животных и растений (например, в хлорофилле), является кофактором многих ферментативных реакций, необходим при синтезе АТФ, участвует в передаче нервных импульсов, активно применяется в медицине (бишофитотерапия и др.). Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита. Из различных форм карбоната кальция состоят минеральные «скелеты» некоторых представителей многих групп беспозвоночных (губки, кишечнополостные, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы: мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов. Стронций может замещать кальций в природных тканях^{[прояснить]}, так как схож с ним по свойствам. В организме человека масса стронция составляет около 1 % от массы кальция.

На данный момент о биологической роли бериллия, бария и радия ничего не известно. Все соединения бария (кроме сульфата ввиду его чрезвычайно малой растворимости) и бериллия ядовиты. Радий чрезвычайно радиотоксичен. В организме он ведёт себя подобно кальцию — около 80 % поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз, самопроизвольные переломы костей и злокачественные опухоли костей и кроветворной ткани. Опасность представляет также радон — газообразный радиоактивный продукт распада радия.

Примечания

1. По новой классификации ИЮПАК. По устаревшей классификации относятся к главной подгруппе II группы периодической таблицы.
2. Nomenclature of Inorganic Chemistry. IUPAC Recommendations 2005 (англ.). — International Union of Pure and Applied Chemistry, 2005. — P. 51. Архивировано 18 мая 2017 года.
3. M. E. Weeks. Discovery of the elements. — 6th edn.. — Journal of Chemical Education, 1968. — P. 990.
4. Золотой фонд. Школьная энциклопедия. Химия. М.: Дрофа, 2003.
5. Н. Гринвуд, А. Эрншо. Химия элементов : в 2 т / пер. с англ.. — 3-е изд.. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — Т. 1. — С. 111—112. — 607 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 978-5-9963-1733-2.

Ссылки