Тема № 13 Элементы II группы. Кальций, магний и их соединения. Жесткость воды.

Ключевые слова и понятия

1. Магнезит

2. Доломит

3. Жесткость воды

4. Временная жесткость воды

5. Постоянная жесткость воды

6. Иониты

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

• из курса средней школы: значение понятий: катион, анион.

• из курса «Химия» для студентов технических специальностей: значение понятий: эквивалент, мольная концентрация эквивалента.

Структура темы:

5. Общая характеристика элементов II группы.

   1. Физические свойства элементов II группы. Распространение их в природе.

   2. Получение металлов II группы.

   3. Химические свойства щелочноземельных металлов.

6. Соединения щелочноземельных элементов.

7. Жесткость воды и методы ее устранения.

   1. Понятие о жесткости воды. Виды жесткости.

   2. Методы устранения жесткости воды.

   3. Методы определения жесткости воды.

1. Общая характеристика элементов II группы.

Элементы II группы периодической системы это s-элементы, имеют относительно большие атомные радиусы и низкие значения потенциалов ионизации. Поэтому в условиях химического взаимодействия кальций и его аналоги легко теряют валентные электроны и образуют простые ионы Э²⁺. Таким образом степень окисления их всегда +2. Эту подгруппу составляют бериллий, магний и щелочноземельные элементы.

1.1. Физические свойства элементов II группы. Распространение их в природе.

По своей плотности элементы II группы (за исключением Ra) являются легкими металлами и имеют высокие температуры плавления и кипения.

Mg и Ca относятся к наиболее распространенным элементам земной коры (3,6%), другие распространены значительно меньше. Поскольку элементы II подгруппы очень активные, то они встречаются в природе только в виде соединений - в минералах, в воде морей и соленых озер.

Пар этих металлов окрашивает пламя в разные цвета: Ca – оранжевый, Ra-красный, Sr - кармино-красный, Ba – желто-зеленый. Все растворимые соединения Be и Ba токсичны.

В виде простых веществ кальций и его аналоги — серебристо-белые металлы. На воздухе, правда, они тотчас покрываются желтоватой пленкой продуктов взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций довольно тверд, стронций и барий мягче. Барий в этом отношении напоминает свинец.

Важнейшие природные соединения II группы, их изотопный состав, и распространенность приведены в таблице 1.

Таблица 1. Распространенность, изотопный состав и важнейшие природные соединения элементов 2-й группы

Элемент	Содержание в земной коре, % (мас.)	Место по распространенности	Изотопный состав		Важнейшие природные соединения
			Число стабильных изотопов	Главный изотоп, тип ядра по массе (% в природной плеяде изотопов)
Be	10-3	48	1	9Ве, 4n+1 (100)	3ВеО∙Al203∙6Si02 (берилл)
Mg	1,4	7	3	24Mg, 4n (78,99)	KCl∙MgCl2∙6H20 (карналлит), MgC03∙СаСO3 (доломит)
Са	3,6	5	6	40Са, 4n (96,94)	СаСO3 (кальцит), CaSO4∙2Н20 (гипс), CaSO4 (ангидрит), CaF2 (флюорит), Ca5(PO4)3(F,Cl,0H) (апатит)
Sr	8 10-3	19	4	88Sr, 4n (82,58)	SrCO3 (стронцианит), SrSO4 (целестин)
Ва	5∙10-2	17	7	138Ва, 4n+2 (71,70)	ВаСО3 (витерит), BaSO4 (барит)
Ra	8∙10-12	Один из самых редких элементов	–	226Ra - самый стабильный изотоп, 4n+2. Дочерний элемент в радиоактивных семействах	Присутствует в урановых рудах

Это интересно!!!

Охарактеризуем важнейшие минералы.

К альцит — минерал CaCO₃ из группы карбонатов, одна из природных форм карбоната кальция. Исключительно широко распространен на поверхности Земли, породообразующий минерал. Кальцитом сложены известняки, меловые породы, мергели, карбонаты. Кальцит — самый распространенный биоминерал: он участвует в строении очень многих живых организмов, в составе раковин и костей. В чистом виде кальцит белый или бесцветный, прозрачный (исландский шпат) или просвечивающий, — в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры. На рисунке представлен сросток пластинчатых кристаллов кальцита. Примеси окрашивают его в разные цвета. Ni окрашивает в зеленый; кобальтовые, марганцевые кальциты — розовые. Тонкодисперсный пирит окрашивает в синеватый и зеленоватый цвет. Кальцит с примесью железа — желтоватый, буроватый, красно-коричневый; с примесью хлорита — зеленый. Углистое вещество часто придает кальциту неравномерную чёрную окраску. Известны кристаллы с многочисленными включениями битуминозного вещества, они имеют желтый или бурый цвет.

Диагностические признаки

Определить кальцит относительно легко: его отличительные свойства — совершенная спайность по ромбоэдру и низкая твёрдость. Характерна реакция с HCl, — взаимодействует с бурным вскипанием и шипением по реакции:

CaCO₃ + 2HCl→ CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

Изменения

Кальцит легко выщелачивается водами, богатыми углекислотой. Благодаря этому его свойству в районах залегания известняковых пород развивается карст, и образуются пещеры. При нагревании выше 470°C кальцит разлагается с образованием углекислого газа и извести.

Применение.

Широко применяется в строительстве и химических производствах. Исландский шпат используется в оптических приборах. Разновидности кальцита — симбирцит и кальцитовый оникс применяются как недорогие поделочные камни. Тонко измельченный кальцит используется как наполнитель в различных системах, как правило, для уменьшения расхода дорогостоящего основного компонента.

Г ипс — минерал из класса сульфатов, по составу CaSO₄∙2H₂O. Встречается в виде бесцветных или белых кристаллов, иногда окрашенных захваченными ими при росте включениями и примесями в бурые, голубые, жёлтые или красные тона. Образует прожилки параллельно-волокнистой структуры (селенит) в глинистых осадочных породах, а также сплошные мелкозернистые агрегаты, напоминающие мрамор (алебастр). Иногда в виде землистых агрегатов, а также слагает цемент песчаника. В почвах аридной зоны формируются новообразования гипса: одиночные кристаллы, двойники («ласточкины хвосты»), друзы, «гипсовые розы» и т. д.

На рисунке изображены гипсовые розы.

Применение.

Волокнистый гипс (селенит) используют для недорогих ювелирных изделий. Из алебастра издревле вытачивали крупные ювелирные изделия — предметы интерьера (вазы, столешницы, чернильницы и т. д.). Обожженный гипс применяют для отливок и слепков (барельефы, карнизы и т. д.), как вяжущий материал в строительном деле, в медицине. Используется для получения строительного гипса, высокопрочного гипса, гипсоцементно-пуццоланового вяжущего.

Флюорит (от лат. fluo — течь), плавиковый шпат, CaF₂ — минерал, хрупок, окрашен в различные цвета: желтый, голубой, фиолетовый, иногда фиолетово-черный; бесцветные кристаллы редки. Обычно содержат примеси редкоземельных элементов, хлора, железа, урана, тория. Темно-фиолетовые флюориты содержат повышенное количество стронция, а в зеленых разностях имеется немного самария. Редкоземельные элементы и некоторые тяжёлые металлы, а также избыточные ионы кальция придают ему различные окраски. Чистые кристаллы флюорита обладают высокой прозрачностью в широком диапазоне: от вакуумного ультрафиолета до дальней инфракрасной области, ярко люминесцируют в катодных лучах и под действием ультрафиолетового излучения, обнаруживают свечение при нагревании (термолюминесценция). Флюорит является типичным флюоресцирующим минералом; при нагревании и после облучения ультрафиолетовым светом он фосфоресцирует. Собственно, термин «флюоресценция», предложенный Дж. Стоксом, происходит именно от названия этого минерала (а не наоборот, как иногда считают). От названия флюорита происходит также латинское название фтора, fluor. Используется в металлургии в качестве плавня (флюса), для формирования легкоплавких шлаков. Название минерала («текучий») связано именно с этим его применением.

В химической промышленности из флюорита получают фтор, искусственный криолит для электрохимического производства алюминия и ряд фтористых соединений.

В керамическом производстве — для изготовления эмалей и глазурей.

Прозрачные бесцветные разновидности кристаллов флюорита применяются в оптике для изготовления линз.

Кристаллы флюорита с примесями редкоземельных элементов, а также с железом могут быть применены в квантовых генераторах света.

При обработке минерала серной кислотой получают плавиковую кислоту, с помощью которой можно наносить вытравленный рисунок на стекло.

Апатит — минерал, содержащий фосфор. Химический состав — содержание (в %): СаО:53—56; Р₂O₅:41; F: до 3,8 (фторапатит); Cl: до 6,8 (хлорапатит); часто отмечаются примеси марганца, железа, стронция, алюминия, тория, редких земель, карбонатной группы — СО₂ (карбонат-апатит) и др. Основным диагностическим признаком апатита служит призматический облик кристаллов; от похожего берилла отличается меньшей твердостью.

Тальк — Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂, минерал, кристаллическое вещество. Представляет собой жирный рассыпчатый порошок. Имеет белый цвет (бывает зелёный). Различается качество талька по его белизне. Для промышленных целей бывает молотый тальк, микротальк и т. д.

Цвет белый до светло-зелёного. Блеск жирный, на плоскостях спайности перламутровый. Просвечивает в краях. Спайность весьма совершенная. Имеет минимальную (1 балл) твёрдость по шкале Мооса. Жирный на ощупь.

Разновидности:

• миннесотаит (содержание Fe 50-80 ат. %);

• виллемсеит — существенно никелистый;

• стеатит (жировик) — плотный массивный;

• агалит — тонковолокнистый;

• благородный тальк — прозрачный светлый.

Используется в быту как прокладка, присыпка, чтобы вещи не слипались (в резиновые перчатки) или не натирались (в обувь как сапожная пудра), применяется в резиновой, бумажной, лакокрасочной и других отраслях промышленности (как наполнитель), в медицинской и парфюмерно-косметической промышленности.

Важная область применения — керамика (особенно радиоизоляционная).

В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E553b.

Берилл — минерал гексагональной сингонии, из островных силикатов. Некоторые из разновидностей берилла (в частности, изумруд) относятся к драгоценным камням. Химический состав берилла — 3ВеО∙Аl₂О₃∙6SiO₂, что соответствует 14 % окиси бериллия, 19 % глинозёма и 67 % кремнекислоты. Окраска берилла бывает зеленовато-белой, селадоново-зелёной, яблочно- или изумрудно-зелёной, реже встречается розовый или бесцветный берилл. Блеск стеклянный, оптический характер отрицательный. В зависимости от цвета различают:

• Аквамарин (голубой, зеленовато-голубой).

• Воробьевит или морганит (розовый).

• Гелиодор (золотисто-желтый).

• Изумруд (прозрачный, зелёный).

• Биксбит (красный, розовый).

• Гошенит или ростерит (бесцветный).

• Августит или максис-берилл (синий).

Хорошие экземпляры берилла идут на различные мелкие поделки, а непрозрачные и негодные бериллы служат источником для добывания оксида бериллия.