Најважније из лекције
Општа својства: Елементи 2. групе (\(\text{Be}, \text{Mg}, \text{Ca}, \text{Sr}, \text{Ba}, \text{Ra}\)), увек граде јоне \(\text{M}^{2+}\) са оксидационим бројем \(+2\). \(\text{Be}\) гради претежно ковалентна једињења и показује амфотеран карактер.
Трендови у групи (од врха ка дну): Јачина база и растворљивост хидроксида расту (\(\text{Ba(OH)}_2\) је најјача база), док растворљивост сулфата опада (\(\text{BaSO}_4\) је нерастворан).
Кречни циклус: \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\text{печење}} \text{CaO} \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}} \text{Ca(OH)}_2 \xrightarrow{+\text{CO}_2} \text{CaCO}_3\).
Тврдоћа воде и гипс: Пролазну тврдоћу чине хидрогенкарбонати \(\text{Ca(HCO}_3)_2\) и \(\text{Mg(HCO}_3)_2\) који се кувањем преводе у каменац. Загревањем сировог гипса (\(\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\)) на \(120\ ^\circ\text{C}\) добија се печени гипс (\(\text{CaSO}_4 \cdot \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O}\)) који поновним везивањем воде очвршћава.
Трендови у групи (од врха ка дну): Јачина база и растворљивост хидроксида расту (\(\text{Ba(OH)}_2\) је најјача база), док растворљивост сулфата опада (\(\text{BaSO}_4\) је нерастворан).
Кречни циклус: \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\text{печење}} \text{CaO} \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}} \text{Ca(OH)}_2 \xrightarrow{+\text{CO}_2} \text{CaCO}_3\).
Тврдоћа воде и гипс: Пролазну тврдоћу чине хидрогенкарбонати \(\text{Ca(HCO}_3)_2\) и \(\text{Mg(HCO}_3)_2\) који се кувањем преводе у каменац. Загревањем сировог гипса (\(\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\)) на \(120\ ^\circ\text{C}\) добија се печени гипс (\(\text{CaSO}_4 \cdot \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O}\)) који поновним везивањем воде очвршћава.
Земноалкални метали су елементи 2. групе Периодног система: берилијум (\(\text{Be}\)), магнезијум (\(\text{Mg}\)), калцијум (\(\text{Ca}\)), стронцијум (\(\text{Sr}\)), баријум (\(\text{Ba}\)) и радијум (\(\text{Ra}\)).
Сви елементи имају оксидациони број \(+2\) у једињењима и граде двовалентне катјоне (\(\text{M}^{2+}\)).
У поређењу са алкалним металима:
- Имају јачу металну везу (два валентна електрона), због чега су тврђи, гушћи и имају више температуре топљења.
- \(\text{Be}\), \(\text{Mg}\) и \(\text{Ca}\) спадају у лаке метале.
- Реактивни су, али мање од алкалних метала. \(\text{Ca}\), \(\text{Sr}\) и \(\text{Ba}\) се због високе реактивности чувају у петролеуму.
Берилијум (\(\text{Be}\)) представља изузетак: изузетно је тврд, његова једињења имају знатан удео ковалентног карактера и показује амфотерна својства (слично алуминијуму и цинку).
Зашто земноалкални метали имају више температуре топљења од одговарајућих алкалних метала у истој периоди?
Имају два валентна електрона у металној решетки (уместо једног код алкалних метала) и мањи јонски полупречник, што доводи до знатно јаче металне везе.
Земноалкални метали су јака редукциона средства. Директно реагују са већином неметала (\(\text{O}_2, \text{H}_2, \text{N}_2, \text{X}_2, \text{S}\)).
\[ 2\text{Mg(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{MgO(s)} \quad (\text{блештав пламен}) \]
\[ \text{Ba(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{BaO}_2\text{(s)} \quad (\text{настаје пероксид}) \]
\[ 3\text{Mg(s)} + \text{N}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{Mg}_3\text{N}_2\text{(s)} \quad (\text{нитрид}) \]
\[ \text{Ca(s)} + \text{H}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CaH}_2\text{(s)} \quad (\text{хидрид}) \]
\(\text{Ca}\), \(\text{Sr}\) и \(\text{Ba}\) бурно реагују са водом градећи хидроксиде и ослобађајући водоник:
\[ \text{Ca(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
\(\text{Mg}\) у хладној води се пасивизира стварањем слабо растворног \(\text{Mg(OH)}_2\), док са воденом паром даје оксид:
\[ \text{Mg(s)} + \text{H}_2\text{O(g)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Са хлороводоничном киселином истискују водоник:
\[ \text{Mg(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{MgCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Са \(\text{HNO}_3\) реакција зависи од концентрације киселине:
\[ \text{Mg} + 2\text{HNO}_3\text{(врло разбл.)} \longrightarrow \text{Mg(NO}_3)_2 + \text{H}_2\text{(g)} \]
\[ 3\text{Mg} + 8\text{HNO}_3\text{(разбл.)} \longrightarrow 3\text{Mg(NO}_3)_2 + 2\text{NO(g)} + 4\text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{Mg} + 4\text{HNO}_3\text{(конц.)} \longrightarrow \text{Mg(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O} \]
Реакција калцијума са сумпорном киселином се брзо зауставља због формирања нерастворног слоја \(\text{CaSO}_4\) на површини метала. Берилијум се пасивизира слојем оксида, али се раствара у концентрованим базама због амфотерности.
Оксиди и хидроксиди земноалкалних метала имају изражен базни карактер (осим \(\text{BeO}\) и \(\text{Be(OH)}_2\) који су амфотерни).
Трендови у групи (од \(\text{Be}\) ка \(\text{Ba}\)):
- Јачина база расте: \(\text{Be(OH)}_2 < \text{Mg(OH)}_2 < \text{Ca(OH)}_2 < \text{Sr(OH)}_2 < \text{Ba(OH)}_2\)
- Растворљивост хидроксида расте: \(\text{Mg(OH)}_2\) је слабо растворан, а \(\text{Ba(OH)}_2\) добро растворан.
Живи (печени/негашени) креч (\(\text{CaO}\)): Добија се жарењем кречњака:
\[ \text{CaCO}_3\text{(s)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{CaO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \quad (\Delta_r H > 0) \]
Гашени креч (\(\text{Ca(OH)}_2\)): Настаје егзотермном реакцијом гашења живог креча:
\[ \text{CaO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \quad (\Delta_r H < 0) \]
- Кречна вода: бистри засићени водени раствор \(\text{Ca(OH)}_2\).
- Кречно млеко: густа суспензија \(\text{Ca(OH)}_2\) у води.
Доказивање \(\text{CO}_2\) и везивање малтера: Увођењем \(\text{CO}_2\) у кречну воду долази до замућења услед таложења нерастворног калцијум-карбоната:
\[ \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CaCO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Растворљивост соли:
- Халогениди су добро растворни (\(\text{CaCl}_2\) је изразито хигроскопан; соли \(\text{Ba}^{2+}\) боје пламен у зелено).
- Сулфати: растворљивост опада низ групу - \(\text{BaSO}_4\) је практично нерастворан.
- Карбонати: слабо се растварају у води, док су хидрогенкарбонати добро растворни.
Пролазна (карбонатна) тврдоћа воде потиче од растворених \(\text{Ca(HCO}_3)_2\) и \(\text{Mg(HCO}_3)_2\).
Уклања се кувањем, при чему се таложи каменац (\(\text{CaCO}_3\) и \(\text{MgCO}_3\)):
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{CaCO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{Mg(HCO}_3)_2\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{MgCO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Облици калцијум-сулфата (гипс):
- Сирови гипс (дихидрат): \(\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\)
- Печени гипс (полухидрат): \(\text{CaSO}_4 \cdot \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O}\) - настаје благим загревањем дихидрата на \(120\ ^\circ\text{C}\). Додатком воде брзо везује кристалну воду и очвршћава назад у дихидрат.
- Мртви гипс: настаје жарењем преко \(160\ ^\circ\text{C}\); потпуно губи способност везивања воде и очвршћавања.
Горка со (\(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\)) даје морској води карактеристичан горак укус.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је хемијска формула живог креча, а која гашеног креча? Напиши једначину реакције којом из живог креча настаје гашени креч.
Живи креч је калцијум-оксид (\(\text{CaO}\)), а гашени креч је калцијум-хидроксид (\(\text{Ca(OH)}_2\)).
Једначина реакције „гашења” креча: \[ \text{CaO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \]
Једначина реакције „гашења” креча: \[ \text{CaO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \]
Задатак 2 (средњи): Објасни зашто се баријум-сулфат (\(\text{BaSO}_4\)) може безбедно користити као контрастно средство при рендгенском снимању дигестивног тракта, иако су сви раствори јона баријума (\(\text{Ba}^{2+}\)) изузетно отровни.
Баријум-сулфат је практично потпуно нерастворан у води и желудачној киселини. Због тога се у организму не ослобађају слободни, токсични јони \(\text{Ba}^{2+}\), већ сулфат непромењен пролази кроз систем за варење и безбедно се елиминише.
Задатак 3 (средњи): Напиши једначине хемијских реакција:
а) сагоревања магнезијума на ваздуху уз настајање оксида и нитрида;
б) загревања воде која садржи калцијум-хидрогенкарбонат (настајање каменца).
а) сагоревања магнезијума на ваздуху уз настајање оксида и нитрида;
б) загревања воде која садржи калцијум-хидрогенкарбонат (настајање каменца).
а) Сагоревањем магнезијума у присуству кисеоника и азота из ваздуха:
\[ 2\text{Mg} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{MgO} \]
\[ 3\text{Mg} + \text{N}_2 \longrightarrow \text{Mg}_3\text{N}_2 \]
б) Термичко разлагање калцијум-хидрогенкарбоната:
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2\text{(aq)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{CaCO}_3\text{(s)} \downarrow + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \uparrow \]
Задатак 4 (тежак): Загревањем \(100\text{ g}\) кречњака добијено је \(44\text{ g}\) негашеног креча (\(\text{CaO}\)). Ако је принос реакције термичког разлагања \(100\%\), израчунај масени удео калцијум-карбоната (\(\text{CaCO}_3\)) у том узорку кречњака. (\(M(\text{CaCO}_3) = 100\text{ g/mol}\), \(M(\text{CaO}) = 56\text{ g/mol}\)).
Једначина реакције:
\[ \text{CaCO}_3 \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{CaO} + \text{CO}_2 \]
Из стехиометрије реакције: из \(1\text{ mol}\) (\(100\text{ g}\)) \(\text{CaCO}_3\) настаје \(1\text{ mol}\) (\(56\text{ g}\)) \(\text{CaO}\).
Постављамо пропорцију за чист \(\text{CaCO}_3\): \[ \frac{m(\text{CaCO}_3)}{100\text{ g/mol}} = \frac{44\text{ g}}{56\text{ g/mol}} \implies m(\text{CaCO}_3) = \frac{44 \cdot 100}{56} \approx 78{,}57\text{ g} \] Масени удео \(\text{CaCO}_3\) у руди кречњака је: \[ w(\text{CaCO}_3) = \frac{78{,}57\text{ g}}{100\text{ g}} \cdot 100\% = 78{,}57\% \]
Постављамо пропорцију за чист \(\text{CaCO}_3\): \[ \frac{m(\text{CaCO}_3)}{100\text{ g/mol}} = \frac{44\text{ g}}{56\text{ g/mol}} \implies m(\text{CaCO}_3) = \frac{44 \cdot 100}{56} \approx 78{,}57\text{ g} \] Масени удео \(\text{CaCO}_3\) у руди кречњака је: \[ w(\text{CaCO}_3) = \frac{78{,}57\text{ g}}{100\text{ g}} \cdot 100\% = 78{,}57\% \]
