2族元素はすべて最外殻電子2個をもつアルカリ土類金属です。
カルシウムCaの化合物は身のまわりに広く存在し、CaO・Ca(OH)₂・CaCO₃・CaSO₄の変換関係が入試の核心。
「石灰石 → 生石灰 → 消石灰」の一本道を、反応式と用途を紐づけながら理解しましょう。
2族元素はすべて金属元素で、アルカリ土類金属とよばれます（ただし歴史的な分類ではBeとMgを除く場合もあります）。原子は価電子を2個もち、2価の陽イオン（Be²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺など）になりやすい傾向は原子番号が大きいほど強くなります。
| 元素 | 融点（℃） | 密度（g/cm³） | 水との反応性 | 炎色反応 |
|---|---|---|---|---|
| Be（ベリリウム） | 1282 | 1.85 | 反応しない | 示さない |
| Mg（マグネシウム） | 649 | 1.74 | 熱水と反応 | 示さない |
| Ca（カルシウム） | 839 | 1.65 | 常温の水と激しく反応 | 橙赤色 |
| Sr（ストロンチウム） | 769 | 2.54 | 常温の水と激しく反応 | 赤（紅）色 |
| Ba（バリウム） | 729 | 3.59 | 常温の水と激しく反応 | 黄緑色 |
銀白色の軽くてやわらかい金属。常温の水と激しく反応して水素を発生します。
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
銀白色の軽くてやわらかい金属。空気中で強熱すると明るい白色の光を発して燃焼します。
2Mg + O₂ → 2MgO
水酸化物（Mg(OH)₂は難溶、Ca(OH)₂は少し溶ける、Sr(OH)₂・Ba(OH)₂はよく溶ける）、炭酸塩（すべて難溶）、硫酸塩（MgSO₄はよく溶ける、CaSO₄は少し溶ける、SrSO₄・BaSO₄は難溶）は入試頻出です。特にBaSO₄は白色沈殿として硫酸イオンの検出に使われます。
生石灰ともよばれる白色の固体。石灰石（CaCO₃）を強熱する（熱分解する）ことで得られます。
CaCO₃ → CaO + CO₂↑（強熱）
CaOは水と反応して激しく発熱し、水酸化カルシウムを生じます。この発熱反応を利用して発熱剤（加熱型弁当、カイロ）や乾燥剤に用いられます。
CaO + H₂O → Ca(OH)₂ （発熱）
消石灰ともよばれる白色の粉末。水に少し溶けて強い塩基性を示します（ただしMg(OH)₂より溶けやすい）。
Ca(OH)₂の飽和水溶液を石灰水といい、二酸化炭素を通じると炭酸カルシウムCaCO₃の白色沈殿が生じるため、CO₂の検出に利用されます。
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O …①（白濁）
CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ …②（さらにCO₂を通じると再溶解）
Ca(OH)₂は漆喰（しっくい）や酸性土壌の改良剤にも用いられます。漆喰に含まれるCa(OH)₂が空気中のCO₂と反応してCaCO₃になることで固まります（①式の反応）。
石灰石・大理石・貝殻の主成分として天然に広く存在します。塩酸を加えるとCO₂が発生します（弱酸遊離）。
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
セメント・ガラスの原料、歯みがき粉、チョーク、顔料などに幅広く利用されます。
天然にはセッコウ（硫酸カルシウム二水和物、CaSO₄·2H₂O）として産出します。これを約140℃に加熱すると焼きセッコウ（CaSO₄·½H₂O）になります。
CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·½H₂O + 3/2 H₂O（約140℃）
焼きセッコウを水で練ると発熱しながら膨張し、再びセッコウになって固まります。この性質を利用して医療用ギプス・建築材料・彫刻型などに用いられます。
CaCO₃（石灰石）→強熱→ CaO（生石灰）→水を加える→ Ca(OH)₂（消石灰）→CO₂を通じる→ CaCO₃（石灰石に戻る）
この循環を逆にたどれるかが入試の鍵。各矢印に反応式と用途を対応させて覚えておきましょう。
セメントはおもに石灰石CaCO₃・粘土・ケイ砂SiO₂を原料として製造されます。これらを混合して高温（約1450℃）で焼成すると、ケイ酸カルシウム（3CaO·SiO₂）や アルミン酸カルシウム（3CaO·Al₂O₃）などの複合酸化物が生成します。
セメントに水を加えると水和反応が起こり、徐々に硬化します（「水和熱」と呼ばれる発熱を伴う）。これがコンクリートの固化のしくみです。ソーダ石灰ガラスの原料（ケイ砂＋炭酸ナトリウム＋石灰石）とは異なる用途で石灰石が使われていることに注意しましょう。
アルカリ土類金属の知識は、自然現象・工業・医療と幅広くつながっています。
Q1. 石灰水にCO₂を大量に通じると白濁が消える理由を、化学反応式を示して説明せよ。
Q2. CaO（生石灰）の製法と、水との反応を化学反応式で示せ。
Q3. アルカリ土類金属のうち、常温の水と反応しないものをすべて挙げよ。
Q4. 焼きセッコウに水を加えると固まる理由を述べよ。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
カルシウムの化合物に関する記述として誤っているものを、次の①〜⑤から1つ選べ。
④
④が誤り。石灰水に少量のCO₂を通じるとCaCO₃の白色沈殿が生じるが、さらに過剰にCO₂を通じるとCaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ の反応が起こり、水溶性のCa(HCO₃)₂が生成して白濁が消えて透明に戻ります。
次の文章を読み、各問に答えよ。原子量：Ca=40、C=12、O=16、H=1。
石灰岩（主成分CaCO₃）に塩酸を加えると気体が発生する。また、石灰岩地帯ではCO₂を含む雨水が石灰岩を溶かして鍾乳洞が形成される。
(1) 石灰岩に塩酸を加えたときの反応を化学反応式で示せ。
(2) 鍾乳洞が形成されるしくみを、関係する化学反応式を示して説明せよ。
(3) CaCO₃ 50.0 gから生成するCaOの質量（g）を求めよ。
(1) CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
(2) CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂。CO₂を含む雨水が地下に浸透すると、石灰岩（CaCO₃）が水溶性のCa(HCO₃)₂に変化して溶け出し、地下に空洞（鍾乳洞）が形成される。
(3) 28.0 g
(3) CaCO₃のモル質量100 g/mol、CaOのモル質量56 g/mol。CaCO₃ 50.0 g = 0.500 mol → CaO 0.500 mol = 56×0.500 = 28.0 g。
アルカリ土類金属の硫酸塩の溶解性は Be・Mg では大きく、Ca では小さく、Sr・Ba ではほぼ溶けない。一方、水酸化物の溶解性は逆に、Be・Mg では小さく、Ca では少し溶け、Ba ではよく溶ける傾向がある。この規則性を利用して、以下の問いに答えよ。
(1) 硫酸バリウムBaSO₄が水に難溶であることを利用した実験操作を1つ述べよ。
(2) BaCl₂水溶液とNa₂SO₄水溶液を混合したときの変化を化学反応式で示せ。
(3) Ba²⁺イオンを含む溶液が人体にとって有害であるにもかかわらず、BaSO₄が消化管X線検査の造影剤として使われる理由を説明せよ。
(1) 硫酸イオンSO₄²⁻の検出（BaSO₄の白色沈殿生成の確認）
(2) BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl
(3) BaSO₄は水に極めて難溶であるため、消化管内でもほとんど溶解せず、Ba²⁺として体内に吸収されない。X線を吸収する性質によって消化管の輪郭を鮮明に描き出せる一方、体内への吸収がないため毒性を示さない。
(3) 「溶解度積が非常に小さい → Ba²⁺として溶出しない → 消化管に留まる」という論理構造を書くと満点。X線吸収能（重い元素Baの特性）と毒性の無さの両方に触れることが重要です。