Содержательная часть урока химии в 9 классе по теме "Щелочные металлы"

Предмет химия (34 часа)

Класс 9

Урок № 26

Щелочноземельные металлы. Магний и кальций.

Во IIА группу входят бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Последние четыре элемента получили название щелочноземельных. Такое название обусловлено тем, что эти элементы встречаются в природе в составе минералов-карбонатов, прокаливание которых и дальнейшее растворение полученных продуктов приводит к образованию щелочного раствора. Отсюда и название «щелочные земли».

У атомов химических элементов IIА группы на внешнем слое находится по 2 электрона. В химических реакциях атомы этих элементов выступают в качестве восстановителей, отдавая внешние электроны и превращаясь в ионы с зарядом «2+». Щелочноземельные металлы и их соли окрашивают пламя в разные цвета: например, кальций – в кирпично-красный, стронций – в красный, барий – в зеленый.

Нахождение в природе щелочноземельных металлов

В виде простых веществ элементы IIА группы в природе не встречаются. Самые распространенные из них – кальций и магний – встречаются в природе в составе минералов, содержащих, как правило, карбонаты и сульфаты этих элементов. Также соли кальция и магния содержатся в пресной и морской воде.

Радий – радиоактивный элемент. В природе он встречается в составе минералов урана.

Физические свойства щелочноземельных металлов

В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.

Магний в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная.

Ca, Ba и Sr в свободном виде – серебристо-белые металлы. При нахождении на воздухе мгновенно покрываются желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты их взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, Ba и Sr – мягче.

Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.

Химические свойства щелочноземельных металлов

Теперь рассмотрим химические свойства простых веществ, образованных элементами IIА группы. Простые вещества бериллий, магний и щелочноземельные металлы химически довольно активны. Щелочноземельные металлы нельзя хранить на воздухе, их, как и щелочные металлы, хранят под слоем керосина. Бериллий и магний более устойчивы к воздействию воздуха.

Металлы IIА группы взаимодействуют с кислородом с образованием оксидов и выделением теплоты:

2Ba + O2 = 2BaO + Q

Рис. 2. Горение кальция в кислороде

Как и щелочные металлы, они могут взаимодействовать со многими неметаллами, в том числе с серой, галогенами, фосфором, водородом:

Ca + S = CaS

Mg + Cl₂ = MgCl₂

3Ca + 2P = Ca₃P₂

Ba + H₂ = BaH₂

Щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой, при этом образуются щелочи и выделяется водород. Эти реакции являются экзотермическими:

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂

Являясь активными металлами, бериллий, магний и щелочноземельные металлы способны реагировать с кислотами, вытесняя из них водород.

Бериллий является переходным элементом. Поэтому простое веществ бериллий способно реагировать не только с кислотами, но со щелочами.

Применение щелочноземельных металлов

Спектр применения щелочноземельных металлов очень обширен и охватывает многие отрасли. Бериллий в большинстве случаев используется в качестве легирующей добавки в различные сплавы. Он повышает твердость и прочность материалов, хорошо защищает поверхность от воздействия коррозии. Также благодаря слабому поглощению радиоактивного излучения бериллий используется при изготовлении рентгеновских аппаратов и в ядерной энергетике.

 Магний используют как один из восстановителей при получении титана. Его сплавы отличаются высокой прочностью и легкостью, поэтому используются при производстве самолетов, автомобилей, ракет. Оксид магния горит ярким ослепительным пламенем, что нашло отражение в военном деле, где он используется для изготовления зажигательных и трассирующих снарядов, сигнальных ракет и светошумовых гранат. Является одним из важнейших элементов для регуляции нормального процесса жизнедеятельности организма, поэтому входит в состав некоторых лекарств.

Кальций в чистом виде практически не применяют. Он нужен для восстановления других металлов из их соединений, а также в производстве препаратов для укрепления костной ткани. Стронций используют для восстановления других металлов и в качестве основного компонента для производства сверхпроводящих материалов. Барий добавляют во многие сплавы, которые предназначены для работы в агрессивной среде, так как он обладает отличными защитными свойствами. Радий используется в медицине для кратковременного облучения кожи при лечении злокачественных образований.

Оксиды и гидроксиды щелочноземельных металлов

Оксид и гидроксид бериллия обладают амфотерными свойствами: реагируют и с кислотами, и со щелочами.

Оксиды и гидроксиды остальных металлов из IIА группы обладают типично основными свойствами. Гидроксид магния – нерастворимое основание. Гидроксиды кальция, стронция, бария и радия – щелочи.

Гидроксиды и карбонаты элементов IIА группы разлагаются при нагревании:

Mg(OH)2 = MgO + H2O

CaCO3 = CaO + CO2

Жесткость воды

Если провести химический анализ жесткой воды, то можно увидеть, что в ней содержатся значительные количества растворимых солей кальция и магния. Именно присутствие этих солей и обуславливает жесткость воды. Мыло в жесткой воде плохо пенится, т.к. катионы кальция и магния образуют с мылом нерастворимые в воде соединения, и пена не образуется.

Но как катионы кальция и магния попадают в воду? Дождевые осадки, попадая на поверхность и протекая в недрах Земли, соприкасаются с минералами кальция и магния (это в основном карбонаты), вымывают из них мелкие частички. В воде, насыщенной углекислотой (вы знаете, что углекислый газ хорошо растворяется в воде), нерастворимые карбонаты кальция и магния превращаются в растворимые гидрокарбонаты (кислые соли):

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

MgСО₃ + СО₂ + Н₂О = Mg(НСО₃)₂

2. Временная жесткость

В таком растворимом виде гидрокарбонаты металлов остаются в воде и обуславливают ее временную (или карбонатную) жесткость. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются и выпадают в осадок. Этому превращению соответствуют обратные тем реакциям, которые привели к их появлению в воде:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂ = MgСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

При термическом разложении карбонатов кальция и магния образуются нерастворимые в воде карбонаты этих металлов, углекислый газ и вода. Удалить их можно с помощью отстаивания или фильтрования.

Выпадающие в осадок карбонаты и есть накипь на стенках водонагревательных приборов и охладительных систем. Накипь плохо проводит теплоту, поэтому возможен перегрев моторов и паровых котлов, кроме того ускоряется их изнашивание.

Из-за накипи внутренний диаметр старых водопроводных труб бывает сужен в 2-3 раза. Стоит в корке накипи возникнуть трещине, как горячая вода добирается до стенки трубы. Если это случится зимой, то из-за локального перепада температур труба может лопнуть.

Из воды временную жесткость можно удалить не только с помощью кипячения, но и добавлением известковой воды – раствора гидроксида кальция.

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂= 2СаСО₃↓ + 2Н₂О

3. Постоянная жесткость

Кроме временной, существует еще так называемая постоянная (или некарбонатная) жесткость, обусловленная присутствием в природной воде хлоридов, сульфатов  или других растворимых солей кальция и магния. А вместе временная и постоянная жесткость составляют общую жесткость воды.

Рис. 1. Виды жесткости воды

Постоянную жесткость нельзя устранить кипячением. Для умягчения воды в этом случае используют соду – карбонат натрия. В результате реакций обмена в осадок будут выпадать нерастворимые карбонаты кальция и магния:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓+ Na₂SO₄

Иногда вместо соды используют фосфат натрия, который с катионами кальция и магния тоже образует нерастворимые соединения.

Освобождаются от жесткости и с помощью специальных реагентов – ионообменных смол (ионитов). При этом ионы кальция и магния переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят катионы водорода и натрия. В результате воды умягчается. 

Рис. 2. Принцип действия ионообменной смолы при умягчении воды

Есть и другие способы умягчения воды, например, добавление трилона Б (двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты), или цеолитов – алюмосиликатов, в кристаллической решетке которых есть пустоты, в которые могут встраиваться ионы кальция или магния.

Но нельзя забывать, что умеренная жесткость – обязательное качество для питьевой воды, поскольку из нее мы получаем значительную часть кальция, необходимого организму.

Проверка ЗУН и УУД

1.      Охарактеризуйте положение щелочноземельных металлов в периодической системе химических элементов.

2.      Охарактеризуйте нахождение в природе щелочноземельных металлов.

3.      Объясните особенности физических свойств щелочноземельных металлов.

4.      В чем особенность химических свойств щелочноземельных металлов?

5.      На чем основано применение щелочноземельных металлов?

6.      Каковы свойства оксидов и гидроксидов щелочноземельных металлов?

7.      Что такое жесткость воды и какие виды ее существуют?