Propietats químiques dels elements alcalinoterris
Els elements alcalinoterris són un grup d'elements de la taula periòdica que es troben al grup IIA (grup 2), és a dir, beril·li (Be), magnesi (Mg), calci (Ca), estronci (Sr), bari (Ba) i radi (Ra). Aquest grup s'anomena "alcalinoterrós" perquè els seus òxids són bàsics (alcalins) i en els primers temps de la química es trobaven sovint en minerals "terrosos" (roques). Des d'una perspectiva química, se sap que els elements alcalinoterrosos tenen dos electrons de valència, de manera que tendeixen a formar ions amb una càrrega de +2. Aquesta propietat és fonamental per a la reactivitat, els tipus d'enllaços i els patrons de reacció característics d'aquesta família d'elements.
1. Configuració electrònica i nombres d'oxidació
En general, els elements alcalinoterris tenen una configuració electrònica externa de ns². Això significa que tenen dos electrons de valència a la seva capa més externa. Com que són més estables quan aconsegueixen una configuració de gas noble, aquests elements tendeixen a perdre dos electrons quan reaccionen, formant el catió M²⁺. Per tant, el nombre d'oxidació més comú i estable per als elements alcalinoterris és +2.
La tendència a formar ions +2 fa que els compostos alcalinoterris sovint siguin iònics, especialment per a elements més pesants com el Ca, el Sr i el Ba. Tanmateix, els elements més petits com el Be tenen propietats una mica diferents; els seus compostos tendeixen a ser més covalents a causa de la seva alta polaritzabilitat.
2. Energia d'ionització i reactivitat
La reactivitat dels elements alcalinoterris augmenta de dalt a baix del grup. Això està relacionat amb l'augment del radi atòmic i la disminució de l'energia d'ionització. A mesura que baixes, els electrons de valència estan més lluny del nucli i s'eliminen més fàcilment, de manera que l'element es torna més reactiu.
L'ordre general de les tendències de reactivitat és:
Be < Mg < Ca < Sr < Ba < Ra
Tanmateix, val la pena assenyalar que el beril·li és únic i molt menys reactiu que els altres membres. El beril·li ni tan sols reacciona ràpidament amb l'aigua en condicions normals perquè forma una fina capa d'òxid que protegeix la seva superfície.
3. Reacció amb l'aigua
Una de les propietats químiques destacades dels metalls alcalinoterris és la seva capacitat de reaccionar amb l'aigua, tot i que no tan ràpidament com els metalls alcalins (grup 1).
– Be: pràcticament no reacciona amb l'aigua a causa de la capa estable de BeO.
– Mg: reacciona molt lentament amb aigua freda, però reacciona més ràpidament amb aigua calenta o vapor.
– Ca, Sr, Ba: reaccionen amb aigua freda per produir hidròxids i hidrogen gasós.
Exemple de reacció:
– Per al calci:
Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)
– Per al magnesi amb vapor d'aigua:
Mg(s) + H₂O(g) → MgO(s) + H₂(g)
Aquesta reacció demostra que els metalls alcalinoterris són agents reductors força forts, ja que poden reduir l'aigua a gas hidrogen.
4. Reacció amb oxigen i formació d'òxid
Els metalls alcalinoterris generalment reaccionen amb l'oxigen per formar òxids. Els productes primaris solen ser òxids simples (MO). Tanmateix, els elements més pesants també poden formar peròxids.
– Mg + O₂ → MgO
– 2Ca + O₂ → 2CaO (principal)
– El Ba tendeix a formar BaO₂ (peròxid) en determinades condicions:
Ba + O₂ → BaO₂
La basicitat dels òxids augmenta de dalt a baix. El BeO és amfòter (pot ser tant àcid com bàsic ), el MgO és feblement bàsic, mentre que el CaO, el SrO i el BaO són fortament bàsics i reaccionen amb l'aigua per formar hidròxids.
5. Formació d'hidròxids i propietats bàsiques
Els hidròxids alcalinoterrosos tenen la fórmula general M(OH)₂. La força bàsica i la solubilitat dels hidròxids augmenten a mesura que avancem pel grup:
– Be(OH)₂: amfòter, difícilment soluble.
– Mg(OH)₂: base feble, baixa solubilitat (coneguda com a "llet de magnèsia" per a antiàcids).
– Ca(OH)₂: relativament soluble, conegut com a calç apagada.
– Sr(OH)₂ i Ba(OH)₂: bases més solubles i fortes.
Aquest augment de la solubilitat està influenciat per una disminució de l'energia de xarxa i un canvi en l'energia d'hidratació. En general, per als hidròxids del grup 2, la solubilitat augmenta cap avall perquè l'energia de xarxa disminueix més significativament que l'energia d'hidratació.
6. Reaccions amb halògens i formació d'halurs
Els metalls alcalinoterris reaccionen amb els halògens (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) per formar halurs iònics amb la fórmula MX₂.
Exemple:
– Mg + Cl₂ → MgCl₂
– Ca + Br₂ → CaBr₂
Els halurs alcalinoterris són generalment iònics i tenen punts de fusió elevats. Tanmateix, hi ha excepcions importants: el BeCl₂ és més covalent i pot formar estructures polimèriques. A més, la solubilitat dels halurs varia; per exemple, el CaF₂ és poc soluble a causa de la seva alta energia de xarxa.
7. Reaccions amb àcids i propietats com a agents reductors
Els metalls alcalinoterris generalment reaccionen amb els àcids per produir sals i hidrogen gasós, cosa que demostra el seu paper com a agents reductors.
Exemple:
– Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)
– Ca(s) + H₂SO₄(aq) → CaSO₄(s) + H₂(g)
La reacció del calci amb l'àcid sulfúric es pot alentir mitjançant la formació d'una capa de CaSO₄, que és una mica insoluble. En general, com més baix es baixa en el grup, més ràpida és la reacció amb l'àcid perquè el metall s'oxida més fàcilment.
8. Formació de sals de carbonat, sulfat i nitrat
Les sals alcalinoterrioses tenen un patró de solubilitat característic:
a) Carbonat (MCO₃)
Els carbonats alcalinoterris són generalment poc solubles en aigua, especialment el CaCO₃, el SrCO₃ i el BaCO₃. El MgCO₃ també és relativament poc soluble. El CaCO₃ és molt comú en forma de pedra calcària, marbre i calcita.
Aquest carbonat es descompon quan s'escalfa:
– CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)
b) Sulfat (MSO₄)
La solubilitat del sulfat disminueix de dalt a baix:
– El MgSO₄ és ben soluble,
– El CaSO₄ és una mica soluble,
– El BaSO₄ és molt poc soluble (sovint s'utilitza en procediments de raigs X com a mitjà de contrast perquè és segur i insoluble).
c) Nitrat (M(NO₃)₂)
Els nitrats alcalinoterris són generalment solubles en aigua. Quan s'escalfen, aquests nitrats tendeixen a descompondre's en òxids, diòxid de nitrogen i oxigen:
– 2Ca(NO₃)₂ → 2CaO + 4NO₂ + O₂
9. Complexos i propietats amfòteres del beril·li
El beril·li és el membre més desviant. A causa de la seva petita mida i la seva alta càrrega +2, el Be²⁺ té una alta polaritzabilitat, cosa que fa que els seus compostos siguin més covalents. El Be(OH)₂ i el BeO són amfòters, ja que reaccionen tant amb àcids com amb bases:
– Amb àcid:
Be(OH)₂ + 2HCl → BeCl₂ + 2H₂O
– Amb bases fortes (forma complexos de berilat):
Be(OH)₂ + 2OH⁻ → [Be(OH)₄]²⁻
Aquestes propietats complexes indiquen que la química del beril·li és més similar a certs elements no metàl·lics que a altres metalls alcalinoterris.
10. Kesimpulan
Les propietats químiques dels elements alcalinoterris estan fortament influenciades per la seva configuració electrònica ns², que els estabilitza com a ions M²⁺. La reactivitat augmenta de Be a Ba a mesura que disminueix l'energia d'ionització. Reaccionen amb l'aigua, els àcids, els halògens i l'oxigen en patrons característics: formant òxids, hidròxids i sals iòniques. A més, els canvis de solubilitat de compostos com els hidròxids, els carbonats i els sulfats presenten importants tendències periòdiques en l'anàlisi química. Entre ells, el beril·li és únic amb les seves propietats amfòteres i fortes tendències covalents. Comprendre les propietats químiques dels elements alcalinoterris no només és important en la teoria periòdica, sinó també en aplicacions industrials, ambientals i quotidianes, per exemple, en la calç (CaO/Ca(OH)₂), els minerals carbonatats, els antiàcids Mg(OH)₂ i fins i tot el BaSO₄ en medicina.
