Щёлочноземельные металлы

Поскольку оксиды металлов раньше назывались «землями», то эта группа металлов получила название щёлочноземельных.^[1]

Щёлочноземельные металлы активно взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому их хранят под слоем керосина или в запаянных сосудах, как и щелочные металлы.^[1]

Замечательна склонность щелочноземельных металлов соединяться с азотом, возрастающая по мере увеличения их атомной массы.^[2]

В отличие от солей щелочных металлов, многие из солей щелочноземельных металлов малорастворимы в воде.^[2]

В электронных спектрах <щёлочноземельных> ионов M²⁺, так же как и в спектрах катионов элементов I группы, не существует оптических переходов, и поэтому все они бесцветны.^[3]:275

Менделеев поместил бериллий во вторую группу Периодической системы вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, исправив его атомный вес на 9. <...> Так бериллий, бывший первым камнем преткновения на пути Периодического закона, только подтвердил его всеобщность.^[4]

Особенно интересны гидриды, образующиеся при нагревании кальция и его аналогов в токе сухого водорода.^[5]

Понятие «щелочные земли» употреблялось с давних пор для некоторых веществ, имеющих определённые свойства. К ним относились магнезия (MgO), баритовая и стронциевая «земли» (ВаО и SrO). Главная их особенность состояла в том, что при растворении в воде они сообщали ей щелочную реакцию.^[6]

По своей химической активности щелочноземельные металлы уступают только щелочным металлам, причём и здесь активность увеличивается по мере роста порядкового номера. Все они двухвалентны, и только в особых условиях удаётся получить соединения, в которых они проявляют степень окисления +1, например CaCl, SrCl.^[6]

Уже давно известно, что сжимаемость, подобно некоторым другим свойствам элементов, находится в зависимости от порядкового номера элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Поэтому можно утверждать, что те или иные изменения в свойствах вещества, которые наблюдаются при высоких давлениях, зависят также и от величины его сжимаемости. Следовательно, изучение этого свойства вещества под давлением представляет первостепенную важность для физики высоких давлений. Современная методика исследования сжимаемости при высоких давлениях позволяет производить измерения до 100 тысяч атмосфер. Опыты показали, что в этом диапазоне давлений наиболее сжимаемыми оказались щелочные и щёлочно-земельные металлы.^[7]

Поскольку оксиды металлов раньше назывались «землями», то эта группа металлов получила название щёлочноземельных. Бериллий, магний и щёлочноземельные металлы — простые вещества. Это лёгкие серебристо-белые металлы. Стронций имеет золотистый оттенок, он значительно твёрже бария, барий же по мягкости напоминает свинец.
На воздухе при обычной температуре поверхность бериллия и магния покрывается защиной оксидной плёнкой. Щёлочноземельные металлы активно взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому их хранят под слоем керосина или в запаянных сосудах, как и щелочные металлы.^[1]

Входящие в состав главной подгруппы кальций, стронций и барий издавна получили название щелочноземельных металлов. Происхождение этого названия связано с тем, что гидроксиды кальция, стронция и бария, так же, как и гидроксиды натрия и калия, обладают щелочными свойствами, оксиды же этих металлов по их тугоплавкости сходны с оксидами алюминия и тяжёлых металлов, носившими прежде общее название земель.
При сжигании щелочноземельных металлов всегда получаются оксиды. Пероксиды, поскольку они вообще образуются, гораздо менее стойки, чем пероксиды щелочных металлов.^[2]

Замечательна склонность щелочноземельных металлов соединяться с азотом, возрастающая по мере увеличения их атомной массы. Уже при комнатной температуре щелочноземельные металлы медленно соединяются с азотом, образуя нитриды.^[2]

В отличие от солей щелочных металлов, многие из солей щелочноземельных металлов малорастворимы в воде. К таким солям относятся карбонаты, сульфаты, фосфаты и некоторые другие. Во всех своих соединениях щелочноземельные металлы имеют степень окисленности +2.^[2]

Отличие строения атома бериллия от строения атома магния и щелочноземельных элементов сказывается и на свойствах его соединений. Так, Be(ОН)₂ — единственное в подгруппе основание, обладающее амфотерными свойствами. Кроме того, для щелочноземельных металлов и магния характерно образование ионных соединений, тогда как атомы бериллия обычно связаны с атомами других элементов скорее ковалентной связью, чем ионной.^[2]

В электронных спектрах <щёлочноземельных> ионов M²⁺, так же как и в спектрах катионов элементов I группы, не существует оптических переходов, и поэтому все они бесцветны. Окраска их солей определяется либо окраской их аниона, либо дефектами решётки. Так, окиси часто образуются с дефектами решётки, например, кристаллы BaO <окиси бария>, размером до 1 см Х 2 мм, выращенные в вакууме, окрашены в тёмно-красный цвет вследствие содержания ~0,1% избытка металла в решётке.^[3]:275

...будучи помещен в таблице между углеродом и азотом, как того требовал его атомный вес, бериллий вносил полную путаницу в закономерное изменение свойств элементов. Это было серьезной угрозой Периодическому закону. Однако Д. И. Менделеев был уверен в правильности открытой им закономерности и доказывал, что атомный вес бериллия определен неверно, что бериллий должен быть не трехвалентным, а двухвалентным элементом «с магнезиальными свойствами». Исходя из этого, Менделеев поместил бериллий во вторую группу Периодической системы вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, исправив его атомный вес на 9. Первое подтверждение своих взглядов Менделеев нашел в одной из малоизвестных работ русского химика И. В. Авдеева, который считал, что окись бериллия химически подобна окиси магния. А в конце семидесятых годов прошлого века шведские химики Ларс Фредерик Нильсон и Отто Петерсон (некогда бывшие самыми ярыми сторонниками мнения о трёхвалентном бериллии), повторно определив атомный вес бериллия, нашли его равным 9,1. Так бериллий, бывший первым камнем преткновения на пути Периодического закона, только подтвердил его всеобщность.^[4]

Летучие соединения щелочноземельных металлов окрашивают пламя в характерные цвета: Ca ― в оранжево-красный, Sr и Ra ― в карминово-красный, Ba ― в желтовато-зелёный. Этим пользутся при химических анализах для открытия распознаваемых элементов.^[5]

С металлоидами щелочноземельные металлы соединяются весьма энергично и с значительным выделением тепла. <...> Особенно интересны гидриды ЭH₂, образующиеся при нагревании кальция и его аналогов в токе сухого водорода. Соединения эти имеют типичный ионный характер, причём анионом является отрицательно заряженный водород. Водой они энергично разлагаются <с выделением свободного газообразного водорода>.^[5]

Галиды щелочноземельных металлов по свойствам делятся на две довольно резко обособленные группы. К одной относятся фториды, к другой — производные остальных галоидов. Фториды почти нерастворимы не только в воде, но и в разбавленных кислотах, а кристаллогидраты для них неизвестны. Напротив, хлориды, бромиды и иодиды хорошо растворимы в воде и из растворов выделяются в виде кристаллогидратов. Из растворов хлориды, бромиды и иодиды щелочноземельных металлов обычно выделяются с шестью (Ca, Sr) или двумя (Ba) молекулами воды. Многие из них расплываются на воздухе и хорошо растворяются в спирте.^[5]

Элементы 4, 12, 20, 38, 56 и 88 (бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий) являются более твёрдыми, тугоплавкими и менее активными, чем щелочные металлы. Это щелочноземельные металлы. Название «земельные» они получили потому, что их оксиды не растворяются в воде и являются тугоплавкими. Однако оксиды двух из них — известь и жжёная магнезия — обладали некоторыми свойствами соды и поташа, поэтому их назвали «щелочноземельными». Из извести и жжёной магнезии Дэви выделил два первых щелочноземельных металла — кальций и магний.^[8]

Понятие «щелочные земли» употреблялось с давних пор для некоторых веществ, имеющих определённые свойства. К ним относились магнезия (MgO), баритовая и стронциевая «земли» (ВаО и SrO). Главная их особенность состояла в том, что при растворении в воде они сообщали ей щелочную реакцию. Металлы, содержащиеся в этих оксидах, получили название щелочноземельных. Иногда щелочноземельным называют также магний, поскольку он имеет много общих свойств с кальцием и его аналогами. Однако причислять сюда же бериллий неправильно, так как его химическая природа отличается большим своеобразием.
По своей химической активности щелочноземельные металлы уступают только щелочным металлам, причём и здесь активность увеличивается по мере роста порядкового номера. Все они двухвалентны, и только в особых условиях удается получить соединения, в которых они проявляют степень окисления +1, например CaCl, SrCl.^[6]

Наиболее простой расчёт электронных состояний фаз возможен в случае, когда размер внешней электронной оболочки одного из атомов или ионов значительно превосходит размеры электронных оболочек других атомов. Внешние электроны находятся при этом в электрическом поле ионных остатков других атомов ячейки и испытывают определенное влияние соседних ячеек. В этом случае «холодное» давление определяется в основном сжатием электронной оболочки, имеющей наибольший размер. В оксидах щелочноземельных элементов происходит перенос к атому кислорода двух электронов от щелочноземельного атома с образованием электронной конфигурации благородных газов. В галогенатах щелочноземельных элементов осуществляется перенос электронов от одного атома щелочноземельного элемента к двум атомам галогена, возможны также более сложные случаи образования внешней электронной оболочки, определяющей сжимаемость вещества.^[9]

Конечно, не все кислоты и не все металлы вступают в такие реакции <между собой с образованием соответствующих солей>. Прежде всего, металлы должны быть активными; к ним относятся щелочные и щёлочноземельные металлы (натрий, калий, кальций), магний, алюминий, цинк...^[10]

Между тем, существует Периодическая Таблица химических элементов по версии Жанета с четырьмя s-элементами в начале (на самом верху, справа, над всеми остальными s-элементами). Таблица, которую он разработал ещё в конце 20-х годов XX века. <...>
Инертный Гелий <в этой таблице> возглавляет группу химически очень активных щелочноземельных металлов. Это для подавляющего большинства образованных (со средних школ, лицеев и гимназий) людей совершенно непривычно, более того, не приемлемо. Но если исходить из строения электронных оболочек атомов, то такое расположение Гелия научно оправдано.
Гелий является s-элементом, как щелочноземельные металлы, тогда как все благородные газы, над которыми его традиционно ставят в роли типозадающего в гомологической группе инертных элементов-аналогов, являются р-элементами.^[11]

— Металлы щелочные и щелочноземельные занимают в ряду активности несколько особое положение. Дело в том, что они уже при обычных условиях реагируют с водой, давая щелочь и водород. А затем щелочь реагирует с солью, образуя нерастворимое основание (точнее основную соль, так как щелочь обычно оказывается в недостатке). Таким образом, эта группа металлов обычно не вытесняет менее активные металлы из водных растворов их солей.
— Но ведь можно взять неводные растворы или расплавы?
— Тогда, быть может, реакция и пойдет, но…
— Да! Я вспомнил: ряд активности здесь ни при чем! До сих пор я думал, что ряд активности позволяет предсказывать результаты любых реакций с участием металлов, но теперь вижу, что тут нужно еще учитывать и условия, при которых эти реакции осуществляются.^[12]