В периодической таблице есть многие химические элементы, которые обладают двумя электронами в наружной электронной оболочке. Они могут быть разделены на пять отличных групп. Прежде всего это гелий, который стоит совершенно отдельно, имея ядро с двумя положительными зарядами, окруженными двумя электронами в первом уровне. Как видно, эти 2 s-электрона формируют такую устойчивую конфигурацию, что гелий - нереагирующий газ. Поэтому гелий классифицируется в качестве члена Группы VIII, а не Группы II. Продолжая наш обзор элементов с двумя электронами в наружной электронной оболочке мы видим, что шесть атомов этого типа находятся во второй колонке периодической таблицы. это - бериллий, кальций магний, стронций, барий, и радий. Их называют Щёлочноземельными металлами, хотя это название первоначально применялось только к кальцию, стронцию, и барию, это та группа элементов, которые мы изучим в этой секции.
Справа от 2 Группы элементов в периодической системе элементов - тридцать элементов, известных все вместе как элементы переходной группы. Почти у всех их есть 2 s-электрона в наружной электронной оболочке.
Также существует много других элементов с двумя электронами в наружной электронной оболочке. Например, в двенадцатой колонке периодической таблицы, идущей слева направо, есть три элемента Цинк, Кадмий и Ртуть, классифицирующихся в качестве членов 2 Группы побочной подгруппы; и мы рассмотрим их химию в Главе семь. Также отметим ряд элементов с атомными номерами, начинающимися от 58 к 71.Эти элементы, имеют два электрона за пределами устойчивых 6-2 уровней, но в них есть частично заполненный четвертый уровень, содержащий f-электроны. Поэтому их химические свойства весьма отличаются от таковых из элементов Группы II, и они сгруппированы в классе, названы Лантанидами. Наконец, отметим, что есть группа элементов, идущих от атомного номера 89 (Ac) к атомному номеру 102 (No). Они - атомы с высоким атомным номером и высокой атомной массой, и с большими функциями волны. Поэтому их химия снова становится весьма отличавшейся от элементов Группы II, и они действительно формируют самостоятельный класс. Как можно заметить по диаграммам, на внутренней части обратной стороны, у них есть и неполные f-подуровни и неполные d-подуровни. Теперь обратимся к более подробному рассмотрению химии элементов, которые, в самом строгом смысле, принадлежат Группе II.
В элементарной форме элементы Группы II являются металлами, несколько подобными элементам Группы I. 2 s-Электрона в наружной электронной оболочке резонируют и таким образом формируют ковалентные связи между каждым атомом и его самыми близкими соседями (примерно двенадцать) в кристаллической решетке. Эти электроны могут переместиться через металлическую решетку под влиянием электрического потенциала, таким образом производя поток электричества. Следовательно, эти элементы - хорошие проводники, и для высокой температуры и для электричества. По некоторым причинам они отражают свет и имеют серебристый блеск. Поскольку есть два резонирующих электрона вместо одного, связи более сильны между соседними атомами, и металлы, поэтому, более тверды и более плотны. В Таблице 5 даны значения для ионных радиусов, ионизационных потенциалов, и электроотрицательностей.
Местонахождение и получение. Самый легким из этих элементов, бериллий, является легким серебристо-белым металлом. Основной источник - минерал естественного происхождения, берилл, алюмосиликат с формулой (Be3Al2) (Si03) e. Его добывают лишь в нескольких местах на земле, но есть и другие относительно большие залежи. В штате Нью-Хэмпшир добываются кристаллы весом более пяти тонн каждый. Прозрачный берилл с зеленым цветом, произведенным следами хрома, известен как изумруд и является одним из самых ценных камней.
Бериллий может быть получен электролизом смеси расплавленной смеси хлорида бериллия, BeCl2, и хлористого натрия В металлической форме; бериллий используется для того, чтобы делать пятно для Рентгеновских трубок, так как у элементов с низким атомным номером есть очень небольшое поглощение для рентгеновского излучения. Бериллий также полезен в производство сплавов со специальными свойствами, BeO является чрезвычайно ядовитым, и это несколько ограничивает его применение в промышленности.
Магний (Мг) добывают в природе как карбонат, магнезит, и наиболее распространен в форме силикатов, включая тальк, аргиллит, асбест, и слюду. После настрия магний - самый изобильный металл в морской воде.
Металл магния может быть получен электролизом с расплавленным хлористым магнием или восстановлением окиси магния углеродом или сплавом железа и кремния:
Он экстенсивно используется в облегченных сплавах при строительстве самолетов и ракет, но у него есть недостаток настолько быстрое окисление, что его расценивают как огнеопасное вешество. В чистой форме он горит очень быстро на воздухе и является одним из основных компонентов светящегося порошка.
Кальций широко распространен в природе. Известняк состоит из смеси углекислого кальция и кремнистых составов; кальцит - более чистая форма углекислого кальция. Одна из самых знакомых форм углекислого кальция - мрамор; он так же присутствует в останках морских животных. Другие источники кальция - доломит, MgCO3*CaCO3; гипс, ангидрит CaSO4-2H2O, CaSO4; флюорит,CaF2; фосфорит, преимущественно Ca3 (PO4) 2. Кости животных состоят в значительной степени из фосфорнокислого кальция. Достаточно кальция находится в морсокой воде в виде двухвалентных ионов, Ca2+. Металлический кальций может быть получен электролизом расплавленного хлористого кальция, CaCl2. Он используется как восстановитель для железа и меди; он также - элемент некоторых свинцовых сплавов.
Стронций представлен в виде минерала, называемом селестит (SrSO4 и стронцанитом (SrCO3)).
Барий (Ba) добывают в виде минерального барита (BaS04). Из-за его большого атомного номера барий сильно абсорбирует рентгеновское излучение. Когда проводят исследования желудочнокишечного трактата, пациенты обычно принимают смесь барита и воду, чтобы заставить органы выделяться на рентгеновском снимке. Хотя соединения бария являются очень ядовитыми, сульфат настолько нерастворим, что тело не абсорбирует значительное его количество. Зеленый цвет появляется на фейерверке благодаря азотнокислому барию и хлорноватокислому барию.
Соединения. У элементов этой группы есть два электрона в наружной электронной оболочке; удаление второго электрона является намного более трудной задачей, чем удаление первого, потому что присутствие положительного заряда, оставшегося после удаления первого электрона, порождает намного более сильную силу, корторая удерживает второй электрон. Однозарядный ион магния, Мг +, действительно существует в газообразной форме; но ионы, которые находятся в растворе - двухзарядные. Хотя удаление второго электрона требует приблизительно 800 килокалорий, притяжение этих двух положительных зарядов молекулами воды также выпускает много энергии, когда двухзарядный ион образуется в водном растворе, окруженный ориентированными диполями H2O. Результат состоит в том, что атомы всегда переходят в ионную форму с двумя положительными зарядами, когда они переходят в водный раствор.
Те же самые принципы функционируют, когда эти элементы объединяются с галогенами. Образуется так много выделяющейся энергии, когда электроны соединяются с галогенами, что образуется инертный газ, и образуемый MX2 всегда получается согласно уравнению.
Из-за своего размера барий может формировать перекись, и даже стронций под давлением может формировать подобный состав:
Все элементы этой группы образуют сульфиды, селениды, и теллуриды согласно уравнениям.
Нитриды можно получать, нагревая элементы в присутствии азота:
Все эти составы находятся в прозрачной форме. Присутствует резкое
понижение дельта F °) между Мг и Са, и соответствующее увеличение стабильности. Есть подобный провал в ионизационных потенциалах и в ионных радиусах. После этого разрыва соединения Са, Sr, и Ba напоминают друг друга с только небольшим увеличением стабильности как результат увеличения атомной массы.
Интересно изменяется поведение элементов этой группы, по мере опускания по столбцу периодической таблицы. При подвергании воздействию воздуха, Ве и Мг корродируют прежде всего с образованием оксида; и Ba и Rа, с другой стороны, корродируют прежде всего с образованием нитрида.
Все элементы этой группы формируют гидриды:
Термодинамические данные для формирования (газообразного) BeH2 и MgH2 (тело) даны на рисунке. 11. Тенденция состоит в том, что MgH2 образуется в твердом состоянии при низких температурах в значительной степени из-за прочных связей между этими атомами в кристалле. Все эти элементы растворяются в кислотах, образуя газообразный водород, и,кроме бериллия, реагируют с нейтральной водой. Можно ожидать, что реакция очень медленная для магния, но растет с увеличением атомной массы, и элемент становится менее электроотрицательным.
Галогенные соединения этой группы отличаются значительно по характеру связей. В бериллие ковалентность высока и, хотя его галогенные соединения растворимы, в значительной степени подвергаются гидролизу; с другой стороны, нет почти никакой ковалентности в галогенных соединениях Ba и Rа. Ковалентность соединений бериллия также показывает факт это BeC! 2, BeBra, и Bel2 растворяются в органических растворителях. То же самое верно для MgBr3 и Mgfa, но только MgF2 является малорастворимым.
Гидроксид бериллия - амфотерен, растворяется в кислотах и в сильных основаниях образуя ион Ве2+. У гидроокиси магния низкая растворимость (1 X 10 "4 моля в.1000 граммы); он не является амфотерным. Магниевое молоко - суспензия гидроокиси магния в воде и она дает нейтральную кислотную реакцию среды.
Гидроксид кальция также имеет низкую растворимость в воде (0.02 моля в 1000 граммов). Водный раствор известен как известковая вода и полезен для обнаружения двуокиси углерода, которая формирует белый осадок углекислого кальция:
Побелка - суспензия гидроксида кальция в воде. Окись кальция (как и всю Группа II оксидов за исключением бериллия) получают термическим разложением карбоната. В сухой форме она известна как негашеная известь; когда соединяют с водой, образуя гидроксид кальция его называют гашеной известью.
Из-за присутствия кальция, так же как магния и железа, в естественных водах, есть тенденция к осаждению, и такая вода используется при мытье поверхностей с мылом. Ионы кальция в этой жесткой воде будут объединяться со стеариновокислыми и олеиновокислыми ионами от растворенного мыла, образуя нерастворимые соли; эти отходы обработки мылом и производят нежелательное подобное творогу тело, которое остается в одежде. Поэтому, желательно удалять ионы кальция из воды при стирке.
Подобное негативное явление возникает, когда жесткая вода используется в паровых испарителях; двуокись углерода отрывается при высокой температуре, и оксид кальция или солей магния остается в испарителе. Это может засорять трубы и также восстановить теплопроводность. Были проведены долгие исследования для предотвращения этих эффектов от жесткой воды.