Két vegyértékelektron, kétszeres pozitív ion
A II.A főcsoport tagjai Be, Mg, Ca, Sr, Ba és Ra; vegyértékhéjuk ns2. Mg2+ és Ca2+ gyakori ion. Mg és Ca elemi állapotban redukálószer, sóikban már kationként szerepelnek. Magnéziumötvözetek könnyű szerkezeti anyagok; Mg2+ a klorofill központi ionja, Ca2+ pedig a csontok és több élettani folyamat fontos résztvevője. A csont ásványi anyaga nem egyszerű tiszta CaCO3: főként kalcium-foszfát jellegű apatit.
Az atom, a fém és az ion
| Elem | Atom elektronszerkezete | Ion |
|---|---|---|
| Mg | [Ne] 3s2; héjak: 2, 8, 2 | Mg2+: [Ne]; két elektront adott le. |
| Ca | [Ar] 4s2; héjak: 2, 8, 8, 2 | Ca2+: [Ar]; két elektront adott le. |
A sűrűség és a felületi réteg is számít
A Mg és Ca szobahőmérsékleten ezüstös, szilárd fém. Fémrácsuk delokalizált elektronjai miatt jól vezetik a hőt és az áramot. Sűrűségük nagyobb a vízénél, de sok szerkezeti féménél kisebb: ezért a magnéziumötvözetek tömegcsökkentésre használhatók. A magnézium az alkálifémeknél keményebb és magasabb olvadáspontú; megmunkálhatóságukat a rácsszerkezet és az ötvözés is befolyásolja.
Azonos periódusban a Mg atomja kisebb, első ionizációs energiája és elektronegativitása nagyobb a Na-énál; Ca és K között hasonló az irány. A második elektron leadásával +2 töltésű, nemesgáz-elektronszerkezetű ion keletkezik. A fém és ionja emiatt eltérő tulajdonságú. A hidratált Mg2+ és Ca2+ színtelen; a tiszta karbonát- és szulfátsójuk rendszerint fehér.
A magnézium felületén kialakuló oxid-/hidroxidréteg a további reakciót lassíthatja; a tömbös fémet ezért általában nem kell petróleum alatt tárolni. A kalcium reakcióképesebb, levegőtől és nedvességtől elzárva tárolják. A reakció megindulását tehát nemcsak az elektronszerkezetből, hanem a felület állapotából és a hőmérsékletből is magyarázzuk.
A feltétel része a válasznak
| Folyamat | Magnézium | Kalcium |
|---|---|---|
| Oxigén | 2 Mg + O2 → 2 MgO; vakító fehér fény. | 2 Ca + O2 → 2 CaO. |
| Víz | Hideg vízzel lassú; vízgőzzel Mg + H2O(g) → MgO + H2. | Ca + 2 H2O → Ca(OH)2 + H2. |
| Híg sósav | Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2. | Ca + 2 HCl → CaCl2 + H2. |
| Lángfestés | Szokásos iskolai próbában nincs jellegzetes szín. | Téglavörös; Sr vörös, Ba zöldes. |
Magnézium folyékony vízzel és vízgőzzel
Ábra szöveges leírása
| Körülmény | Reakció |
|---|---|
| Hideg víz | Mg + 2 H2O → Mg(OH)2 + H2; nagyon lassú |
| Meleg folyékony víz | Mg + 2 H2O → Mg(OH)2 + H2 |
| Vízgőz, izzó fém | Mg + H2O(g) → MgO + H2 |
Az egyenlethez a körülmény is hozzátartozik
| Folyamat | Egyenlet és értelmezés |
|---|---|
| Klórral | Mg + Cl2 → MgCl2; Ca + Cl2 → CaCl2. A fém oxidációs száma 0-ról +2-re nő, a klóré 0-ról −1-re csökken. |
| Meleg folyékony vízzel | Mg + 2 H2O(l) → Mg(OH)2 + H2. A rosszul oldódó hidroxid és a felületi réteg miatt a jelenség eltér a Na vízreakciójától. |
| Izzó Mg vízgőzzel | Mg + H2O(g) → MgO + H2. A termék kezdetben oxid; később folyékony vízzel hidroxiddá alakulhat. |
| Kalcium hideg vízzel | Ca + 2 H2O(l) → Ca(OH)2 + H2. Gázfejlődés és lúgos kémhatás; a kevéssé oldódó hidroxid szuszpenziót is adhat. |
Videó: az oxid és a hidroxid nem felcserélhető
RSC: The reaction of magnesium with steam. Az izzó Mg a gőzzel reagálva tovább világít; hidrogén fejlődik, és fehér MgO képződik. A megfigyelésnél különítsd el az Mg reakcióját, a fejlődő H2 égését és az oxid későbbi vízreakcióját. A hideg vízben lassan végbemenő átalakulásból nem következik, hogy a magnézium vízzel egyáltalán nem reagál.
Fontos vegyületek névvel és képlettel
| Anyag | Képlet | Sajátság |
|---|---|---|
| Mészkő, márvány; vízkő fő összetevője | CaCO3 | Vízben rosszul oldódik, savval CO2-t fejleszt. |
| Égetett mész | CaO | Vízzel erősen exoterm reakció. |
| Oltott mész | Ca(OH)2 | Kevéssé oldódó bázis; oldata mészvíz, szuszpenziója mésztej. |
| Gipsz | CaSO4·2 H2O | Kristályvizes szulfát; égetett gipsz: CaSO4·0,5 H2O. |
| Dolomit | CaMg(CO3)2 | Kalcium- és magnéziumtartalmú karbonátásvány. |
| Keserűsó | MgSO4·7 H2O | A köznapi név a heptahidráté; vízmentes só: MgSO4. |
Mész és magnézium-oxid: szerkezet és tulajdonság
| Anyag | Szerkezet, oldhatóság | Reakció / alkalmazás |
|---|---|---|
| CaO | Fehér szilárd ionvegyület; Ca2+, O2−. Vízzel kémiailag átalakul. | CaO + H2O → Ca(OH)2, erősen exoterm mészoltás. CaO + 2 HCl → CaCl2 + H2O. |
| MgO | Fehér szilárd ionvegyület; magas olvadáspontú. Vízzel lassabban alakul hidroxiddá. | Hőálló anyagokhoz használható. MgO + 2 HCl → MgCl2 + H2O. |
| Ca(OH)2 | Fehér, kevéssé vízoldható ionvegyület; az oldott rész lúgos kémhatást okoz. | Ca(OH)2 + 2 HCl → CaCl2 + 2 H2O. A rossz oldhatóság nem jelenti, hogy oldata semleges. |
Mészégetés és mészoltás
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + H2O → Ca(OH)2
Az első folyamat hevítést igényel és endoterm, a második exoterm. A karbonát kémiai bomlása, az oxid vízreakciója és a hidroxid fizikai oldódása három eltérő folyamat.
Oldás és kiválás: ugyanaz a karbonátrendszer
A mészkő és a márvány karbonátos kőzet, tisztaságuk változhat; a dolomit CaMg(CO3)2 összetételű ásvány. Tiszta CaCO3 és MgCO3 fehér, vízben rosszul oldódó szilárd anyag. Savval például CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O, illetve MgCO3 + 2 HCl → MgCl2 + CO2 + H2O. A vízkőoldásban sav–bázis folyamatot, nem a kalcium redukcióját figyeljük meg.
CO2-tartalmú vízben: CaCO3 + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−. Ez segít a karsztosodás magyarázatában. CO2-vesztés vagy megfelelő melegítés az ellenkező irányt, a CaCO3 kiválását segítheti. A széncsoport jegyzetének mészvizes ábrája a kezdeti zavarosodást és a CO2-felesleg miatti újbóli kitisztulást is mutatja.
A kemény vízben nem szilárd vízdarabok vannak
A keménységet oldott Ca2+ és Mg2+ okozza. A hidrogén-karbonátokhoz kapcsolódó rész a változó keménység, amely forralással csökkenthető. A többi oldott kalcium- és magnéziumsóhoz kapcsolódó állandó keménység forralástól nem szűnik meg. Összkeménységük a két rész összege.
Melegítéskor vízkő válhat ki. A Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O írás az oldat ionjainak összegzett jelölése, nem oldatban úszó Ca(HCO3)2-molekulákat jelent.
Szappan habzása különböző sóoldatokban
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| NaCl | Szappan mellett könnyebben habzik. |
| CaCl2 | Kalciumszappan válhat ki; több szappan fogy. |
| MgCl2 | Magnéziumszappan válhat ki; több szappan fogy. |
Keménység, sótartalom és pH: külön mérhető tulajdonságok
Az iskolai vízkeménységet elsősorban az oldott Ca2+ és Mg2+ mennyiségével jellemezzük. A NaCl növeli a víz sótartalmát, de nem teszi ebben az értelemben keménnyé. A kémhatást sem mondjuk meg pusztán a keménységből. A szappan kemény vízben rosszul oldódó kalcium- és magnéziumsókat képezhet, ezért több szappan fogy, mielőtt tartós hab kialakul. USGS: vízkeménység és szappan.
A rajzban ugyanaz az anion szerepel a NaCl-, CaCl2- és MgCl2-mintában: így a kation változásának szerepét vizsgáljuk. Az összehasonlításhoz az oldattérfogat, a szappanadag, a hőmérséklet és a rázás azonos. A habmagasság csak megfelelően szabályozott eljárásban lehet mennyiségi mérés alapja. RSC: sóoldatok összehasonlítása szappannal.
Vízlágyítási lehetőségek összehasonlítása
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Forralás | A változó keménység csökkenhet; az állandó rész megmarad. |
| Csapadékképzés | A kivált anyagot az oldattól el kell választani. |
| Nátriumos ioncsere | Keménységet okozó kationok helyett Na+; nem teljes sótalanítás. |
Karbonátos lágyítás
Ca2+(aq) + CO32−(aq) → CaCO3(s)
A csapadékot el kell választani. Foszfáttal: 3 Ca2+ + 2 PO43− → Ca3(PO4)2.
Nátriumos kationcserélő töltésmérlege
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Előtt | Gyantán: két Na+; vízben: Ca2+ és két Cl−. |
| Után | Gyantán: Ca2+; vízben: két Na+ és két Cl−. |
| Következmény | A víz lágyul, de a sóionok nem tűnnek el mind. |
Kidolgozott példa: mennyit csapunk ki?
Feladat: 1,00 dm3 víz 2,00 mmol Ca2+-ot tartalmaz.
Elméletileg mennyi Na2CO3 kell a teljes kicsapáshoz?
A Ca2+:CO32− arány 1:1.
n(Na2CO3)=0,00200 mol.
M=106 gmol alapján m=0,212 g vízmentes szóda.
A valós oldatban az egyensúly, pH és más ionok is módosíthatják a szükséges adagolást.
A gipsz megkötése nem egyszerű kiszáradás
Mérsékelt hevítéssel a dihidrát részben elveszti kristályvizét. Égetett gipszhez vizet adva újra dihidrátkristályok képződnek, amelyek összekapaszkodva megszilárdítják az anyagot: CaSO4·0,5 H2O + 1,5 H2O → CaSO4·2 H2O. A megkötés kémiai és kristályosodási folyamat; a felesleges víz későbbi elpárolgása külön történik.
Felidéző gyakorlás
A nátriumos ioncserélő után a víz lágy. Mi következik ebből?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Kidolgozott példa: Három vízminta · 6 pont
Feladat: Az A minta Ca2+-ot és HCO3−-ot, B Ca2+-ot és Cl−-ot, C Na+-ot és Cl−-ot tartalmaz.
Melyik kemény?
Mit változtat rajtuk a forralás és a nátriumos ioncserélő?
A felsorolt ionok a minták összetételét jelzik, nem teljes mennyiségi elemzést.
A és B kemény, mert oldott Ca2+-ot tartalmaz (1–1 pont).
C NaCl-tartalmú, de ez nem okoz az iskolai értelemben vett vízkeménységet (1 pont).
A változó keménysége forralással CaCO3-kiválás révén csökkenhet (1 pont).
B állandó keménységét a forralás nem szünteti meg (1 pont).
A nátriumos gyanta A és B Ca2+-tartalmát is csökkentheti, két Na+-ot adva egy Ca2+ helyett;
a víz ettől még tartalmazhat ionokat (1 pont).
Összesen 6 pont;
önálló gyakorlófeladat.
Érettségi kapcsolódás: Mg, Ca és vízkeménység
Az OH 2.7.1 Mg és Ca szerkezetét, tulajdonságait és reakcióit az s-mező fémei között kéri. A vízkeménység és a lágyítás alapelve középszintű a 2.4.2.2-ben; az eljárások egyenletei emelt kiegészítések. A CaO, MgO és Ca(OH)2 alapvető szerkezeti és savreakciós ismerete középszint, a gipsz és keserűsó részletes tulajdonságai a 2.4.4.5 emelt részéhez tartoznak. A kalcium karbonátos körfolyamatát a széncsoport jegyzetével, az ionos és redoxifolyamatokat a reakciótípusokkal együtt értelmezd.
Források
Tankönyvi kapcsolódás
Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 150–153. nyomtatott oldal; 81. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.
A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.