1.5. Легкие металлы

К легким металлам относятся в основном следующие ме­таллы: бериллий, магний, алюминий, титан.

1.5.1. Бериллий и магний

Эти металлы относятся к s-металлам II группы периоди­ческой системы. Общая электронная формула валентных элек­тронов этих элементов ns². В нормальном состоянии окисли­тельное число этих элементов равно нулю. Из s - состояния один электрон может промотировать в р- состояние, и валент­ность повышается до двух. Так как в возбужденном состоянии оба электрона относятся к разному типу, то происходит гибри­дизация электронных облаков: sp → q². В гибридном состоя­нии оба электронных облака равноценны и связи с однова­лентными атомами направлены под углом 180°. Атом бериллия отличается от атома магния тем, что у него на предпоследнем уровне лишь два электрона, тогда как у магния восемь. От бе­риллия к магнию возрастает радиус атома, а следовательно, усиливаются металлические свойства.

Бериллий -металл серо-стального цвета, твердый и хруп­кий. Магний - белый металл; его матовость объясняется обра­зованием на воздухе оксидной пленки Он мягче и пластичнее бериллия.

Металлы	Бериллий	Магний
Плотность, г/см^3	1,85	1,74
t°пл. С ^L ПЛ. ^	1284	651
t°кип. С ^А КИП.'-'	2970	1107
Радиус атома, нм	0,113	0,160
Твердость, Мп/м^г	600	260
φ°,В	-1,7	-2,36

Химические свойства. В химических реакциях для бе­риллия и магния характерна реакция образования ионной связи с потерей двух электронов.

Взаимодействие с элементарными окислителями.

Гидриды бериллия и магния, в отличие от щелочноземельных металлов II группы, получают косвенным путем. Например, бериллий с водородом образует неустойчивые гидриды путем обменных реакций:

ВеС1₂ + 2LiH = ВеН₂ + 2LiCl

Галиды магния образуются при непосредственном соеди­нении (металлы горят в галогенах), а также в реакциях вытес­нения. Например, титан вытесняется из тетрахлорида титана (неполярная жидкость) металлическим магнием

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

Хлорид магния MgCl₂ применяется для приготовления цемента Сореля. При внесении в концентрированный раствор MgCl₂ (5 ч.) прокаленной MgO (10 ч.) раствор твердеет и очень быстро превращается в камень. Если раствором пропи­тать древесные опилки и ввести MgO, то получается ксилолит

• материал для полов и других строительных целей. Затверде­вание идет за счет гидролиза и образования основных солей MgOCl₂, нерастворимых в воде.

Оксиды металлов образуются непосредственно с выделе­нием большого количества тепла. Оксиды очень устойчивые вещества, обладающие высокими температурами плавления: ВеО - 2530° С, MgO - 2800° С. При горении магния выделяется много света, богатого УФ-лучами, что используется в магние­вой вспышке.

Оксид бериллия амфотерен и может образовать берилла- ты как при взаимодействии оксидов при нагревании, так и в водных средах. Поскольку ВеО с водой не взаимодействует, то его гидроксид можно получить только обменными реакциями:

ВеО + Na₂O = Na₂BeO₂ (сплавление)

ВеС1₂ + 2NaOH = Ве(ОН)₂↓ + 2NaCl

Ве(ОН)₂ + 2NaOH = Na₂BeO₂ + 2Н₂O

Гидроксид бериллия в водной среде обычно образует комплексные бериллаты, которые при нагревании переходят в обычные соли:

Ве(ОН)₂ + 2NaOH = Na₂[Be(OH)₄]

Na₂[Be(OH)₄] = Na₂BeO₂ + 2H₂O

Оксид магния очень трудно растворим в воде, но дает все же щелочную реакцию (лакмус, фенолфталеин). Обычно полу­чается диссоциацией карбонатов при высоких температурах:

MgCO₃ = MgO + CO₂

Гидроксид магния обладает только основными свойства­ми.

Сульфиды бериллия и магния можно получить различ­ными способами. Они представляют собой устойчивые соеди­нения - соли, довольно хорошо растворимые в воде.

Нитриды получают путем непосредственного взаимо­действия с азотом. Они разлагаются водой и слабыми кислота­ми:

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

Mg₃N₂ + 6НС1 = 3MgCl₂ + 2NH₄C1

Карбиды получают непосредственным взаимодействием металлов с углеродом или углеродосодержащими веществами:

2Mg + С = Mg₂C

Mg₂C + 2Н₂O = 2MgO + СН₄

Отношение бериллия и магния к кислотам и щело­чам. По химическим свойствам бериллий во многом сходен с алюминием (диагональное сходство в периодической системе) и является типичным амфотерным элементом. Защитная ок­сидная пленка препятствует взаимодействию бериллия с во­дой, но подобно алюминию, Be взаимодействует с водой в присутствии кислот и щелочей, растворяющих оксид берил­лия:

Be + 4H₂O + 2H⁺ = [Be(H₂O)₄]²⁺ + H₂

Be + 2H₂O + 2OH^- = [Be(OH)₄]^2- + H₂

В концентрированных холодных H₂SO₄ и HNO₃ бериллий так же, как и алюминий, пассивируется.

Магний активно вытесняет водород из растворов неокис­ляющих кислот:

Mg + 2Н⁺= Mg²⁺ + Н₂

С окисляющими кислотами магний реагирует, восстанав­ливая их до низших степеней окисления:

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S↑ + 4Н₂О

4Mg + 10HNO₃ = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Применение бериллия и магния. Наибольшее значение имеют сплавы на основе бериллия и магния. Это легкие метал­лы, но значительно улучшают качество сплавов. Бериллий со­общает сплавам твердость, прочность, коррозионную стой­кость, увеличивает тепло- и электропроводность. Наиболее важные сплавы - бериллиевые бронзы, содержащие до 2,5% Be, сплавы с никелем (до 4% Be) - по свойствам сравнимы с высококачественными нержавеющими сталями. Кроме того, бериллий применяют в ядерных реакторах в качестве замедли­теля.

Магниевые сплавы благодаря прочности и малой плотно­сти применяются в качестве конструкционных материалов в авиа-, автостроении, ракетной технике и других областях. Они менее коррозионностойки. Для защиты их оксидируют и по­крывают лаками.