Свойства кальция и магния. Жёсткость воды. Лекция №7

Характеристика металлов главной подгруппы II группы
Атомы этих элементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона: ns2.
В реакциях атомы элементов подгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуют соединения, в которых степень окисления элемента равна +2.

Строение атома
Это s-элементы. В виде простых веществ типичные металлы. На внешнем уровне имеют по два электрона. Отдавая их, они проявляют в соединениях степень окисления +2. В окислительно-восстановительных реакциях все металлы подгруппы ведут себя как сильные восстановители, однако несколько более слабые, чем щелочные металлы. Это объясняется тем, что атомы металлов II группы имеют меньшие атомные радиусы, чем атомы соответствующих щелочных металлов, расположенных в тех же периодах. Это связано с некоторым сжатием электронных оболочек, так как s-подуровень внешнего электронного слоя у них завершен, поэтому электроны ими удерживаются сильнее.

Щелочноземельные металлы
В главную подгруппу II группы входят бериллий Be, магний Mg, кальций Са, стронций Sr, барий Ва, радий Ra. Из них кальций, стронций, барий относятся к семейству щелочноземельных металлов.

Получение щелочноземельных металлов
Электролизом расплавов их хлоридов или термическим восстановлением их соединений:
BeF2 + Mg = Be + MgF2
MgO + C = Mg + CO
3CaO + 2Al = 2Ca + Al2O3
3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3

Химические свойства
Щелочноземельные элементы - химически активные металлы. Они являются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менее активен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металла защитной оксидной пленки.
кальций
магний
бериллий

Нахождение в природе
Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) в природе. Ввиду своей высокой химической активности все они в свободном состоянии не встречаются. Самым распространённым щелочноземельным металлом является кальций, количество которого равно 3,38 % (от массы земной коры). Немногим ему уступает магний, количество которого равно 2,35 % (от массы земной коры). Распространены в природе также барий и стронций, которых соответственно 0,05 и 0,034 % от массы земной коры. Бериллий является редким элементом, количество которого составляет 6·10−4% от массы земной коры. Что касается радия, который радиоактивен, то это самый редкий из всех щёлочноземельных металлов, но он в небольшом количестве всегда содержится в урановых рудах. В частности, он может быть выделен оттуда химическим путём. Его содержание равно 1·10−10% (от массы земной коры).

Кальций и его практическое значение.
Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al2Si2O8].
В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO3, ангидрит CaSO4, алебастр CaSO4·0.5H2O и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), доломит MgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.
Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).
кальцит
Изделия из гранита

Взаимодействие с простыми веществами
Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуя оксиды и сульфаты:
2Be + O2 = 2BeO
Ca + S = CaS
Бериллий и магний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы - при обычных условиях.
Все металлы этой группы легко реагируют с галогенами:
Mg + Cl2 = MgCl2
При нагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другими неметаллами:
Ca + H2 = CaH2 (гидрид кальция)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)
Ca + 2C = CaC2 (карбид кальция)

Взаимодействие с кислотами
Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:
Be + 2HCl = BeCl2 + H2
Разбавленную азотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитрата аммония:
2Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
В концентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллий пассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.

Взаимодействие со щелочами
Бериллий взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2
Остальные металлы II группы с щелочами не реагируют.

Влияние жесткости воды на здоровье человека
Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки. Эти шлаки высыхают и остаются в виде микроскопической корки на кожном и волосяном покрове человека. Разрушается естественная жировая пленка кожного и волосяного покрова человека, забиваются поры, появляется сухость, шелушение, перхоть. Признак повышенной жесткости воды – скрип чисто вымытой кожи и волос. Чувство повышенной мылкости, признак того, что защитная пленка на коже невредима, и жесткость воды небольшая. Поэтому косметологи советуют умываться дождевой или талой водой. С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены, она после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах.

Жесткость воды

Жесткость воды
Жёсткость воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.
Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики.
Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится

Состав морской воды

Методы устранения жесткости
Для устранения карбонатной жёсткости воду кипятят. Общую жёсткость устраняют или добавлением химических веществ, или при помощи так называемых катионитов. При использовании химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты, например добавляют известковое молоко и соду:
Са + 2НСО3 + Са + 2ОН = 2Н2О + 2СаСО3↓
Са + SO4 + 2Na + CO3 = 2Na + SO4 + CaCO3↓

Методы умягчения воды:
Реагентное умягчение воды, при этом способе очистки воды ионы Ca+2 и Mg+2 связываются различными веществами в нерастворимые соединения.
Электромагнитное воздействие на воду. Данный метод очистки воды не снижает ее жесткость, а предотвращает выпадение накипи, карбонатных отложений. Данный метод используется, где умягчение воды не является самоцелью.
Подробнее о химии жесткости воды.
Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить
воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с
катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли,
которые выпадают в осадок.
Ca2 + 2HCO3- = CaCO3v + H2O + CO2^
С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.
Еде один способ – испарение воды с последующие ее
конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются,
а вода испаряется.
Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для
смягчения небольшого количества воды. С последствием жесткости воды - накипью, с точки зрения химии можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной.

Устранение карбонатной жесткости
Кипячение
Са(НСО3)2 → СаСО3 ↓+ Н2О + СО2↑; Mg(НСО3)2 → MgСО3 ↓ + Н2О + СО2↑.
Действие известкового молока или соды:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3 ↓ + 2Н2О ; Mg(НСО3)2 + Na2СО3 → MgСО3 ↓ + 2NaHCO3

Действие раствора соды Na2CO3:
СaSO4 + Na2СО3 → CaСО3 ↓ + Na2SO4;
MgCl2 + Na2СО3 → MgСО3 ↓ + 2NaCl;
Устранение некарбонатной (постоянной) жесткости

О содержании железа в питьевой воде
Высокое содержание железа в воде вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды (присутствует привкус ржавчины), а также после "железной" воды остаются желтые разводы на сантехнике и пятна на одежде. Железо практически всегда встречается в поверхностных и подземных скважинных водах. Также вследствие коррозии труб ржавчина попадает в питьевую воду.
Соединения железа в воде присутствуют в растворенной и нерастворенной форме.
1. Для удаления ржавчины используют так называемые "механические" фильтры. Фильтрующие элементы представлены в виде промывающейся сетки из нержавеющей стали, также используются кварцевый песок, керамическая крошка.
2. Растворенное железо бывает в трехвалентной и в двухвалентной формах. Трехвалентная форма - это желтый раствор, двухвалентная - бесцветный раствор. В присутствии кислорода в воде двухвалентное железо очень быстро переходит в трехвалентную форму и образует малорастворимый гидроксид железа .
4Fe 2+ + O2 +2H2O = 4Fe(OH)3
При аэрировании происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентную форму по следующей суммарной реакции:
4Fe2+ + O2 +10H2O = 4Fe (OH) 3 + 8H+
Также вместо кислорода воздуха для перевода Fe2+ в Fe3+ можно использовать и другие окислители, например, перманганат калия. Этими способами производят очистку воды от марганца (Mn2+), который часто сопутствует двухвалентному железу:
3Fe (HCO3)3 + KMnO3 + 2H2O = 3Fe (OH)3 + MnO2 + 5CO2 + KHCO3
В случае двухвалентного марганца происходит такая реакция окисления:
3Mn2+ + 2MnO4- + 2H2O = 5MnO2 + 4H+