Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы — это химические элементы главной подгруппы II группы (по устаревшей классификации — IIA группы) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra). Название происходит от того, что оксиды этих металлов (в старинной терминологии — «земли») взаимодействуют с водой, образуя щёлочи, и при этом сами обладают щелочными свойствами. В свободном виде все щелочноземельные металлы представляют собой серебристо-белые, сравнительно мягкие (кроме бериллия) вещества, обладающие высокой химической активностью.

История открытия

Первые сведения о соединениях щелочноземельных металлов относятся к глубокой древности. Известняк (карбонат кальция) и гипс (сульфат кальция) использовались в строительстве ещё в Древнем Египте и Месопотамии. Однако выделение металлов в чистом виде стало возможным только в конце XVIII — начале XIX века.

• Магний впервые был получен в 1808 году английским химиком Гемфри Дэви путём электролиза смеси оксида магния и оксида ртути.
• Кальций, стронций и барий также были выделены Дэви в 1808 году электролизом их влажных гидроксидов.
• Бериллий был открыт в 1798 году французским химиком Луи Никола Вокленом в составе минерала берилла, но в виде металла его впервые получили в 1828 году независимо друг от друга Фридрих Вёлер и Антуан Бюсси.
• Радий был открыт в 1898 году супругами Пьером и Марией Кюри в урановой руде. Радий является радиоактивным элементом, его период полураспада наиболее стабильного изотопа — 1600 лет.

Физические свойства

Щелочноземельные металлы обладают типичными металлическими свойствами. Они имеют серебристо-белый цвет (кроме бериллия, который имеет сероватый оттенок) и характерный металлический блеск. Твёрдость металлов закономерно возрастает с уменьшением атомного радиуса: цезий (самый мягкий) и барий (мягкий, режется ножом) — самые мягкие, магний и кальций — твёрже, а бериллий — самый твёрдый и хрупкий из группы.

Температуры плавления и кипения снижаются от бериллия к радию (за исключением магния, который плавится при более низкой температуре, чем кальций). Плотность металлов в целом возрастает от бериллия (1,85 г/см³) к радию (5,5 г/см³), однако магний (1,74 г/см³) и кальций (1,55 г/см³) легче бериллия. Все щелочноземельные металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла.

Химические свойства

Химическая активность щелочноземельных металлов возрастает от бериллия к радию, что связано с увеличением атомного радиуса и уменьшением энергии ионизации. На внешнем электронном слое атомов этих элементов находится два электрона (конфигурация ns²), которые они легко отдают, образуя катионы с зарядом +2.

Взаимодействие с простыми веществами

• С кислородом все металлы, кроме бериллия, образуют оксиды (MO). Бериллий при нормальных условиях покрывается тонкой, но очень прочной оксидной плёнкой, защищающей его от дальнейшего окисления. При нагревании бериллий сгорает ярким пламенем, образуя оксид BeO. Магний и кальций горят ослепительно-белым пламенем, стронций — красным, барий — зелёным. Радий окисляется на воздухе мгновенно.
• С галогенами (хлором, бромом, йодом) реагируют при нагревании, образуя галогениды.
• С водородом при нагревании образуют гидриды (например, CaH₂), которые являются ионными соединениями и используются как источники водорода.

Взаимодействие со сложными веществами

• С водой: бериллий практически не реагирует с водой из-за защитной оксидной плёнки. Магний реагирует с горячей водой медленно. Кальций, стронций и барий бурно реагируют с водой при комнатной температуре, выделяя водород и образуя гидроксиды: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.
• С кислотами: все металлы (кроме бериллия, который пассивируется в концентрированных азотной и серной кислотах) активно реагируют с разбавленными кислотами, вытесняя водород.
• С щелочами: бериллий проявляет амфотерные свойства и реагирует с растворами щелочей, образуя бериллаты: Be + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Be(OH)₄] + H₂↑. Остальные металлы с щелочами не взаимодействуют.

Нахождение в природе

Вследствие высокой химической активности щелочноземельные металлы в природе встречаются только в виде соединений. Наиболее распространёнными являются кальций и магний, входящие в состав многих минералов и горных пород.

• Кальций — пятый по распространённости элемент в земной коре (около 3,6 % по массе). Основные минералы: кальцит (CaCO₃) — основа известняка, мрамора, мела; гипс (CaSO₄·2H₂O); флюорит (CaF₂); апатит (Ca₅(PO₄)₃F).
• Магний — восьмой по распространённости элемент (около 2,1 %). Входит в состав доломита (CaMg(CO₃)₂), магнезита (MgCO₃), карналлита (KMgCl₃·6H₂O). В морской воде содержится в виде хлорида и сульфата.
• Стронций и барий встречаются реже. Основные минералы: целестин (SrSO₄) и стронцианит (SrCO₃) для стронция; барит (BaSO₄) и витерит (BaCO₃) для бария.
• Бериллий — редкий элемент (около 0,0004 %). Главные минералы: берилл (Be₃Al₂(SiO₃)₆), фенакит (Be₂SiO₄), хризоберилл (BeAl₂O₄).
• Радий — крайне редкий радиоактивный элемент, содержится в урановых рудах в следовых количествах (около 1 г на 7 тонн урана).

Получение

Основные методы получения щелочноземельных металлов — электролиз расплавов их солей (обычно хлоридов) или восстановление оксидов более активными металлами (алюминием, кремнием, углеродом).

• Магний получают электролизом расплава хлорида магния (MgCl₂) или термическим восстановлением оксида магния кремнием (силикотермический метод).
• Кальций получают электролизом расплава хлорида кальция (CaCl₂) или алюмотермическим восстановлением оксида кальция.
• Стронций и барий получают алюмотермическим восстановлением их оксидов.
• Бериллий получают восстановлением фторида бериллия магнием или электролизом расплава хлорида бериллия.
• Радий выделяют из отходов переработки урановых руд методами ионного обмена или соосаждения.

Применение

Бериллий

• Используется в ядерной энергетике как замедлитель нейтронов и отражатель.
• Применяется в авиа- и ракетостроении для создания лёгких и прочных сплавов (бериллиевая бронза).
• Входит в состав рентгеновских окон (пропускает рентгеновское излучение).

Магний

• Основной компонент лёгких сплавов (электрон, магналий) для авиационной, автомобильной и космической промышленности.
• Используется в пиротехнике (для создания ярких вспышек) и в производстве сигнальных ракет.
• Применяется в металлургии как раскислитель и легирующая добавка.
• Входит в состав некоторых лекарственных препаратов (сульфат магния — слабительное, карбонат магния — антацид).

Кальций

• Используется в металлургии для раскисления стали и удаления серы.
• Применяется в производстве строительных материалов (цемент, известь, гипс).
• Соединения кальция (карбонат, фосфат, глюконат) широко используются в медицине, фармацевтике и пищевой промышленности.
• Является важнейшим макроэлементом для живых организмов (кости, зубы, нервная система).

Стронций

• Соли стронция применяются в пиротехнике для окрашивания пламени в красный цвет.
• Используется в производстве ферритовых магнитов и в стекольной промышленности.
• Радиоактивный изотоп стронций-90 используется в радиоизотопных источниках энергии.

Барий

• Сульфат бария (BaSO₄) применяется в медицине как рентгеноконтрастное вещество для исследования желудочно-кишечного тракта.
• Соли бария используются в пиротехнике (зелёный цвет пламени) и в производстве красок.
• Барий применяется в вакуумной технике как геттер (поглотитель газов).

Радий

• Исторически использовался в медицине для лучевой терапии рака.
• Применялся в производстве светящихся красок (циферблаты часов, приборы).
• В настоящее время из-за высокой радиоактивности и токсичности используется ограниченно, в основном в научных исследованиях.

Биологическая роль и токсичность

• Кальций и магний являются жизненно необходимыми элементами для всех живых организмов. Кальций участвует в формировании скелета, мышечном сокращении, передаче нервных импульсов. Магний входит в состав хлорофилла и необходим для фотосинтеза.
• Стронций не является жизненно необходимым, но может замещать кальций в костях. Радиоактивный стронций-90 представляет серьёзную опасность для здоровья.
• Барий и его растворимые соли (например, хлорид бария) ядовиты. ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м³.
• Бериллий и его соединения высокотоксичны и канцерогенны. Вызывают хроническое заболевание — бериллиоз. ПДК в воздухе рабочей зоны — 0,001 мг/м³.
• Радий чрезвычайно радиоактивен и токсичен. При попадании в организм накапливается в костях, вызывая лучевую болезнь и рак.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998.
2. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
3. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
4. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
5. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000.