Страница 163 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие металлы IIA-группы называют щелочноземельными? Объясните происхождение этого названия.

К щелочноземельным металлам относят химические элементы IIA-группы (2-й группы) периодической системы: кальций ($Ca$), стронций ($Sr$), барий ($Ba$) и радий ($Ra$).

Находящиеся в этой же группе бериллий ($Be$) и магний ($Mg$) к щелочноземельным металлам, как правило, не относят. Это связано с тем, что их оксиды и гидроксиды проявляют свойства, отличные от остальных элементов группы: гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ является амфотерным, а гидроксид магния $Mg(OH)_2$ — слабое, практически нерастворимое в воде основание, в то время как гидроксиды кальция, стронция и бария являются щелочами (сильными основаниями).

Происхождение названия «щелочноземельные» является историческим и состоит из двух частей:

• Слово «щелочно-» указывает на то, что гидроксиды этих металлов, образующиеся при взаимодействии их оксидов с водой, являются щелочами (например, $Ca(OH)_2$, $Ba(OH)_2$). Они создают в растворе щелочную среду, как и гидроксиды щелочных металлов (IA-группа).
• Слово «-земельные» происходит от старинного названия, которое алхимики давали оксидам этих металлов — «земли». Оксиды, такие как оксид кальция $CaO$ (негашёная известь), были тугоплавкими, нерастворимыми в воде веществами, которые не изменялись при прокаливании, что и ассоциировалось с понятием «земля».

Таким образом, название объединяет два ключевых свойства: их «земли» (оксиды) образуют щелочи (гидроксиды).

Ответ: Щелочноземельными металлами называют кальций ($Ca$), стронций ($Sr$), барий ($Ba$) и радий ($Ra$). Название объясняется тем, что их оксиды в старину называли «землями» из-за тугоплавкости и нерастворимости, а соответствующие им гидроксиды являются щелочами.

2. Сравните щелочные и щелочноземельные металлы. Укажите вид связи и тип кристаллической решётки в простых веществах, образованных этими металлами.

Решение

Сравнение щелочных и щелочноземельных металлов

Щелочные металлы (элементы 1-й группы, главной подгруппы) и щелочноземельные металлы (элементы 2-й группы, главной подгруппы, начиная с Ca) относятся к s-элементам и обладают рядом общих и отличительных свойств.

Сходства:

И щелочные, и щелочноземельные металлы являются сильными восстановителями и обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Они очень химически активны, особенно по отношению к воде и неметаллам, поэтому в свободном виде в природе не встречаются, а только в виде соединений. Их оксиды и гидроксиды проявляют сильные основные свойства (за исключением амфотерного Be(OH)₂ и слабого основания Mg(OH)₂). Гидроксиды щелочных металлов и типичных щелочноземельных (Ca, Sr, Ba) являются щелочами.

Различия:

1. Положение в Периодической системе и строение атома. Щелочные металлы находятся в 1-й группе, на внешнем энергетическом уровне их атомы содержат один s-электрон (электронная конфигурация $ns^1$). Щелочноземельные металлы — элементы 2-й группы с двумя s-электронами на внешнем уровне ($ns^2$).

2. Степень окисления. Из строения атома следует, что для щелочных металлов характерна постоянная степень окисления +1, а для щелочноземельных — +2.

3. Физические свойства. Щелочноземельные металлы более твёрдые, плотные и тугоплавкие по сравнению с щелочными металлами того же периода. Это связано с тем, что в образовании металлической связи у них участвуют два электрона от каждого атома, а у щелочных — только один, что делает связь у щелочноземельных металлов более прочной.

4. Атомные характеристики. В пределах одного периода атомные радиусы у щелочных металлов больше, чем у щелочноземельных. При этом первые энергии ионизации и значения электроотрицательности у щелочных металлов ниже.

5. Химическая активность. Щелочные металлы являются более активными, чем щелочноземельные металлы того же периода.

Вид связи и тип кристаллической решётки

В простых веществах, образованных как щелочными, так и щелочноземельными металлами, реализуется металлическая химическая связь. Она осуществляется за счет электростатического притяжения между положительно заряженными ионами металлов в узлах кристаллической решётки и обобществленными валентными электронами, свободно движущимися по всему объёму кристалла (так называемый «электронный газ»).

Типы кристаллических решёток у этих металлов в твёрдом состоянии различаются:

• Для щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs) характерна объёмно-центрированная кубическая (ОЦК) решётка.

• У щелочноземельных металлов наблюдается разнообразие кристаллических структур: бериллий (Be) и магний (Mg) имеют гексагональную плотноупакованную (ГПУ); кальций (Ca) и стронций (Sr) — гранецентрированную кубическую (ГЦК); барий (Ba) и радий (Ra) — объёмно-центрированную кубическую (ОЦК).

Ответ: Щелочные металлы (1-я группа, $ns^1$, ст. ок. +1) и щелочноземельные металлы (2-я группа, $ns^2$, ст. ок. +2) — это активные s-металлы, сильные восстановители. Щелочные металлы более активны, мягче и имеют больший атомный радиус, чем щелочноземельные металлы того же периода, которые, в свою очередь, твёрже и имеют более высокие температуры плавления из-за более прочной металлической связи. В простых веществах у обеих групп металлов вид связи — металлическая. Тип кристаллической решётки у щелочных металлов — объёмно-центрированная кубическая (ОЦК). У щелочноземельных металлов типы решёток разные: гексагональная плотноупакованная (ГПУ у Be, Mg), гранецентрированная кубическая (ГЦК у Ca, Sr) и объёмно-центрированная кубическая (ОЦК у Ba, Ra).

3. Перечислите общие химические свойства щелочноземельных металлов. Подчеркните особенности взаимодействия этих металлов с водой.

Щелочноземельные металлы — это химические элементы 2-й группы периодической таблицы (кальций $Ca$, стронций $Sr$, барий $Ba$, радий $Ra$). Часто к этой группе относят также бериллий $Be$ и магний $Mg$ из-за сходства в свойствах. Все они являются активными металлами и сильными восстановителями, в соединениях проявляют постоянную степень окисления +2.

Общие химические свойства щелочноземельных металлов

1. Взаимодействие с простыми веществами (неметаллами):

   • С кислородом образуют оксиды ($MeO$), а барий также и пероксид ($BaO_2$):
     $2Me + O_2 \rightarrow 2MeO$

   • С галогенами образуют галогениды ($MeX_2$):
     $Me + X_2 \rightarrow MeX_2$

   • С водородом при нагревании образуют гидриды ($MeH_2$), кроме бериллия:
     $Me + H_2 \xrightarrow{t^\circ} MeH_2$

   • С азотом при нагревании образуют нитриды ($Me_3N_2$):
     $3Me + N_2 \xrightarrow{t^\circ} Me_3N_2$

   • С серой образуют сульфиды ($MeS$):
     $Me + S \xrightarrow{t^\circ} MeS$

2. Взаимодействие со сложными веществами:

   • С кислотами (неокислителями) бурно реагируют с выделением водорода:
     $Me + 2HCl \rightarrow MeCl_2 + H_2 \uparrow$

   • С водой реагируют с образованием гидроксида и водорода. Активность взаимодействия растет сверху вниз по группе (подробно рассмотрено ниже).

   • Как сильные восстановители, могут вытеснять менее активные металлы из растворов их солей:
     $Ca + CuSO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + Cu$

   • Способны восстанавливать некоторые неметаллы и металлы из их оксидов при нагревании:
     $2Mg + CO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + C$

Особенности взаимодействия этих металлов с водой

Ключевой особенностью взаимодействия щелочноземельных металлов с водой является сильное изменение их активности при движении сверху вниз по группе.

• Бериллий (Be) практически не реагирует с водой (ни с холодной, ни с горячей) из-за наличия на его поверхности очень прочной и химически инертной оксидной пленки $BeO$.

• Магний (Mg) очень медленно взаимодействует с холодной водой. Реакция ускоряется при кипячении, так как образующийся гидроксид $Mg(OH)_2$ малорастворим и пассивирует поверхность металла. С водяным паром магний реагирует энергично, образуя оксид $MgO$ и водород.
  $Mg + 2H_2O_{ (горяч.)} \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + H_2 \uparrow$

• Кальций (Ca) достаточно энергично реагирует с холодной водой, образуя малорастворимый гидроксид кальция $Ca(OH)_2$ и водород:
  $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 \downarrow + H_2 \uparrow$

• Стронций (Sr) и Барий (Ba) бурно реагируют даже с холодной водой. Активность реакции возрастает от стронция к барию. В результате образуются хорошо растворимые сильные основания (щёлочи) и водород:
  $Sr + 2H_2O \rightarrow Sr(OH)_2 + H_2 \uparrow$
  $Ba + 2H_2O \rightarrow Ba(OH)_2 + H_2 \uparrow$

Таким образом, реакционная способность по отношению к воде резко возрастает в ряду $Be < Mg < Ca < Sr < Ba$.

Ответ: Общие химические свойства щелочноземельных металлов включают их высокую восстановительную активность, взаимодействие с неметаллами (кислородом, галогенами, водородом, азотом) с образованием оксидов, галогенидов, гидридов и нитридов, а также реакцию с кислотами и водой. Особенностью взаимодействия с водой является резкое увеличение активности в ряду от бериллия к барию: бериллий не реагирует с водой из-за оксидной пленки, магний реагирует с горячей водой, а кальций, стронций и барий все более энергично реагируют с холодной водой, образуя соответствующий гидроксид и водород.

4. С помощью какой химической реакции можно доказать, что в состав природных соединений кальция — известняка, мрамора, кальцита — входит карбонат этого металла? Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.

Чтобы доказать, что природные соединения кальция, такие как известняк, мрамор и кальцит, содержат в своем составе карбонат кальция ($CaCO_3$), необходимо провести качественную реакцию на карбонат-ион ($CO_3^{2-}$). Такой реакцией является взаимодействие с сильной кислотой, например, с соляной ($HCl$) или азотной ($HNO_3$).

При добавлении сильной кислоты к образцу породы (известняка, мрамора или кальцита) происходит бурная реакция с выделением бесцветного газа без запаха. Это "вскипание" или шипение обусловлено выделением углекислого газа ($CO_2$). Обнаружение углекислого газа является прямым доказательством наличия карбонат-ионов в исследуемом образце.

Ниже представлены уравнения реакции взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой в различных формах.

Уравнение реакции в молекулярной форме:

Оно показывает полные формулы всех реагентов и продуктов.

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Уравнение реакции в полной ионной форме:

В этом уравнении сильные электролиты (сильные кислоты, растворимые соли) записаны в виде ионов, на которые они диссоциируют в растворе. Нерастворимые вещества (осадки), газы и слабые электролиты (например, вода) записываются в молекулярной форме.

$CaCO_3 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- + H_2O + CO_2 \uparrow$

Уравнение реакции в сокращенной ионной форме:

Это уравнение получается из полного ионного уравнения путем сокращения одинаковых ионов (так называемых "ионов-наблюдателей"), присутствующих в левой и правой частях. В данном случае это ионы хлора ($Cl^-$). Сокращенное ионное уравнение показывает суть химического превращения.

$CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: Чтобы доказать наличие карбоната в известняке, мраморе или кальците, нужно подействовать на них сильной кислотой (например, $HCl$). Признаком реакции будет выделение углекислого газа ($CO_2$). Уравнения реакции:
Молекулярное: $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$
Полное ионное: $CaCO_3 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- + H_2O + CO_2 \uparrow$
Сокращенное ионное: $CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2 \uparrow$

5. Охарактеризуйте свойства оксида кальция как основного оксида. Ответ подтвердите уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.

Оксид кальция ($CaO$) — это оксид щелочноземельного металла, который проявляет ярко выраженные основные свойства. Основные оксиды — это оксиды, которым соответствуют основания. Свойства оксида кальция как основного оксида подтверждаются его реакциями с кислотами, кислотными оксидами и водой.

1. Взаимодействие с кислотами

Как и все основные оксиды, оксид кальция реагирует с кислотами, в результате чего образуется соль и вода. Это типичная реакция нейтрализации. Рассмотрим реакцию с соляной кислотой ($HCl$).

Молекулярное уравнение:

$CaO + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O$

Полное ионное уравнение:

Оксид кальция — твердое вещество, соляная кислота — сильный электролит, хлорид кальция — растворимая соль.

$CaO(тв) + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (после исключения ионов-наблюдателей $Cl^-$):

$CaO(тв) + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O$

Ответ: Оксид кальция реагирует с кислотой с образованием соли и воды, что является характерным свойством основных оксидов. Уравнение реакции в молекулярной форме: $CaO + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O$. В сокращенной ионной форме: $CaO(тв) + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O$.

2. Взаимодействие с кислотными оксидами

Основные оксиды способны реагировать с кислотными оксидами, образуя соли. Например, оксид кальция (негашеная известь) легко поглощает из воздуха углекислый газ ($CO_2$), который является кислотным оксидом, с образованием соли — карбоната кальция ($CaCO_3$).

Молекулярное уравнение:

$CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$

Ионное уравнение:

Данная реакция протекает между твердым веществом ($CaO$) и газом ($CO_2$) с образованием нерастворимого твердого продукта ($CaCO_3$). Поскольку реакция не протекает в водном растворе с участием диссоциированных ионов, составление ионного уравнения для этого процесса некорректно.

Ответ: Оксид кальция реагирует с кислотным оксидом с образованием соли, что подтверждает его основный характер. Реакция описывается молекулярным уравнением: $CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$.

3. Взаимодействие с водой

Оксиды активных металлов, к которым относится кальций, взаимодействуют с водой, образуя соответствующее основание (щелочь). Реакция оксида кальция с водой, известная как "гашение извести", является экзотермической и приводит к образованию гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$).

Молекулярное уравнение:

$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

Ионное уравнение:

Хотя гидроксид кальция является малорастворимым веществом, в ионном уравнении можно показать процесс образования ионов $Ca^{2+}$ и гидроксид-ионов $OH^-$, которые и обуславливают щелочную среду раствора.

$CaO(тв) + H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$

Образование гидроксид-ионов ($OH^-$) является прямым доказательством образования основания при реакции основного оксида с водой.

Ответ: Оксид кальция взаимодействует с водой с образованием основания — гидроксида кальция, что доказывает его основные свойства. Уравнение реакции в молекулярной форме: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$. В ионной форме, показывающей образование щелочной среды: $CaO(тв) + H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$.

6. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

a) $Ca \rightarrow CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \rightarrow CaO \rightarrow Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 \rightarrow CaF_2$

б) $BaCO_3 \rightarrow BaO \rightarrow Ba(OH)_2 \rightarrow BaCl_2 \rightarrow Ba_3(PO_4)_2$

Для реакций обмена запишите ионные уравнения.

а) 1. $Ca + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2\uparrow$

2. $CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$

Для данной реакции обмена ионные уравнения выглядят следующим образом:

Полное ионное уравнение: $Ca^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3\downarrow$

3. $CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} CaO + CO_2\uparrow$

4. $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

5. $Ca(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + 2H_2O$

Для данной реакции обмена (нейтрализации) ионные уравнения:

Полное ионное уравнение: $Ca^{2+} + 2OH^{-} + 2H^{+} + 2NO_3^{-} \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^{-} + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение: $H^{+} + OH^{-} \rightarrow H_2O$

6. $Ca(NO_3)_2 + 2NaF \rightarrow CaF_2\downarrow + 2NaNO_3$

Для данной реакции обмена ионные уравнения:

Полное ионное уравнение: $Ca^{2+} + 2NO_3^{-} + 2Na^{+} + 2F^{-} \rightarrow CaF_2\downarrow + 2Na^{+} + 2NO_3^{-}$

Сокращенное ионное уравнение: $Ca^{2+} + 2F^{-} \rightarrow CaF_2\downarrow$

Ответ:

б) 1. $BaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} BaO + CO_2\uparrow$

2. $BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$

3. $Ba(OH)_2 + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + 2H_2O$

Для данной реакции обмена (нейтрализации) ионные уравнения:

Полное ионное уравнение: $Ba^{2+} + 2OH^{-} + 2H^{+} + 2Cl^{-} \rightarrow Ba^{2+} + 2Cl^{-} + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение: $H^{+} + OH^{-} \rightarrow H_2O$

4. $3BaCl_2 + 2Na_3PO_4 \rightarrow Ba_3(PO_4)_2\downarrow + 6NaCl$

Для данной реакции обмена ионные уравнения:

Полное ионное уравнение: $3Ba^{2+} + 6Cl^{-} + 6Na^{+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ba_3(PO_4)_2\downarrow + 6Na^{+} + 6Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение: $3Ba^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ba_3(PO_4)_2\downarrow$

Ответ:

7. При обработке 9,8 г смеси карбоната, гидроксида и сульфата кальция избытком соляной кислоты выделилось 0,896 л газа (н. у.) и осталось 2,1 г твёрдого остатка. Вычислите массовую долю компонентов в смеси.

Дано:

$m_{смеси}(CaCO_3, Ca(OH)_2, CaSO_4) = 9,8 \text{ г}$
$V(газа) = 0,896 \text{ л (н.у.)}$
$m_{остатка} = 2,1 \text{ г}$

Найти:

$\omega(CaCO_3) - ?$
$\omega(Ca(OH)_2) - ?$
$\omega(CaSO_4) - ?$

Решение:

При обработке смеси карбоната, гидроксида и сульфата кальция избытком соляной кислоты ($HCl$) происходят следующие химические реакции:

1. Карбонат кальция реагирует с соляной кислотой, в результате чего выделяется углекислый газ:
$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

2. Гидроксид кальция вступает в реакцию нейтрализации с соляной кислотой:
$Ca(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O$

3. Сульфат кальция ($CaSO_4$) — соль, образованная сильной кислотой и сильным основанием, поэтому с соляной кислотой он не реагирует. Так как сульфат кальция малорастворим в воде, он и составляет твёрдый остаток.

Таким образом, масса твёрдого остатка равна массе сульфата кальция в исходной смеси:
$m(CaSO_4) = m_{остатка} = 2,1 \text{ г}$

Выделившийся в ходе реакции газ — это углекислый газ ($CO_2$). Рассчитаем его количество вещества (моль) по объему при нормальных условиях (н.у.), используя молярный объем газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:
$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{0,896 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,04 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции (1), количество вещества прореагировавшего карбоната кальция равно количеству вещества выделившегося углекислого газа:
$n(CaCO_3) = n(CO_2) = 0,04 \text{ моль}$

Вычислим молярную массу карбоната кальция:
$M(CaCO_3) = 40 + 12 + 3 \times 16 = 100 \text{ г/моль}$

Теперь определим массу карбоната кальция в смеси:
$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \times M(CaCO_3) = 0,04 \text{ моль} \times 100 \text{ г/моль} = 4,0 \text{ г}$

Массу гидроксида кальция в смеси найдем, вычтя из общей массы смеси массы сульфата и карбоната кальция:
$m(Ca(OH)_2) = m_{смеси} - m(CaSO_4) - m(CaCO_3) = 9,8 \text{ г} - 2,1 \text{ г} - 4,0 \text{ г} = 3,7 \text{ г}$

Зная массы всех компонентов, вычислим их массовые доли ($\omega$) в исходной смеси.

Массовая доля карбоната кальция:
$\omega(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{m_{смеси}} \times 100\% = \frac{4,0 \text{ г}}{9,8 \text{ г}} \times 100\% \approx 40,82\%$

Массовая доля сульфата кальция:
$\omega(CaSO_4) = \frac{m(CaSO_4)}{m_{смеси}} \times 100\% = \frac{2,1 \text{ г}}{9,8 \text{ г}} \times 100\% \approx 21,43\%$

Массовая доля гидроксида кальция:
$\omega(Ca(OH)_2) = \frac{m(Ca(OH)_2)}{m_{смеси}} \times 100\% = \frac{3,7 \text{ г}}{9,8 \text{ г}} \times 100\% \approx 37,75\%$

Ответ: массовая доля карбоната кальция в смеси составляет 40,82%, гидроксида кальция – 37,75%, сульфата кальция – 21,43%.

8. Щелочные металлы получают электролизом расплавов их гидроксидов — щелочей. Для получения щелочноземельных металлов используют электролиз расплавов их солей. Как вы думаете, почему для этих целей не годятся гидроксиды щелочноземельных металлов? Напишите уравнение электролиза расплава хлорида кальция.

Решение

Почему для этих целей не годятся гидроксиды щелочноземельных металлов?

В отличие от гидроксидов щелочных металлов (щелочей), которые плавятся без разложения, гидроксиды щелочноземельных металлов (например, гидроксид кальция $Ca(OH)_2$ или гидроксид магния $Mg(OH)_2$) являются термически неустойчивыми соединениями. При попытке их расплавить, они разлагаются до достижения температуры плавления. Процесс разложения (дегидратации) происходит при нагревании с образованием соответствующего оксида металла и воды:

$Ca(OH)_2 \xrightarrow{t \approx 580^{\circ}C} CaO + H_2O\uparrow$

Таким образом, вместо расплава гидроксида мы получим твердый тугоплавкий оксид. Электролиз оксидов щелочноземельных металлов технически очень сложен и экономически невыгоден из-за их чрезвычайно высоких температур плавления (например, температура плавления оксида кальция $CaO$ составляет 2613 °C). В то же время их соли, в частности хлориды, имеют значительно более низкие температуры плавления (например, температура плавления хлорида кальция $CaCl_2$ составляет 772 °C) и термически стабильны, что делает их электролиз в расплаве основным промышленным способом получения этих металлов.

Ответ: Гидроксиды щелочноземельных металлов термически нестабильны и при нагревании разлагаются на оксид и воду, не достигая температуры плавления. Проведение электролиза полученных оксидов нецелесообразно из-за их очень высоких температур плавления.

Напишите уравнение электролиза расплава хлорида кальция.

При электролизе расплава хлорид кальция диссоциирует на ионы:

$CaCl_2 \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2Cl^-$

В ходе электролиза на электродах протекают следующие процессы:

• На катоде (отрицательно заряженном электроде) катионы кальция принимают электроны и восстанавливаются до металлического кальция:
  Катод (-): $Ca^{2+} + 2e^- \rightarrow Ca^0$
• На аноде (положительно заряженном электроде) хлорид-ионы отдают электроны и окисляются до молекулярного хлора:
  Анод (+): $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0\uparrow$

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида кальция:

$CaCl_2 \xrightarrow{электролиз} Ca + Cl_2\uparrow$

Ответ: $CaCl_2 \xrightarrow{электролиз} Ca + Cl_2\uparrow$.

9. Подготовьте сообщение об истории открытия одного из щелочноземельных металлов, его свойствах и применении.

В качестве примера щелочноземельного металла рассмотрим кальций (Ca).

История открытия

Соединения кальция, такие как известь (оксид кальция), гипс (сульфат кальция) и мрамор (карбонат кальция), были известны и использовались человечеством с древнейших времен. Римляне использовали известь в качестве строительного раствора, а египтяне применяли гипс для бальзамирования и строительства пирамид. Однако в виде простого вещества кальций был выделен значительно позже.

Впервые металлический кальций получил английский химик и физик сэр Гемфри Дэви в 1808 году. Он подверг электролизу смесь влажной гашёной извести ($Ca(OH)_2$) с оксидом ртути ($HgO$) на платиновой пластине (анод), используя платиновую проволоку в капле ртути в качестве катода. В результате образовалась амальгама кальция. После испарения ртути из амальгамы Дэви получил чистый металл. Своё название новый элемент получил от латинского слова calx (родительный падеж calcis), что означает «известь».

Ответ: Металлический кальций был впервые выделен Гемфри Дэви в 1808 году методом электролиза, хотя его соединения (известь, гипс) были известны с древности.

Свойства

Физические свойства: Кальций — это ковкий, относительно мягкий (легче натрия, но твёрже свинца) серебристо-белый металл. Он является элементом 2-й группы (щелочноземельные металлы), 4-го периода периодической системы с атомным номером 20. Атомная масса кальция составляет приблизительно $40.078$ а.е.м. Плотность — $1.55 \text{ г/см}^3$. Температура плавления — $842 \text{°C}$, температура кипения — $1484 \text{°C}$.

Химические свойства: Кальций — химически активный металл. На воздухе он быстро тускнеет, покрываясь плёнкой оксида и нитрида.

• Энергично реагирует с водой с выделением водорода:
  $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow$
• При нагревании на воздухе или в кислороде сгорает, образуя оксид кальция ($CaO$):
  $2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO$
• Взаимодействует с большинством неметаллов, например, с галогенами, серой, азотом (при нагревании):
  $Ca + Cl_2 \rightarrow CaCl_2$
  $3Ca + N_2 \xrightarrow{t} Ca_3N_2$
• Легко реагирует с кислотами, вытесняя водород:
  $Ca + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2 \uparrow$

Соли кальция окрашивают пламя в характерный кирпично-красный цвет.

Ответ: Кальций — активный серебристо-белый щелочноземельный металл, легко вступающий в реакции с водой, кислородом, кислотами и неметаллами, образуя соединения со степенью окисления +2.

Применение

Применение находят как сам металлический кальций, так и его многочисленные соединения.

Металлический кальций:

• Используется в металлургии в качестве восстановителя для получения редких и тугоплавких металлов (уран, торий, хром, ванадий) из их оксидов и фторидов. Например: $UF_4 + 2Ca \rightarrow U + 2CaF_2$.
• Применяется для раскисления (удаления кислорода), десульфурации и дегазации стали и других сплавов.
• Входит в состав некоторых сплавов, например, свинцовых сплавов для аккумуляторных пластин.

Соединения кальция:

• Карбонат кальция ($CaCO_3$) — известняк, мрамор, мел. Широко используется в строительстве для производства цемента и извести, в сельском хозяйстве для известкования почв, в производстве стекла, бумаги, пластмасс, а также в качестве пищевой добавки.
• Оксид кальция ($CaO$) — негашёная известь. Применяется в строительстве, в химической промышленности для производства других соединений, в металлургии как флюс.
• Гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) — гашёная известь. Используется для приготовления строительных растворов (штукатурка), для очистки воды, в сахарной промышленности и для побелки.
• Сульфат кальция ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$) — гипс. Основное применение — производство строительных материалов (гипсокартон, сухие смеси) и в медицине для наложения фиксирующих повязок.
• Хлорид кальция ($CaCl_2$) — используется как противогололёдный реагент, осушитель газов и жидкостей, а также как пищевая добавка (E509) для отверждения.

Кроме того, кальций — важнейший биогенный элемент. Ионы кальция играют ключевую роль в формировании костной ткани, в процессах мышечного сокращения, нервного возбуждения и свёртывания крови.

Ответ: Кальций и его соединения имеют широчайшее применение: от металлургии и строительства до медицины и пищевой промышленности, а также играют незаменимую роль в жизнедеятельности организмов.