Тема: елементи ІІ-А групи

Метали ІІ групи головної підгрупи – Берилій, Магній, Кальцій, Стронцій, Барій, Радій – називають лужноземельними (за виключенням берилію та магнію).

На зовнішньому енергетичному рівні атомів цих елементів знаходиться два s-електрони, які легко віддаються в хімічних реакціях, тому це обумовлює виразні відновні властивості цих металів. Для переходу s-електрону на p-підрівень необхідна енергія, тому метали ІІ-А групи менш активні, ніж лужні метали. Ступень окислення в усіх сполуках +2. Металічні властивості зростають від магнію до радію завдяки послідовному зростанню радіусів їх атомів та іонів.

При кімнатній температурі Be та Mg на повітрі досить стійки, решта металів активно окислюються Оксигеном повітря. При високих температурах всі метали, що розглядаються взаємодіють з галогенами, сіркою, Гідрогеном та іншими неметалами. Кальцій, стронцій, барій добре реагують з водою, магній – лише при нагріванні.

Оксиди лужноземельних металів взаємодіють з водою утворюючи гідроксиди складу Є(ОН)₂. Гідроксиди лужноземельних металів – сильні луги. Їх сила, а також і розчинність у воді зростає від гідроксиду кальцію до гідроксиду барію.

Берилій різниться за властивостями з іншими металами цієї групи: у нього значно менші відновні здатності; його гідроксид проявляє амфотерний характер:

Be(OH)₂ + 2HCl = 2H₂O + BeCl₂

Be(OH)₂ + 2KOH = K₂[Be(OH)₄]

Солі лужноземельних металів отримують взаємодією оксидів або гідроксидів з кислотами. Галіди, нітрати цих металів розчинні у воді. Сульфат магнію розчиняється у воді, сульфат кальцію – мало розчинний, інші сульфати нерозчинні. Сульфіди малорозчинні у воді та сильно гідролізуються. Карбонати кальцію та магнію при нагріванні розкладаються:

MgCO₃ ® MgO + CO₂

В присутності СО₂ Карбонати переходять у гідрокарбонати розчинні у воді, які існують лише в розчинах.

Природну воду, що містить багато гідрокарбонатів або сульфатів кальцію та магнію, вважають жорсткою. Жорсткість – один з технологічних та екологічних показників, що використовується для характеристики складу та якості природних вод. Жорсткою називають воду з підвищеним вмістом іонів Са²⁺ та Mg²⁺. Розрізняють тимчасову (Карбонатну) і постійну (некарбонатну) жорсткість води. Перша з них обумовлена присутністю гідрокарбонатів які легко розкладаються при нагріванні:

Са(НCO₃)₂ ® СаCO₃ ↓+ CO₂ + Н₂О

Mg(НCO₃)₂ ® MgCO₃ ↓+ CO₂ + Н₂О

Тому, Карбонатну жорсткість і називають тимчасовою або усувною. Постійна жорсткість викликається присутністю у воді сульфатів кальцію і магнію. Вона не зникає після кип’ятіння.

Суму тимчасової та постійної жорсткості називають загальною жорсткістю. В нашій країні її характеризують числом міліграм-еквівалентів кальцію і магнію в 1 л води: м’яка вода містить < 4, середня 4-8, жорстка 8-12 і дуже жорстка > 12 мг-екв/л. При розрахунках пов’язаних з жорсткістю води, слід враховувати, що Є (Са²⁺, Mg²⁺) = 1/2 Са²⁺, Mg²⁺, а Мє (Са²⁺, Mg²⁺) відповідно дорівнює 20 та 12 г/моль. Наприклад: 0,2 г – це маса 0,01 моль або 10 ммоль еквівалентів Са²⁺_.

При підготовці води для технічних цілей проводять водопом’якшення – виділення з неї солей жорсткості. Досягається це хімічним (содово-вапняним) методом, суть якого полягає в тому, що до води додають соду і гашене вапно, які осаджають кальцій у вигляді Карбонатів:

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O

Для хімічного пом’якшення води використовують також солі: фосфат, гексаметафосфат і тетраборат Натрію.

У великих масштабах пом’якшення здійснюють методом іонообмінної сорбції, коли сорбент поглинає з води катіони кальцію і магнію шляхом обміну на катіони Натрію Гідрогену, які йдуть в розчин. В якості неорганічних сорбентів використовують алюмосилікат Натрію – пермутит. Обмін катіонів між пермутитом та жорсткою водою здійснюється за схемою:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂П = 2NaHCO₃ + CaП

CaSO₄ + Na₂П = Na₂SO₄ + CaП

Обмінна ємність пермутиту невелика, тому частіше використовують синтетичні органічні іонообмінні смоли. Вони поділяються на дві групи: катіоніти, які обмінюють катіони і аніоніти, які обмінюють аніони. Іоніти не розчиняються в кислотах, лугах, розчинах солей. Використані іоніти регенерують шляхом пропускання крізь катіоніти хлороводневої, сульфатної кислот або хлориду Натрію а крізь аніоніти розчинів лугів або карбонату Натрію.

Де мінералізація води здійснюється в дві стадії. В першу стадію (водневий цикл) катіони природної води обмінюються на Н⁺ - катіони, при цьому солі перетворюються на кислоти:

2RH + Ca(HCO₃)₂ = R₂Ca + 2H₂CO₃

2RH + MgSO₄= R₂Mg + H₂SO₄

RH + NaCl = RNa + HCl

На другій стадії (аніонообмінний цикл) аніони природної води поглинаються смолою а еквівалентна кількість ОН^- - іонів виділяється. Гідроксид-іони нейтралізують катіони Гідрогену і утворюється вода:

2RОH + H₂CO₃ = R₂CO₃ + 2H₂O

2RОH + H₂SO₄ = R₂SO₄+ 2H₂O

RОH + HCl = RCl + H₂O

Таким чином, іонний обмін дозволяє практично повністю демінералізувати природну воду, а отримана вода може заміняти дистильовану.

Для визначення загальної жорсткості використовують метод комплексонометрії. В основі цього методу лежить титрування води у присутності аміачного буферного розчину (рН 10,0) та індикатору розчином комплексну ІІІ до переходу рожевого забарвлення до блакитного. При аналізі використовують один з індикаторів: кислотний хром синій К або еріохром чорний Т. в присутності іонів жорсткості Са²⁺ та Mg²⁺ ці індикатори забарвлюються у рожевий колір, у відсутності – у блакитний.

Комплексон ІІІ – двозаміщена натрієва сіль етилендиамінтетраоцтової кислоти.

При титруванні жорсткої води розчином комплексну ІІІ утворюється внутрикомплексна сполука, тобто іони Са²⁺ та Mg²⁺ зв’язуються.

Визначення Карбонатної жорсткості базується на визначенні концентрації гідроКарбонат-іонів і, Тим самим, еквівалентної цим іонам концентрації іонів жорсткості. Аналіз проводять методом нейтралізації. Титрування води проводять у присутності метилового оранжевого розчином хлороводневої кислоти до переходу жовтого забарвлення індикатору до оранжевого.

Метиловий оранжевий – кислотно-лужний індикатор, що змінює своє забарвлення від жовтого при рН > 4,1 (жорстка вода) до червоного при рН < 3.1 (після титрування кислотою). В точці переходу метиловий оранжевий має оранжевий колір.