Решебник по химии 9 класс Габриелян §31

Да, щелочноземельные и щелочные металлы обладают рядом сходных свойств, так как они оба находятся в первых группах (IA и IIA) Периодической системы и являются типичными представителями s-элементов, у которых на внешнем энергетическом уровне находится один (у щелочных) или два (у щелочноземельных) электрона.

Сходства включают:

— высокую химическую активность (особенно у кальция, стронция и бария);

— восстановительные свойства (легко отдают внешние электроны);

— реакцию с водой (образование щёлочей и выделение водорода);

— металлическую кристаллическую решётку и металлическую связь;

— образование оксидов и гидроксидов, обладающих основными свойствами;

— использование в составе солей, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве.

Отличия связаны с меньшей активностью щелочноземельных металлов по сравнению с щелочными, а также с большей прочностью их кристаллической решётки, что делает их более твёрдыми и менее реакционноспособными (особенно бериллий и магний).

Таким образом, несмотря на различия в степени окисления (+1 у щелочных и +2 у щелочноземельных) и уровне активности, оба типа металлов имеют общие физические и химические черты, обусловленные строением их атомов.

В результате взаимодействия оксида кальция с водой происходит реакция:

(CaO + H₂O → Ca(OH)₂) — образуется раствор гидроксида кальция, называемый известковым молоком. Он представляет собой слабощёлочной раствор, содержащий гидроксид кальция, который можно использовать для качественного определения углекислого газа.

Если через раствор в первой пробирке продувать выдыхаемый воздух, содержащий углекислый газ (CO₂), то произойдёт следующая реакция:

(Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O)

При этом наблюдается помутнение раствора за счёт образования белого осадка карбоната кальция (CaCO₃). Эта реакция применяется как качественная реакция на углекислый газ.

Во вторую пробирку добавляют 1–2 капли раствора фенолфталеина. В щелочной среде (в присутствии гидроксида кальция) фенолфталеин приобретает малиновую окраску, что свидетельствует о щелочной реакции среды раствора Ca(OH)₂. Это подтверждает, что в растворе действительно находится основание.

Металлы IIA-группы — это бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Из них щелочноземельными называют кальций, стронций и барий, поскольку их оксиды (например, CaO, SrO, BaO), которые в древности называли «землями», при взаимодействии с водой образуют щёлочи. Именно это свойство дало общее название: «щелочноземельные металлы». Например, оксид кальция (негашёная известь) при реакции с водой образует гидроксид кальция (гашёная известь):

(CaO + H₂O → Ca(OH)₂)

Щелочные металлы (Li, Na, K и др.) и щелочноземельные (Ca, Sr, Ba и др.) обладают рядом сходных свойств: они оба имеют на внешнем энергетическом уровне малое число электронов (один у щелочных и два у щелочноземельных), активно взаимодействуют с водой, кислородом и кислотами, легко отдают свои валентные электроны, проявляя восстановительные свойства. Однако степень окисления у щелочных металлов — +1, у щелочноземельных — +2.

Щелочные металлы мягче и легче, у них ниже температура плавления и плотность, чем у щелочноземельных. Продукты взаимодействия также отличаются: например, щёлочь из гидроксида натрия (NaOH) сильнее растворима, чем Ca(OH)₂.

И те, и другие в виде простых веществ имеют металлическую связь и образуют металлическую кристаллическую решётку.

Общие химические свойства щелочноземельных металлов:

— Являются активными восстановителями;

— При взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а более активные — пероксиды, например:

(2Ca + O₂ → 2CaO)

(Ba + O₂ → BaO₂)

— Реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

(Be + Cl₂ → BeCl₂)

— Реагируют с серой, азотом, углеродом и водородом, образуя бинарные соединения:

(Mg + S → MgS),

(3Ca + N₂ → Ca₃N₂)

— Реакции с водой: скорость взаимодействия увеличивается сверху вниз по группе.

Кальций, стронций и барий реагируют с водой при комнатной температуре:

(Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑)

Магний — медленно и только при нагревании, а бериллий вообще не реагирует с водой из-за защитной оксидной плёнки.

— Также участвуют в реакциях с кислотами (разбавленными):

(Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑)

— Активные металлы восстанавливают другие металлы из их оксидов:

(TiO₂ + 2Ca → Ti + 2CaO)

Таким образом, особенности щелочноземельных металлов проявляются в постепенном увеличении их химической активности от бериллия к барию. Взаимодействие с водой — важнейшее отличие: если кальций и барий активно реагируют, то бериллий и магний — только при нагревании или вообще слабо.

Для доказательства присутствия карбоната кальция в природных соединениях используют реакцию с кислотой, например с соляной кислотой. При этом выделяется углекислый газ, что подтверждает наличие иона карбоната (CO₃²⁻).

Молекулярное уравнение:

(CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑)

Ионное уравнение:

(CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑)

Появление пузырьков газа указывает на выделение CO₂ — признак присутствия карбонат-ионов.

Оксид кальция (CaO) — типичный основной оксид. Он взаимодействует:

с водой, образуя щёлочь:

Молекулярное уравнение:

(CaO + H₂O → Ca(OH)₂)

Ионное уравнение:

(O²⁻ + H₂O → 2OH⁻)

с кислотными оксидами, например с углекислым газом:

Молекулярное уравнение:

(CaO + CO₂ → CaCO₃)

Ионное уравнение:

(Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓)

с кислотами, например с соляной:

Молекулярное уравнение:

(CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O)

Ионное уравнение:

(CaO + 2H⁺ → Ca²⁺ + H₂O)

Таким образом, оксид кальция проявляет основные свойства: реагирует с кислотами, кислотными оксидами и водой.

а) Ca → CaCl₂ → CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ → CaF₂

1. (Ca + Cl₂ → CaCl₂)

2. (CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl)

3. (CaCO₃ → CaO + CO₂↑)

4. (CaO + H₂O → Ca(OH)₂)

5. (Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O)

6. (Ca(NO₃)₂ + 2HF → CaF₂↓ + 2HNO₃)

б) BaCO₃ → BaO → Ba(OH)₂ → BaCl₂ → Ba₃(PO₄)₂

1. (BaCO₃ → BaO + CO₂↑)

2. (BaO + H₂O → Ba(OH)₂)

3. (Ba(OH)₂ + 2HCl → BaCl₂ + 2H₂O)

4. (3BaCl₂ + 2Na₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl)

Пример для BaCl₂ + Na₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂↓ + NaCl:

(3Ba²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ba₃(PO₄)₂↓)

Объём CO₂: 0,896 л (н. у.)

Найдём количество вещества CO₂:

(n = V / Vm = 0,896 л / 22,4 л/моль = 0,04 моль)

Из уравнений:

(CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑)

(Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O)

(CaSO₄ не реагирует с HCl — нерастворим → входит в остаток)

Моль CO₂ = моль CaCO₃ = 0,04 моль

Масса CaCO₃: (M(CaCO₃) = 100 г/моль)

m(CaCO₃) = 0,04 моль × 100 г/моль = 4 г

Обозначим массу гидроксида кальция за x, тогда:

масса смеси: 9,8 г

масса осадка CaSO₄: 2,1 г

масса CaCO₃: 4 г

тогда:

масса Ca(OH)₂ = 9,8 – 4 – 2,1 = 3,7 г

Проверим: Масса всех компонентов: 4 + 3,7 + 2,1 = 9,8 г — верно.

Массовые доли: ω(CaCO₃) = 4 / 9,8 ≈ 0,408 ≈ 40,8%

ω(Ca(OH)₂) = 3,7 / 9,8 ≈ 0,378 ≈ 37,8%

ω(CaSO₄) = 2,1 / 9,8 ≈ 0,214 ≈ 21,4%

Ответ:

Массовые доли компонентов в смеси:

CaCO₃ — 40,8%, Ca(OH)₂ — 37,8%, CaSO₄ — 21,4%.

Гидроксиды щелочноземельных металлов, в отличие от гидроксидов щелочных металлов, при нагревании разлагаются, поэтому использовать их расплавы для электролиза невозможно. При нагревании, необходимом для плавления, гидроксиды кальция, магния, стронция и других металлов IIA-группы распадаются на оксиды и воду. Это делает невозможным электролитическое получение металлов из их гидроксидов. Поэтому для получения щелочноземельных металлов применяют электролиз расплавов их солей, например хлоридов.

Уравнение электролиза расплава хлорида кальция:

(CaCl₂ → Ca + Cl₂↑)

На катоде (восстановление):

(Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca)

На аноде (окисление):

(2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑)

Таким образом, при электролизе расплава хлорида кальция получают чистый кальций и газообразный хлор.

Магний (Mg) — один из важнейших представителей щелочноземельных металлов, входящих в группу IIA Периодической системы. Этот элемент играет ключевую роль в природе, технике, медицине и биологических процессах. Он был открыт ещё в XVIII веке, однако его значение продолжают открывать и сегодня — от космических технологий до клеточного дыхания.

История открытия магния начинается с изучения его соединений. Название элемента происходит от области Магнезия в Греции, где добывали минерал магнезит. В 1755 году английский учёный Джозеф Блэк выделил соединение, которое он назвал «жгучей землёй» — это был оксид магния (MgO). Однако сам металлический магний был впервые получен лишь в 1808 году известным химиком Хэмфри Дэви методом электролиза расплава магниевой соли. Позднее металл удалось выделить в более чистом виде немецкому химику Антону Бузингу в 1830-х годах при восстановлении магниевых солей углём.

Магний — лёгкий, серебристо-белый металл с характерным металлическим блеском. Он твёрже и менее активен, чем другие щелочноземельные металлы, такие как кальций или барий. При нормальных условиях он на воздухе покрывается прочной оксидной плёнкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления. Это делает магний более устойчивым к коррозии.

Температура плавления магния — около 650 °C, а плотность — 1,74 г/см³, что делает его в три раза легче железа. Благодаря своей лёгкости он стал ценным конструкционным материалом.

С химической точки зрения магний — типичный щелочноземельный металл. Он проявляет восстановительные свойства, отдает два электрона, вступая в химические реакции с кислотами, водой (при нагревании), галогенами, серой, азотом и другими неметаллами.

Например, при взаимодействии с кислотами идёт реакция с выделением водорода:

(Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑)

Также он вступает в реакцию с кислородом при нагревании, образуя оксид:

(2Mg + O₂ → 2MgO)

При горении магний даёт яркое белое пламя, что используется в пиротехнике.

Магний широко распространён в земной коре и входит в состав множества минералов: магнезита (MgCO₃), доломита (CaCO₃·MgCO₃), хлоридов и сульфатов. Он также содержится в морской воде и в растениях. Особенно важно отметить, что ионы магния входят в состав хлорофилла — зелёного пигмента растений, обеспечивающего фотосинтез. Без магния невозможен процесс превращения солнечной энергии в химическую.

В организме человека магний участвует в более чем 300 ферментативных реакциях, регулирует работу мышц, нервной системы и сердца. Его недостаток приводит к мышечным судорогам, утомляемости, раздражительности.

Магний и его соединения применяются в различных отраслях:

1. Металлургия и машиностроение. Благодаря низкой плотности магний широко используется для создания лёгких сплавов (например, с алюминием, цинком), применяемых в авиа- и автомобилестроении, в производстве велосипедов, ноутбуков, мобильных телефонов и др.

2. Пиротехника. Магний — отличный источник яркого белого света. Порошок магния используется в фейерверках, сигнальных ракетах, во вспышках для фотосъёмки, а также в зажигательных смесях.

3. Медицина. Соединения магния (сульфат, оксид, гидроксид, карбонат) применяются как слабительные, противосудорожные, антистрессовые и кардиотропные препараты. Магний важен при лечении гипертонии, мигрени, нарушений сна.

4. Химическая промышленность. Магний используется как восстановитель при получении титана, циркония и других металлов. Кроме того, его соединения применяются для нейтрализации кислот и очистки растворов.

5. Сельское хозяйство. Магний необходим растениям для роста и развития. Удобрения, содержащие магний, повышают урожайность сельскохозяйственных культур.

6. Строительство. Оксид магния применяется для получения огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а карбонат магния — как компонент строительных смесей.

7. Бытовая химия и пищевая промышленность. Гидроксид магния входит в состав антацидов (средств от изжоги), а сульфат магния известен как английская соль — применяется в медицине и косметике.

Магний — это элемент с богатой историей и огромным значением для науки, техники, природы и здоровья человека. Его уникальное сочетание лёгкости, прочности и химической активности сделало его незаменимым во множестве отраслей. С каждым годом область применения магния расширяется, подтверждая, что этот металл занимает поистине важное место среди щелочноземельных элементов.