22. ЕЛЕМЕНТИ ІIА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

До IІА групи належать Берилій Be, Магній Mg, Кальцій Ca, Стронцій Sr, Барій Ba і Радій Ra. На зовнішньому електронному рівні вони містять два s-електрони – ns², де n – номер періоду, тому є s-елементами – повними електронними аналогами.

Усі елементи – типові метали, їх ще називають лужноземельні метали (крім Берилію і Магнію). Така назва утворена із загальної алхімічної назви малорозчинних сполук – “землі”. “Землі” CaO, SrO, BaO утворюють розчинні у воді сильні основи Ме(ОН)₂ – луги, тому їх назвали “лужними землями”, а метали – лужноземельними.

Лужноземельні метали виявляють сильні відновні властивості, легко віддають два валентних електрони (окиснюються) набуваючи електронної конфігурації благородного газу. У сполуках лужноземельних металів існує іонний зв’язок. Характерна валентність 2, ступінь окиснення +2.

Металічні властивості зростають у групі зверху вниз, температури плавлення та енергії іонізації зменшуються. Усі сполуки лужноземельних металів (крім Берилію) виявляють властивості основ. Хімічні властивості лужноземельних металів схожі з хімічними властивостями лужних металів, проте перші є менш активними.

22.1. Кальцій

Латинською “calix” означає вапно, крейду, мармур. Від цього слова утворилась сучасна назва Кальцій. Сполуки кальцію використовувались з давніх часів. Ще у І ст. н.е. у Римській імперії було відоме негашене вапно (кальцій оксид), гашене вапно (кальцій гідроксид) і бетон.

Поширення в природі. Кальцій – один з найпоширеніших елементів на Землі. Із солей кальцію утворені гірські масиви, глинисті породи, він міститься у рослинах і тваринах, морській та річковій воді. У природі  він зустрічаються лише у вигляді сполук (табл. 22.1).

Таблиця 22.1

Деякі природні сполуки кальцію

 Велика кількість кальцію міститься у рослинних і тваринних організмах. До складу кісток входить біля 80% кальцій фосфату.

Одержання. Металічний кальцій вперше одержав Г. Деві (Англія, 1808 р.) при електролізі розплаву кальцій гідроксиду Ca(OH)₂. Зараз кальцій одержують електролізом розплаву кальцій хлориду і кальцій фториду СaCl₂ + CaF₂. У 1865 р. М.М Бекетов (Росія) запропонував алюмотермічний спосіб добування кальцію при температурі 1100 – 1200 ⁰С.

Фізичні властивості. Кальцій – сріблясто-білий метал, з хорошою тепло- та електропровідністю, пластичний, ковкий (табл. 22.2.)

Таблиця 22.2

Деякі властивості кальцію

Хімічні властивості. Кальцій – хімічно активний метал, що зумовлено низьким значенням енергії іонізації (легкістю віддачі електронів). Як типовий метал, кальцій виявляє тільки відновні властивості.

При контакті з повітрям кальцій вкривається плівкою, що складається з нітриду, оксиду i карбонату. Тому кальцій зберігають в герметичному посуді під шаром гасу, який захищає від контакту з повітрям.

І. Взаємодія з простими речовинами.

Кальцій за м’яких умов реагує з усіма неметалами (крім благородних газів), виявляючи при цьому винятково відновні властивості. З воднем, галогенами, вуглецем, киснем, сіркою, азотом, фосфором утворюються відповідні бінарні сполуки (див. Бінарні сполуки). При їх гідролізі утворюються відповідні водневі сполуки неметалів та кальцій гідроксид.

ІІ. Взаємодія зі складними речовинами.

1. Кальцій повільно розчиняється в холодній воді і швидше – у гарячій, з  утворенням кальцій гідроксиду Са(ОН)₂ і виділенням водню Н₂:

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂­.

2. Взаємодія з кислотами-неокисниками (HHal) відбувається з утворенням відповідних солей і виділенням водню:

Са + 2НHal = CaНal₂ + Н₂­.

При взаємодії з кислотами-окисниками (концентровані HNO₃, H₂SO₄, розбавлена HNO₃) водень не утворюється, а виділяються продукти відновлення відповідних кислот (див. Нітратна кислота та Сульфатна кислота):

4Ca + 10HNO_3р. = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O,

4Ca + 10HNO_3к. = 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O,

4Ca + 5H₂SO_4к. = 4CaSO₄ + H₂S + 4H₂O.

22.2. Сполуки кальцію

Найважливіше практичне значення мають оксид, гідроксид, хлорид, сульфат та карбонат кальцію.

Кальцій оксид СаО (технічні назви – негашене вапно, кипілка). Одержують взаємодією металічного кальцію з киснем або піролізом вапняку:

2Са + О₂ = 2СаО;                   СаСО₃ = СаО + СО₂.

Це – типовий основний оксид, виявляє усі характерні властивості (див. Оксиди). У воді розчиняється з виділенням великої кількості тепла, так що вода закипає (звідси й пішла назва СаО – кипілка):

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q,    ΔН < 0.

Кальцій гідроксид Са(ОН)₂ (технічні назви – гашене вапно, пушонка). Малорозчинний у воді, суспензія Са(ОН)₂ у воді – вапняне молоко (вапняна вода) має лужну реакцію.

Кальцій гідроксид – типовий основний гідроксид, виявляє усі характерні властивості (див. Основи).

При пропусканні газоподібного хлору через вапняну воду утворюється хлорне вапно (див. Оксигеновмісні сполуки Хлору):

2Са(ОН)₂ + 2Cl₂ = Са(ClO)₂ + СаCl₂ + 2H₂O.

Солі кальцію – безбарвні кристалічні речовини. У воді добре розчинні галогеніди, нітрат та гідрогенкарбонат кальцію, усі інші – мало- або практично нерозчинні у воді. Одержують солі кальцію зальноприйнятими способами (див. Солі).

Солі кальцію і оксигеновмісних кислот термічно нестійкі і при нагріванні розкладаються:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + СО₂ + Н₂О;

СаСО₃ = СаО + СО₂;              2Са(NО₃)₂ = 2СаО + 4NО₂ + O₂.

Якісні реакції на іони Са²⁺ і Ва²⁺. При пропусканні карбон (IV) оксиду через розчини солей кальцію і барію, або додаванням до них розчинів карбонатів утворюється білий осад нерозчинних у воді карбонатів кальцію і барію:

Са²⁺ + СО₂ + 2ОН^– = СаСО₃↓ + Н₂О;                 Ва²⁺ + СО₃^2–  = ВаСО₃↓.

При надлишку СО₂ карбонати кальцію і барію розчиняються з утворенням відповідних гідрогенкарбонатів:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ = Са(НСО₃)₂.

Білі, нерозчинні у воді та розбавлених кислотах солі утворюються при взаємодії іонів Са²⁺ з оксалат-іонами C₂O₄^2–, а Ва²⁺ – з сульфат іонами SO₄^2–:

Са²⁺ + C₂O₄^2– = CaC₂O₄↓ – кальцій оксалат;

Ва²⁺ + SO₄^2– = ВаSO₄↓ – барій сульфат.

22.3. Твердість води та способи її усунення

У зв’язку зі значним поширенням кальцію, його солі майже завжди містяться у природній воді.

Природну воду, що містить значну кількість кальцію і магнію називають твердою. М’яка вода містить мало солей магнію і кальцію або вони у ній практично відсутні.

Сумарний вміст солей магнію і кальцію у воді називають загальною твердістю води. В її межах виділяють карбонатну твердість, зумовлену наявністю карбонатів та гідрогенкарбонатів магнію та кальцію і некарбонатну, зумовлену наявністю інших солей (хлоридів, сульфатів) магнію і кальцію.

При нагріванні води, що має карбонатну твердість утворюється осад карбонатів кальцію і магнію і виділяється СО₂:

Са(НСО₃)₂.= СаСО₃↓ + СО₂­ + Н₂О.

Через це карбонатну твердість називають тимчасовою. Твердість води, яка залишається після кип’ятіння, називають постійною.

За твердістю воду умовно поділяють на м’яку, середню, тверду і дуже тверду. Морська вода завжди значно твердіша, ніж прісна.

Тверда вода непридатна для багатьох технічних завдань. При її використанні у парових котлах стінки вкриваються накипом, що погіршує теплопередачу, веде до утворення тріщин. Тверда вода не придатна для прання тканин, варіння мила. Вона не дає піни з милом, оскільки розчинні натрієві і калієві солі вищих жирних кислот з мила переходять у нерозчинні солі кальцію та магнію:

2С₁₇Н₃₅СООNa + CaSO₄ = Ca(С₁₇Н₃₅СОО)₂↓ + Na₂SO₄.

    натрій стеарат                            кальцій стеарат

У зв’язку з цим проводять пом’якшення води – видалення солей магнію і кальцію. Пом’якшення буває фізичне і хімічне.

При хімічному пом’якшенні у воду додають осаджувачі – найчастіше соду NaНCO₃ і вапно Ca(ОН)₂. При цьому відбуваються реакції:

Ca²⁺ + HCO₃^– = CaCO₃↓ + H⁺,                   Mg²⁺ + Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂↓ + Ca²⁺.

Іноді для видалення іонів Mg²⁺ і Са²⁺ воду пропускають через шар іоніту (катіоніту) – проводять іонообмінну очистку. Катіоніт – сполука типу Na₂R, де R – органічний залишок, у якому натрій може замінятись на іони магнію або кальцію:

Na₂R + Са²⁺ = СаR + 2Na⁺.

Коли увесь натрій з катіоніту обміняється на іони Са²⁺, катіоніт регенерують, пропускаючи через нього концентрований розчин натрій хлориду або натрій сульфату:

СаR + Na₂SO₄ = Na₂R + СаSO₄.

До фізичних методів пом’якшення води належать електродіаліз, магнітна та ультразвукова обробка.

Найчастіше пом’якшення води проводять у кілька етапів:

1. кип’ятінням усувають тимчасову твердість;
2. додаванням кальцій гідроксиду та соди – постійну твердість;
3. для додаткового пом’якшення воду пропускають через катіоніт.

Повного обезсолення води можна досягти дистиляцією – випаровуванням води з наступною конденсацію пари.

22.4. Застосування кальцію та його сполук

Металічний кальцій використовують як відновник при добуванні деяких металів (урану, хрому), для видалення слідів кисню, сірки, для осушення органічних розчинників.

Кальцій оксид СаО використовують для добування кальцій гідроксиду.

Кальцій гідроксид Са(ОН)₂ – у будівництві як в’яжучий матеріал.

Кальцій хлорид СаСl₂ – осушувач (поглинає воду).

Кальцій карбонат СаСО₃ – крейда, мармур (у будівництві).

Гіпс CaSO₄×2H₂O – у медицині, будівництві.

Алебастр 2CaSO₄×H₂O – у будівництві, для художнього ліплення, у медицині.