Хемиски својства на алкалните земјени елементи
Земноалкалните елементи се група елементи во периодниот систем кои се во групата IIA (група 2), имено берилиум (Be), магнезиум (Mg), калциум (Ca), стронциум (Sr), бариум (Ba) и радиум (Ra). Оваа група се нарекува „земноалкална“ бидејќи нивните оксиди се базни (алкални) и во раните денови на хемијата често се наоѓале во „земјени“ минерали (карпи). Од хемиска перспектива, познато е дека земноалкалните елементи имаат два валентни електрони, па затоа имаат тенденција да формираат јони со полнеж од +2. Ова својство е централно за реактивноста, видовите врски и карактеристичните реакциски обрасци во ова семејство на елементи.
1. Електронска конфигурација и оксидациски броеви
Општо земено, земноалкалните елементи имаат надворешна електронска конфигурација од ns². Ова значи дека тие имаат два валентни електрони во нивната најнадворешна обвивка. Бидејќи се постабилни кога ќе постигнат конфигурација на благороден гас, овие елементи имаат тенденција да изгубат два електрони кога реагираат, формирајќи го катјонот M²⁺. Затоа, најчестиот и најстабилен оксидациски број за земноалкалните елементи е +2.
Тенденцијата за формирање на +2 јони ги прави земноалкалните соединенија често јонски, особено за потешките елементи како што се Ca, Sr и Ba. Сепак, помалите елементи како што е Be имаат донекаде различни својства; нивните соединенија имаат тенденција да бидат поковалентни поради нивната висока поларизација.
2. Енергија на јонизација и реактивност
Реактивноста на земноалкалните елементи се зголемува од врвот кон дното на групата. Ова е поврзано со зголемување на атомскиот радиус и намалување на енергијата на јонизација. Како што се спуштате надолу, валентните електрони се подалеку од јадрото и полесно се отстрануваат, па затоа елементот станува пореактивен.
Општиот редослед на тенденциите на реактивност е:
Be < Mg < Ca < Sr < Ba < Ra
Сепак, вреди да се напомене дека берилиумот е уникатен и многу помалку реактивен од другите членови. Берилиумот дури и не реагира брзо со вода под нормални услови бидејќи формира тенок оксиден слој што ја штити неговата површина.
3. Реакција со вода
Едно од истакнатите хемиски својства на земноалкалните метали е нивната способност да реагираат со вода, иако не толку брзо како алкалните метали (група 1).
– Be: практично не реагира со вода поради стабилниот слој BeO.
– Mg: реагира многу бавно со ладна вода, но реагира побрзо со топла вода или пареа.
– Ca, Sr, Ba: реагираат со ладна вода за да создадат хидроксиди и водороден гас.
Пример за реакција:
– За калциум:
Ca(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + H2(g)
– За магнезиум со водена пареа:
Mg(s) + H₂O(g) → MgO(s) + H₂(g)
Оваа реакција покажува дека земноалкалните метали се доста силни редукциони агенси, бидејќи можат да ја редуцираат водата до водороден гас.
4. Реакција со кислород и формирање на оксид
Земноалкалните метали генерално реагираат со кислород и формираат оксиди. Примарните производи се обично едноставни оксиди (MO). Сепак, потешките елементи можат да формираат и пероксиди.
– Mg + O₂ → MgO
– 2Ca + O₂ → 2CaO (главно)
– Ba има тенденција да формира BaO₂ (пероксид) под одредени услови:
Ba + O₂ → BaO₂
Базноста на оксидите се зголемува од горе надолу. BeO е амфотерен (може да биде и кисел и базен ), MgO е слабо базен, додека CaO, SrO и BaO се силно базни и реагираат со вода за да формираат хидроксиди.
5. Формирање на хидроксид и основни својства
Хидроксидите на алкални земји ја имаат општата формула M(OH)₂. Основната јачина и растворливоста на хидроксидите се зголемуваат надолу по групата:
– Be(OH)₂: амфотерна, тешко растворлива.
– Mg(OH)₂: слаба база, ниска растворливост (познато како „магнезиско млеко“ за антациди).
– Ca(OH)₂: донекаде растворлив, познат како гасена вар.
– Sr(OH)₂ и Ba(OH)₂: порастворливи и посилни бази.
Ова зголемување на растворливоста е под влијание на намалувањето на енергијата на решетката и промената на енергијата на хидратација. Генерално, за хидроксидите од група 2, растворливоста се зголемува надолу бидејќи енергијата на решетката се намалува позначајно отколку што се намалува енергијата на хидратација.
6. Реакции со халогени и формирање на халиди
Земноалкалните метали реагираат со халогени (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) за да формираат јонски халиди со формулата MX₂.
Контох:
– Mg + Cl₂ → MgCl₂
– Ca + Br₂ → CaBr₂
Земноалкалните халогениди се генерално јонски и имаат високи точки на топење. Сепак, постојат важни исклучоци: BeCl₂ е поковалентен и може да формира полимерни структури. Понатаму, растворливоста на халогените варира; на пример, CaF₂ е слабо растворлив поради неговата висока енергија на решетката.
7. Реакции со киселини и својства како редукциони агенси
Земноалкалните метали генерално реагираат со киселини за да произведат соли и водороден гас, покажувајќи ја нивната улога како редукциони агенси.
Контох:
– Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)
– Ca(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + H2(g)
Реакцијата на калциум со сулфурна киселина може да се забави со формирање на слој од CaSO₄, кој е донекаде нерастворлив. Општо земено, колку пониско се спуштате во групата, толку е побрза реакцијата со киселината бидејќи металот полесно се оксидира.
8. Формирање на карбонатни, сулфатни и нитратни соли
Земноалкалните соли имаат карактеристичен модел на растворливост:
а) Карбонат (MCO₃)
Карбонатите на алкалните земјини карбонати генерално се слабо растворливи во вода, особено CaCO₃, SrCO₃ и BaCO₃. MgCO₃ е исто така релативно слабо растворлив. CaCO₃ е многу чест како варовник, мермер и калцит.
Овој карбонат се распаѓа кога се загрева:
– CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
б) Сулфат (MSO₄)
Растворливоста на сулфатот се намалува од горе надолу:
– MgSO₄ е добро растворлив,
– CaSO₄ е донекаде растворлив,
– BaSO₄ е многу слабо растворлив (често се користи во рендгенски процедури како контрастно средство бидејќи е безбеден и нерастворлив).
в) Нитрат (M(NO₃)₂)
Земноалкалните нитрати генерално се растворливи во вода. Кога се загреваат, овие нитрати имаат тенденција да се распаѓаат во оксиди, азот диоксид и кислород:
– 2Ca(NO3)2 → 2CaO + 4NO2 + O2
9. Комплекси и амфотерни својства на берилиум
Берилиумот е најотстапувачкиот член. Поради својата мала големина и високиот полнеж +2, Be²⁺ има висока поларизација, што ги прави неговите соединенија поковалентни. Be(OH)₂ и BeO се амфотерни, реагирајќи и со киселини и со бази:
– Со киселина:
Be(OH)₂ + 2HCl → BeCl₂ + 2H₂O
– Со силни бази (формира берилатни комплекси):
Be(OH)₂ + 2OH⁻ → [Be(OH)₄]²⁻
Овие сложени својства укажуваат дека хемијата на берилиумот е послична на одредени неметални елементи отколку на други земноалкални метали.
10. Кесимпулан
Хемиските својства на земноалкалните елементи се силно под влијание на нивната ns² електронска конфигурација, што ги стабилизира како M²⁺ јони. Реактивноста се зголемува од Be во Ba како што се намалува енергијата на јонизација. Тие реагираат со вода, киселини, халогени и кислород во карактеристични обрасци: формирајќи оксиди, хидроксиди и јонски соли. Понатаму, промените во растворливоста на соединенијата како што се хидроксидите, карбонатите и сулфатите покажуваат важни периодични трендови во хемиската анализа. Меѓу нив, берилиумот е уникатен со своите амфотерни својства и силни ковалентни тенденции. Разбирањето на хемиските својства на земноалкалните елементи не е важно само во периодичната теорија, туку и во индустриските, еколошките и секојдневните апликации - на пример, во вар (CaO/Ca(OH)₂), карбонатни минерали, Mg(OH)₂ антациди, па дури и BaSO₄ во медицината.
