Кальций, стронций и барий
Противоположные тенденции
Чтобы сравнить соединения кальция, стронция и бария, полезно рассмотреть их вместе с соединениями магния. В таблице приведены растворимость гидроксидов и сульфатов, температуры разложения карбонатов и окраска пламени.
| Mg | Ca | Sr | Ba | |
|---|---|---|---|---|
| Растворимость \(\ce{M(OH)2}\), г/100 г воды | 0,001 | 0,17 | 0,8 | 3,9 |
| Растворимость \(\ce{MSO4}\), г/100 г воды | 35 | 0,2 | 0,013 | 0,0002 |
| Температура разложения \(\ce{MCO3}\), °C | 350 | 900 | 1100 | 1360 |
| Окраска пламени | — | кирпично-красное | карминовое | жёлто-зелёное |
При переходе от магния к барию растворимость гидроксидов возрастает, а растворимость сульфатов уменьшается. Эти противоположные тенденции связаны с соотношением энергий кристаллической решётки и гидратации ионов; подробнее оно рассматривается в уроке 167. Для соединений с небольшим анионом \(\ce{OH-}\) решающим оказывается ослабление кристаллической решётки, а для соединений с крупным анионом \(\ce{SO4^2-}\) — ослабление гидратации катиона. Карбонаты в том же ряду становятся термически устойчивее: для их разложения требуется более высокая температура.
auto_awesomeФейерверк
Окраска салюта связана с излучением частиц, содержащих металлы: соли стронция дают красный цвет, бария — зелёный, натрия — жёлтый, меди в присутствии хлоридов — синий, кальция — оранжевый. Окислитель (перхлорат или нитрат калия) и горючее разогревают смесь, а атомы металлов излучают свет на своих характерных длинах волн.
Барий образует несколько соединений, реакции которых используют для обнаружения веществ и их получения.
scienceБарий и его соединения
- \(\ce{BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 v + 2HCl}\) — при взаимодействии хлорида бария с серной кислотой выпадает осадок сульфата бария; образование этого осадка служит качественной реакцией на сульфат-ионы.
- \(\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3 v + H2O}\) — при пропускании углекислого газа через баритовую воду выпадает осадок карбоната бария; баритовая вода чувствительнее известковой.
- \(\ce{BaO2 + H2SO4 -> BaSO4 v + H2O2}\) (урок 101) — при взаимодействии пероксида бария с серной кислотой образуются сульфат бария и пероксид водорода.
- \(\ce{2BaO + O2 <=> 2BaO2}\) — обратимое превращение оксида бария в пероксид лежит в основе способа Брина.
Металлы и соединения
Кальций, стронций и барий — активные металлы, поэтому их хранят под керосином. Все три металла реагируют с водой с выделением водорода: кальций — спокойно, барий — бурно. При нагревании они также взаимодействуют с водородом, азотом и углеродом. Следующие реакции показывают свойства образующихся соединений и один из способов получения бария.
scienceЩёлочноземельные металлы
- \(\ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^}\) — при взаимодействии кальция с водой образуется гидроксид кальция и выделяется водород.
- \(\ce{Ca + H2 ->[t] CaH2}\) — при нагревании кальций взаимодействует с водородом; образующийся гидрид кальция называют гидролитом (урок 98).
- \(\ce{3Ca + N2 ->[t] Ca3N2}\) — при нагревании кальций взаимодействует с азотом с образованием нитрида кальция.
- \(\ce{CaO + 3C ->[2000 °C] CaC2 + CO}\) — при нагревании оксида кальция с углеродом образуются карбид кальция и угарный газ.
- \(\ce{3BaO + 2Al ->[t] 3Ba + Al2O3}\) — барий получают восстановлением его оксида алюминием; этот способ называют алюминотермией, а летучий металл отгоняют в вакууме.
- \(\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}\) — при взаимодействии гидрида кальция с водой выделяется водород; поэтому гидрид используют как полевой источник газа: килограмм гидрида даёт около кубометра водорода.
- \(\ce{Ca3N2 + 6H2O -> 3Ca(OH)2 + 2NH3 ^}\) — при гидролизе, то есть взаимодействии с водой, нитрид кальция образует гидроксид кальция и аммиак; поэтому кальций, горевший на воздухе, может пахнуть аммиаком.
Сходство стронция с кальцием имеет и важное биологическое следствие. Организм способен включать стронций в те ткани, в которых обычно накапливается кальций.
errorСтронций-90
При ядерных взрывах и авариях образуется радиоактивный \(\ce{^90Sr}\) (\(T_{1/2} = 28{,}8\) года). По химическим свойствам он похож на кальций, поэтому накапливается в костях и зубах и облучает костный мозг. В 1960-е годы исследование молочных зубов американских детей (Baby Tooth Survey) показало рост содержания стронция-90 и помогло принять договор о запрещении ядерных испытаний в атмосфере (1963).
Различия в растворимости солей кальция, стронция и бария позволяют различать эти металлы при химическом анализе. Для этого выбирают условия, при которых соль одного металла выпадает в осадок, а соли других остаются в растворе.
boltКальций, стронций, барий в анализе
Среди сульфатов \(\ce{CaSO4}\) растворим заметно лучше и осаждается только из концентрированных растворов; \(\ce{SrSO4}\) малорастворим, а \(\ce{BaSO4}\) практически нерастворим. Среди хроматов \(\ce{BaCrO4}\) выпадает в осадок в уксуснокислой среде, тогда как \(\ce{SrCrO4}\) и \(\ce{CaCrO4}\) при этих условиях не выпадают. Осаждение \(\ce{CaC2O4}\) используют для определения кальция.
Где тенденции ломаются
Тенденции, установленные для кальция, стронция и бария, нельзя без проверки распространять на всю группу. Бериллий и магний по ряду свойств отличаются от остальных её элементов:
- \(\ce{Be(OH)2}\) реагирует и с кислотами, и со щелочами, поэтому его называют амфотерным гидроксидом; остальные гидроксиды группы являются основаниями.
- \(\ce{MgSO4}\) хорошо растворим в воде, тогда как \(\ce{MgCO3}\) и \(\ce{MgF2}\) растворяются плохо.
- \(\ce{BeCl2}\) имеет ковалентный характер, а \(\ce{MgCl2}\) при нагревании частично гидролизуется.
- Магний горит в \(\ce{CO2}\) и азоте, но с холодной водой реагирует медленно.
Особенно сильно от соседей по группе отличается бериллий. Эта особенность первого элемента наблюдается и в других группах Периодической системы.
boltМалый первый элемент
Первый элемент каждой группы (Li, Be, B, C, N, O, F) отличается от следующих элементов небольшим размером атома, отсутствием низколежащих d-орбиталей и высокой электроотрицательностью. Для неметаллов этого ряда характерна также склонность к образованию кратных связей. Поэтому, прослеживая изменение свойств сверху вниз, полезно сначала сравнивать элементы начиная со второго в группе, а свойства первого рассматривать отдельно.
Свойства бериллия и магния проявляются в реакциях их гидроксидов и солей. Карбонат магния разлагается при более низкой температуре, чем карбонаты кальция, стронция и бария.
scienceОсобенности бериллия и магния
- \(\ce{Be(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Be(OH)4]}\) — взаимодействие гидроксида бериллия со щёлочью показывает его амфотерность.
- \(\ce{MgCl2*6H2O ->[t] MgO + 2HCl + 5H2O}\) — при нагревании кристаллогидрата хлорида магния происходит гидролиз с образованием оксида магния.
- \(\ce{MgCO3 ->[350 °C] MgO + CO2}\) — карбонат магния при нагревании разлагается легче карбонатов кальция, стронция и бария.
Ещё одно применение различий в растворимости связано с гидроксидом бария и его раствором.
auto_awesomeГидроксид бария — сильное основание
Раствор \(\ce{Ba(OH)2}\) называют баритовой водой. Он удобен как титрант, то есть раствор для титрования: карбонат-ионы сразу осаждаются в виде \(\ce{BaCO3}\) и не остаются в растворе. Раньше баритовой водой определяли содержание углекислого газа в воздухе.
push_pinГлавное
Кальций, стронций и барий — активные металлы: при взаимодействии с водой они образуют гидроксиды и выделяют водород, причём кальций реагирует спокойно, а барий — бурно. В ряду от магния к барию растворимость гидроксидов возрастает (\(\ce{Mg(OH)2}\) почти нерастворим, \(\ce{Ba(OH)2}\) хорошо растворим), а растворимость сульфатов уменьшается (\(\ce{MgSO4}\) растворим, \(\ce{BaSO4}\) практически нерастворим). Карбонаты разлагаются тем труднее, чем крупнее катион. Кальций окрашивает пламя в кирпично-красный цвет, стронций — в карминово-красный, барий — в жёлто-зелёный. Радиоактивный \(\ce{^90Sr}\) из радиоактивных осадков накапливается в костях подобно кальцию.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.