H HeLiBe B C N O F NeNaMg Al SiP S ClArK CaScTiV CrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrY ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI XeCsBa* HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRa** RfDbSgBhHsMtDsRgCnUutFlUupUuhUusUuo * LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu **AcThPaU NpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
Група 2 періодичної таблиці (Лужноземельні метали) Лу́жноземе́льні мета́ли — елементи головної підгрупи другої групи періодичної системи хімічних елементів. До них належать хімічні елементи: берилій, магній, кальцій, стронцій, барій та радій. За класифікацією IUPAC вони належать до II А групи Періодичної системи хімічних елементівGroup 2 — Alkaline Earth Metals , Royal Society of Chemistry.
Загальний опис Елементи другої групи головної підгрупи періодичної системи елементів називають лужноземельними металами через лужні властивості їх гідроксидів. Оксиди цих металів тугоплавкі і подібні до оксидів алюмінію і важких металів. Ці метали є пластичними, але значно твердішими за лужні метали. Також є менш легкоплавними.
Вони складають ряд із 6 елементів другої групи періодичної таблиці. Сильні відновники, легко віддають електрони. Свою назву ця група металів отримала через їхні оксиди — «землі» (за термінологією алхіміків), які дають у воді лужну реакцію. Солі цих металів широко розповсюджені у природі, найчастіше трапляються як мінерали. Сполуки HlgMR та MR2, серед яких магнійорганічні сполуки, широко використовуються в органічному синтезі. Ці метали менш реактивні, ніж лужні, проте в природі у вільному стані не зустрічаються. Вони крихкі, проте ковкі і штампуються. Добре проводять електричний струм, при нагріванні горять на повітрі.
Колір лужноземельних металів — світло-сірий або сріблястий. Хімічна активність зростає від кальцію до радію. За звичайних умов взаємодіють з киснем (берилій — при 500 °C), водою, фтором, при 300–400 °С — з воднем і галогенами.
Крім різних силікатних порід, Са, Sr і Ва зустрічаються головним чином у вигляді своїх важкорозчинних вуглекислих і сірчанокислих солей, як мінерали:
CaCO3 — кальцит
SrCO3 — стронціаніт
BaCO3 — вітерит
CaSO4 — ангідрит
SrSO4 — целестин
BaSO4 — важкий шпат
Історія лужноземельних металів Вапняк, мармур і гіпс вже у давнину (5000 років тому) застосовувалися єгиптянами в будівельній справі. Аж до кінця 18 століття хіміки вважали вапно простою речовиною. У 1746 р. І. Потт отримав і описав досить чистий оксид кальцію. У 1789 році А. Лавуазьє передбачив, що вапно, магнезія, барит — речовини складні. Ще задовго до відкриття стронцію і барію їх "нерозшифровані" сполуки застосовували в піротехніці для отримання відповідно червоних і зелених вогнів. До середини 40-х років минулого століття стронцій був насамперед металом "потішних вогнів". У 1787 р. у свинцевому руднику поблизу шотландського села Стронціан було знайдено новий мінерал, який назвали стронціанітом SrCO3. А. Крофорд припустив існування ще невідомої «землі». У 1792 р. Т. Хоп довів що до складу знайденого мінералу входить новий елемент — стронцій. У той час за допомогою Sr(OH)2 виділяли нерозчинний дисахарат стронцію (С12Н22О4·2SrO), при отриманні цукру з меляси. Видобуток Sr зростав. Однак скоро було відмічено, що аналогічний сахарат кальцію теж не розчинний, а окис кальцію був безсумнівно дешевшим. Інтерес до стронцію відразу ж зник і знову зріс до нього лише в 40-х роках минулого століття. Важкий шпат був першою відомою сполукою барію. Його відкрив на початку XVII ст. італійський алхімік Касціароло. Він же встановив, що цей мінерал після сильного нагрівання з вугіллям світиться в темряві червоним світлом і дав йому назву «lapis solaris» (сонячний камінь). У 1808 році Деві, піддаючи електролізу з ртутним катодом суміш вологою гашеного вапна з окисом ртуті, приготував амальгаму кальцію, а відігнавши з неї ртуть, отримав метал, названий «кальцій» (від лат. Calx, рід. Відмінок calcis — вапно). Тим самим способом Деві були отримані Ва і Sr. Промисловий спосіб отримання кальцію розроблений Зутером і Редліхом у 1896 р. на заводі Ратенау (Німеччина). У 1904 р. почав працювати перший завод з отримання кальцію.
Радій був передбачений Менделєєвим в 1871 р. і відкритий у 1898 р. подружжям Марією та П'єром Кюрі. Вони виявили, що уранові руди мають більшу радіоактивність ніж сам уран. Причиною були сполуки радію. Залишки уранової руди вони обробляли лугом, а що не розчинялося — соляною кислотою. Залишок після другої процедури володів більшою радіоактивністю, ніж руда. У цій фракції і був виявлений радій. Про своє відкриття подружжя Кюрі повідомили в доповіді за 1898 рік.
Історія берилію Сполуки берилію у вигляді дорогоцінних каменів були відомі ще в давнину. З давніх пір люди шукали і розробляли родовища блакитних аквамаринів, зелених смарагдів, зеленувато-жовтих берилів і золотистого хризоберилу. Але тільки в кінці 18 століття хіміки запідозрили, що в берилу є якийсь новий невідомий елемент. У 1798 році французький хімік Льюїс Ніколас Воклен виділив з берилу оксид "La terree du beril", який відрізнявся від окису алюмінію. Цей окис надавав солям солодкого смаку, не утворював квасців, розчинявся в розчині карбонату амонію і не осаджувався оксалатом калію. Металевий берилій був вперше отриманий у 1829 році відомим німецьким вченим Веллером і одночасно французьким ученим Бюссі, який отримав порошок металевого берилію відновленням хлористого берилію металевим калієм. Початок промислового виробництва належить до 30-40 рр. минулого століття.
Історія магнію Свою назву елемент отримав за місцевістю Магнезія в Стародавній Греції. Природні матеріали з вмістом магнію, такі як магнезит і доломіт здавна використовувалися в будівництві.
Перші спроби виділити металеву основу магнезії в чистому вигляді були зроблені на початку XIX ст. знаменитим англійським фізиком і хіміком Гемфрі Деві (1778-1829) після того, як він піддав електролізу розплави їдкого калі та їдкого натру і отримав металевий Na та K. Він вирішив спробувати аналогічним чином розкласти оксиди лужноземельних металів і магнезії. У своїх початкових дослідах Деві пропускав струм через вологі оксиди, оберігаючи їх від зіткнення з повітрям шаром нафти, а проте при цьому метали сплавлялися з катодом і їх не вдавалося відокремити.
Деві пробував застосовувати безліч різних методів, але всі вони з різних причин виявлялися малоуспішними. Нарешті, в 1808 р. його спіткала удача - він змішав вологу магнезію з оксидом ртуті, помістив масу на платівку з платини і пропустив через неї струм; амальгаму переніс у скляну трубку, нагрів, щоб видалити ртуть, і отримав новий метал. Тим же способом Деві вдалося отримати барій, кальцій і стронцій. Промислове виробництво магнію електролітичним способом було розпочато в Німеччині в кінці 19 століття. Теоретичні та експериментальні роботи з отримання магнію електролітичним способом у Росії були виконані П. П. Федотьєвим; процес відновлення оксиду магнію кремнієм у вакуумі досліджував П. Ф. Антипін.
Поширення Берилій належить до числа не дуже поширених елементів: його вміст в земній корі становить 0,0004 ваги. %. Берилій в природі знаходиться у зв'язаному стані. Найважливіші мінерали берилію: берил — Be3Al2(SiO3)6, хризоберил — Be(AlO2)2 і фенакіт —Be2SiO4. Основна частина берилію розсіяна в ролі домішок до мінералів ряду інших елементів, особливо алюмінію. Берилій міститься також в глибинних опадах морів і золі деяких видів кам'яного вугілля. Деякі різновиди берилу, забарвлені домішками в різні кольори, належать до коштовних каменів. Такі, наприклад, зелені смарагди, блакитнувато-зелені аквамарини.
Магній — один з найпоширеніших у земній корі елементів. Вміст магнію складає 1,4%. До числа найважливіших мінералів відносяться, зокрема, вуглекислі карбонатні породи, що утворюють величезні масиви на суші і навіть цілі гірські хребти — магнезит MgCO3 та доломіт MgCO3·CaCO3. Під шарами різних наносних порід спільно з покладами кам'яної солі відомі колосальні поклади та іншого легкорозчинного магнійвмісного мінералу — карналіту MgCl2·KCl·6H2O. Крім того, у багатьох мінералах магній тісно пов'язаний із кремнеземом, утворюючи, наприклад, олівін [(Mg,Fe)2SiO4] і рідше зустрічається форстерит (Mg2SiO4). Інші магнієвмісні мінерали це бруцит Mg(OH)2, кізерит MgSO4, епсон MgSO4·7H2O, каїніт MgSO4·KCl·3H2O. На поверхні Землі магній легко утворює водяні силікати (тальк, азбест тощо), прикладом яких може служити серпентин 3MgO·2SiO2·2H2O. З відомих мінералів близько 13% містять магній. Проте природні сполуки магнію широко зустрічаються й у розчиненому вигляді. Крім різних мінералів та гірських порід, 0,13% магнію у вигляді MgCl2 постійно містяться у водах океану (його запаси тут невичерпні — близько 6·1016 т) і в солоних озерах і джерелах. Магній також входить до складу хлорофілу в кількості до 2% і виступає тут як комплексоутворювач. Загальний вміст цього елемента в живій речовині Землі оцінюється величиною порядку 1011 тонн.
Добування Основний (близько 70%) спосіб отримання магнію — електроліз розплавленого карналіту або MgCl2 під шаром флюсу для захисту від окислення. Термічний спосіб отримання магнію (близько 30%) полягає у відновленні обпаленого магнезиту або доломіту. Берилієві концентрати переробляють на оксид або гідроксид берилію, з яких отримують фторид або хлорид. При отриманні металевого берилію здійснюють електроліз розплаву BeCl2 (50 ваг. %) і NaCl.Така суміш має температуру плавлення 300 °C проти 400 °C для чистого BeCl2. Також берилій отримують магній- або алюмотермічним способом при 1000-1200 °C з Na2[BeF4]: Na2[BeF4] + 2Mg = Be + 2Na + MgF2. Особливо чистий берилій (в основному для атомної промисловості) отримують зонною плавкою, дистиляцією в вакуумі і електролітичним рафінуванням.
Спочатку одержують оксиди або хлориди Е. ЕО отримують прожарюванням ЕСО3, а ECl2 дією соляної кислоти на ЕСО3. Всі лужноземельні метали можна отримати алюмотермічним відновленням їх оксидів при температурі 1200 °C за приблизною схемою: 3ЕО + 2Al = Al2O3 + 3Е. Процес при цьому ведуть у вакуумі в уникненні окислення Е. Кальцій (як і всі інші Е) можна отримати електролізом розплаву CaCl2 з наступною перегонкою у вакуумі або термічною дисоціацією CaCl2. Ва і Sr можна отримати піролізом Е2N3, Е(NH3)6, ЕН2. Радій видобувають попутно з уранових руд.
Особливості Берилій є "чистим" елементом. У природі магній зустрічається у вигляді трьох стабільних ізотопів: 24Mg (78,60%), 25Mg (10,11%) і 26Mg (11,29%). Штучно були отримані ізотопи з масами 23, 27 і 28.
Берилій має атомний номер 4 і атомна вага 9,0122. Він знаходиться в другому періоді періодичної системи і очолює головну підгрупу 2 групи. Електронна структура атома берилію 1s22s2. При хімічній взаємодії атом берилію збуджується (що вимагає витрати 63 ккал/г·атом) і один з 2s-електронів переходить на 2р-орбіталь що визначає специфіку хімії берилію: він може проявляти максимальну ковалентність, що дорівнює 4, утворюючи 2 зв'язку за обмінним механізмом, і 2 за донорно-акцепторним. На кривій потенціалів іонізації берилій займає одне з чільних місць. Остання відповідає його малому радіусу і характеризує берилій як елемент не особливо охоче віддає свої електрони, що в першу чергу визначає малу ступінь хімічної активності елемента. З точки зору електронегативності берилій може розглядатися як типовий перехідний елемент між електропозитивних атомами металів, легко віддають свої електрони, і типовими комплексо-просвітників, що мають тенденцію до утворення ковалентного зв'язку. Берилій проявляє діагональну аналогію з алюмінієм більшою мірою, ніж Li c Mg і є кайносімметрічним елементом. Берилій та його сполуки дуже токсичні. ГДК в повітрі — 2 мкг/м³.