Metale alcalino-pământoase

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Fragment cristalin de beriliu, puritate> 99%.
Fragment de magneziu cristalizat.
Calciul conservat într-o atmosferă inertă.
Cristale de stronțiu, 99,95% pure, depozitate într-o atmosferă inertă.
Bariu depozitat într-o atmosferă inertă.
Fragment de radio, dimensiuni 1,5 x 3 mm.

Metalele alcalino-pământoase sunt beriliu (Be), magneziu (Mg), calciu (Ca), stronțiu (Sr), bariu (Ba) și radiu (Ra). Aceste elemente chimice alcătuiesc grupa 2 din blocul s al tabelului periodic . În nomenclatura anterioară, acest grup a fost numit IIA . Toate sunt metale destul de reactive, care pierd cu ușurință cei doi electroni la nivelul electronic extern, formând cationi M 2+ . În compușii lor, ei iau invariabil un număr de oxidare +2. [1]

Surse

Beriliul este neobișnuit pe scoarța terestră , fiind al patrulea și al șaptelea element prin abundență. Se obține în principal din mineralele beril (Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 )) și bertrandit (Be 4 Si 2 O 7 (OH) 2 ). Anual se produc mai puțin de 500 de tone de beriliu metalic. Magneziul, pe de altă parte, este foarte abundent pe scoarța terestră, unde este al șaptelea cel mai abundent element și este conținut în mai mult de 50 de minerale. Mineralul de cea mai mare importanță economică este magnezită (MgCO 3); aproximativ 24 de milioane de tone sunt procesate anual pentru a obține în principal oxid de magneziu (MgO). Producția anuală de magneziu metalic este de aproximativ 850.000 de tone pe an.

Calciul este chiar mai abundent decât magneziul, fiind al cincilea cel mai abundent element de pe scoarța terestră. Este conținut în multe minerale; cel mai important punct de vedere economic sunt calcit (CaCO3), dolomita (CaMg (CO 3) 2) și gips (CaSO 4 · 2H 2 O). Se produc doar 2000 de tone de calciu metalic pe an; principalul produs care conține calciu este varul , care este produs în cantități mai mari de 100 de milioane de tone pe an.

Stronțiul este al șaisprezecelea cel mai abundent element de pe scoarța terestră. Se obține în principal din minerale Celestine (SrSO 4) și stronzianite (SrCO 3); aproximativ 1 milion de tone sunt procesate pe an. Deși bariul este un element greu, este destul de abundent pe scoarța terestră, fiind al paisprezecelea element din abundență. Cele mai importante minerale sunt barită (BaSO 4) și witerit (Baco 3); peste opt milioane de tone sunt procesate anual. Radiul este unul dintre cele mai rare elemente de pe scoarța terestră, unde este prezent într-o formă foarte răspândită și este al optzeci și șaselea element pentru abundență. Radiul este fabricat din combustibili nucleari uzați, dar datorită radioactivității sale periculoase este din ce în ce mai puțin utilizat. [2]

Toxicitate și rol biologic

Beriliul nu are roluri biologice. Un corp uman conține aproximativ 35 mg , o cantitate care nu prezintă probleme de sănătate. Beriliul este foarte periculos sub formă de pulbere, deoarece provoacă inflamații ale plămânilor și otrăviri mai insidioase care apar chiar la ani după expunere ( berilioză ). Compușii beriliu sunt, de asemenea, toxici și pot fi letali.

Magneziul este esențial pentru aproape toate speciile vii; la plante este prezent în clorofilă . Un corp uman conține aprox 25 g de magneziu, conținut în principal în oase unde este important în scopuri structurale. De asemenea, este implicat într-o varietate de sarcini, inclusiv funcționarea a peste 300 de enzime , producerea de proteine și replicarea ADN-ului . Dieta normală acoperă nevoia organismului de magneziu. Cazurile de deficit de magneziu sunt rare, legate de malnutriție, boli sau alcoolism. Problemele asociate cu consumul excesiv de medicamente pe bază de magneziu sunt, de asemenea, rare.

Calciul este esențial pentru aproape toate speciile vii. Un corp uman conține aprox 1,2 kg de calciu, conținut în cea mai mare parte în oase ca hidroxiapatită Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH); restul îndeplinește diferite funcții metabolice, inclusiv reglarea activității membranelor celulare și controlul contracției musculare și a impulsurilor nervoase. O dietă normală conține cantitatea de calciu necesară organismului; Problemele de absorbție a calciului se datorează de obicei deficitului de vitamina D. Stronțiul nu are rol biologic, dar este destul de răspândit în mediu și în alimente și, datorită similitudinii sale cu calciu, ajunge în oase. Un corp uman conține aproximativ 320 mg . Stronțiul este în general netoxic și este utilizat și în unele medicamente; pe de altă parte, izotopul radioactiv stronțiul-90 , produs în experimente nucleare efectuate în atmosferă în secolul trecut și eliberat în cazul accidentelor nucleare precum cel din Cernobîl, este periculos.

Bariul are un rol biologic doar la unele alge unicelulare. Fiind împrăștiat în cantități mici în soluri, bariul intră în dieta noastră cu o rată de aproximativ 1 mg pe zi, o cantitate care nu este problematică. Un corp uman conține aprox 22 mg de bariu. Sărurile solubile de bariu sunt foarte toxice. Sulfatul de bariu, pe de altă parte, este atât de insolubil încât este inofensiv și este uneori folosit ca mediu de contrast în radiologie. Radiul este foarte periculos datorită radioactivității sale. Cu toate acestea, este prezent în mediu în cantități foarte mici, într-o formă larg răspândită și intră inevitabil în dieta noastră. Un corp uman conține aproximativ 30 pg . [2]

Aplicații

Beriliul este utilizat împreună cu cuprul și nichelul pentru a obține aliaje cu conductivitate electrică și termică ridicată, rezistență ridicată, duritate și elasticitate. Cu unele dintre aceste aliaje, sculele care nu scânteiește sunt obținute pentru utilizare în rafinării și în alte locuri unde pot fi prezente gaze inflamabile. Aliaje pe bază de beriliu sunt, de asemenea, utilizate în industria aerospațială și în acoperirea focoaselor nucleare. Beriliu metalic este utilizat pentru a face ferestre cu raze X , deoarece este un material foarte transparent pentru această radiație.

Magneziul este al treilea metal cel mai utilizat, după fier și aluminiu, datorită rezistenței și ușurinței sale. Este utilizat în principal în aliaje împreună cu aluminiu , zinc , mangan și alte metale la fabricarea corpurilor auto și aeronautice. O altă utilizare importantă este în fabricarea oțelului, pentru îndepărtarea sulfului . Datorită greutății sale reduse, este utilizat și în multe dispozitive portabile, cum ar fi camerele foto și computerele. Datorită caracteristicilor sale electrochimice, este utilizat ca anod de sacrificiu pentru a proteja fierul și oțelul de coroziune . Mulți compuși de magneziu sunt, de asemenea, importanți; de exemplu oxidul de magneziu (MgO) este utilizat în materiale refractare, iar hidroxidul de magneziu (Mg (OH) 2 ) în eliminarea reziduurilor acide.

Calciul metalic are utilizări limitate în special aliaje și în producția de zirconiu , toriu și alte lantanide . Din punct de vedere economic, compușii săi sunt mult mai importanți. Varul este utilizat în fabricarea oțelului, tratarea apei, industria chimică, construcții. Calciul este conținut și în alte materiale importante, cum ar fi gipsul și cimentul . Stronțiul metalic are o utilizare foarte limitată ca obturator în tuburile de vid și tuburile cu raze catodice . Azotatul de stronțiu (Sr (NO 3 ) 2 ) este esențial pentru obținerea culorii roșii în artificii . Radiația stronțiului-90 este utilizată pentru a produce electricitate în nave spațiale, stații meteorologice izolate și geamanduri oceanografice.

Bariul metalic are o utilizare foarte limitată ca obturator. Sulfatul de bariu (BaSO 4 ) este utilizat ca lubrifiant în forarea petrolului, în pigmentul alb de litoponă amestecat cu sulfură de zinc și în hârtiile fotografice cu barită. Azotatul de bariu și cloratul dau culoarea verde a artificiilor. Radiul este prea periculos pentru a fi folosit în aplicații care aparțin trecutului: a făcut să cadă strălucirea cadranelor ceasurilor și a altor instrumente, a fost folosit pentru a trata cancerul și a fost chiar considerat un medicament minune. [2]

Proprietățile elementelor [1] [3] [4]

Raze ale unor elemente și ale ionilor lor. Atomi neutri (gri), cationi (roșu) și anioni (albastru).
Energia primei, a doua și a treia ionizări a metalelor alcalino-pământoase.
Variații ale valorilor punctului de topire (K) în tabelul periodic.
Variații de electronegativitate în tabelul periodic.

Având în vedere poziția din tabelul periodic, elementele grupului 2 au atomi de dimensiuni mari, dar în mod natural mai mici decât elementele corespunzătoare din grupul 1 (figura), deoarece sarcina nucleară este mai mare. O comparație cu elementele grupului 1 arată, de asemenea, că în grupul 2 energia primei ionizări a crescut, deoarece dimensiunile sunt mai mici și sarcina nucleară este mai mare; acest efect este deosebit de marcat la trecerea de la litiu la beriliu. În grupul 2, a doua energie de ionizare, chiar dacă este aproximativ dublă în comparație cu prima, este încă suficient de scăzută pentru a fi compensată de energia rețelei . Elementele acestui grup sunt, prin urmare, prezente în compușii lor ca cationi M 2+ , adică cu număr de oxidare +2. Pe de altă parte, a treia energie de ionizare este atât de mare încât nu se formează niciodată ioni M 3+ (figura).

Elementele grupei 2 au toate un aspect metalic lucios tipic. Prin compararea proprietăților lor fizice cu cele ale elementelor din grupa 1, se observă valori mai mari ale punctului de topire (figura), punctului de fierbere, densității și entalpiilor de topire și vaporizare. Rețineți, în special, valorile pentru beriliu. Comparativ cu grupa 1, metalele din grupa 2 sunt, de asemenea, mai dure, dar sunt încă relativ moi. Toate aceste variații pot fi raționalizate luând în considerare atât dimensiunile atomice mai mici, cât și prezența a doi electroni care trebuie utilizați pentru legătura metalică , mai degrabă decât unul singur.

Valorile electronegativității elementelor grupului 2 sunt încă scăzute, dar mai mari decât cele ale elementelor grupului 1. Valoarea pentru beriliu este cu siguranță cea mai mare din grup, justificând chimia sa substanțial covalentă . Rețineți că beriliul are o valoare de electronegativitate foarte similară cu aluminiul și prezintă o chimie similară cu aluminiul ( relația diagonală ). Calciul, stronțiul și bariul, pe de altă parte, au o chimie tipic ionică , în timp ce magneziul are un comportament intermediar.

Tendințe similare sunt observate și în potențialele de reducere . Toate aceste elemente sunt electropozitive, dar beriliul este într-o măsură mai mică, în timp ce calciu, stronțiu și bariu seamănă cu metalele alcaline mai grele; magneziul este din nou într-o poziție intermediară.

Unele proprietăți ale elementelor grupului 2
Proprietate Beriliu Magneziu Fotbal Stronţiu Bariu Radio
Numar atomic 4 12 20 38 56 88
Greutatea atomică [5] 9.012182 (3) 24.3050 (6) 40.078 (4) 87,62 (1) 137.327 (7) [226]
Numărul de niveluri 2, 2 2, 8, 2 2, 8, 8, 2 2, 8, 18, 8, 2 2, 8, 18, 18, 8, 2 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2
Configurare electronică [ El ] 2s 2 [ Ne ] 3s 2 [ Ar ] 4s 2 [ Kr ] 5s 2 [ Xe ] 6s 2 [ Rn ] 7s 2
Punct de topire ( K ) 1562 923 1115 1042 1002 973
Punct de topire ( ° C ) 1289 650 842 769 729 700
Punct de fierbere [6] ( K ) 2742 1363 1757 1655 2170 2010
Punct de fierbere [6] ( ° C ) 2469 1090 1484 1382 1897 1737
Densitate (g / cm 3 ) 1,85 1.738 1,54 2,64 3.594 5.5
Raza metalică ( pm ) 112 160 197 215 222 -
Raza covalentă [7] ( pm ) 105 150 180 200 215 221
Raza ionică M (II), coord. 6 ( pm ) - 72 100 118 135 148
Electronegativitate (Pauling) [8] 1,57 1.31 1,00 0,95 0,89 0,9
E 0 M 2 + / 0 ( V ) –1.97 –2.356 –2,84 –2,89 –2.92 –2.916
Energia primei ionizări ( kJ mol −1 ) 899,4 737,7 589,8 549,5 502,9 509.3
A doua energie de ionizare [9] ( kJ mol −1 ) 1757 1451 1145 1064 965 979
A treia energie de ionizare [9] ( kJ mol −1 ) 14850 7733 4912 4138 3619 3300
Entalpia de fuziune ( kJ mol −1 ) 15 8.9 8.6 8.2 7.8 (8,5)
Entalpia de vaporizare ( kJ mol −1 ) 309 127,4 155 158 136 (113)
Entalpia de atomizare ( kJ mol −1 ) 324 146 178 164 178 -
Rezistivitate electrică la 20 ° C ( Ω m 10 8 ) 3,70 4.48 3.42 13.4 34,0 (100)
Culoarea testului de flacără Alb [10] alb Roșu cărămidă [11]
FlammenfärbungCa.png		 Crimson [11]
FlammenfärbungSr.png		 Verde măr [11] Crimson [11]

Cu excepția cazului în care se indică altfel, datele din tabel sunt preluate de la Greenwood și Earnshaw. [1]

Reactivitatea chimică și tendințele grupului [1] [3] [4] [9]

Elementele grupului 2 reprezintă un grup destul de omogen, deși puțin mai puțin decât grupul anterior de metale alcaline . În special, beriliul, cel mai ușor element, prezintă un comportament oarecum diferit de cel al congenerilor mai grei, cu diferențe mai relevante decât cele observate între litiu și celelalte metale alcaline.

Metalele alcalino-pământoase sunt foarte reactive, deși mai mici decât cele din grupa 1 și formează compuși numai în starea de oxidare +2. Nu sunt posibile stări de oxidare mai mari, deoarece a treia energie de ionizare este foarte mare. Pe de altă parte, nu există compuși în starea de oxidare +1; calculele efectuate pe baza ciclurilor Born-Haber arată că orice compuși MX sunt instabili, deoarece ar da naștere la reacții de dismutație foarte exoterme. De exemplu:

2MgCl → Mg + MgCl 2 ΔH = –392 kJ

Beriliul are un comportament decisiv diferit de celelalte elemente ale grupului, prezentând o chimie substanțial covalentă și niciodată pur ionică. Acest lucru se datorează dimensiunii reduse a ionului Be 2+ , care, având o densitate de încărcare foarte mare, distorsionează norul de electroni al anionilor din apropiere. Tendința covalentă a beriliului permite formarea de legături destul de stabile cu carbonul, ca în Be (CH 3 ) 2 și BePh 2 . Trecând în jos, grupul de magneziu prezintă încă un comportament parțial covalent, în timp ce chimia calciului, stronțiului și bariului este total ionică.

Ca și în grupul 1, reactivitatea crește de obicei pe măsură ce coborâți în grup. În aer, beriliu metalic nu este foarte reactiv și se acoperă cu o patină de oxid care îl pasivă (cum ar fi aluminiu, relație diagonală ). Magneziul încă rezistă destul de bine la oxidarea aerului, în timp ce congenerii superiori se oxidează mai rapid.

Se observă tendințe de reactivitate analoge cu apa: beriliul nu reacționează nici măcar când este fierbinte, protejat de pelicula de oxid; magneziul reacționează doar la căldură, iar celelalte la rece. În apă, reacția duce la formarea hidroxizilor odată cu dezvoltarea hidrogenului. De exemplu:

Ca (s) + 2H 2 O (l) → Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq) + H 2 (g)

Hidroxidul de beriliu este singurul grup care prezintă un comportament amfoteric (cum ar fi aluminiul): Be (OH 2 ) în prezența unui exces de ioni OH - formează specia tetracoordonată Be (OH) 4 2– . Hidroxizii celorlalte elemente ale grupului sunt în schimb de bază.

Chiar și în raport cu celelalte nemetale , se observă creșteri ale reactivității în josul grupului; în aceste reacții se formează compușii binari, cum ar fi M 3 N 2 , MS, MSe, MX 2 (X = halogen). Oxidul se formează cu oxigen, în general cu formula MO; pentru elementele mai grele există și peroxid MO 2 . În mod normal, însă, oxizii nu se obțin în acest fel, ci prin calcinarea carbonaților sau prin deshidratarea hidroxizilor.

În ceea ce privește chimia de coordonare , în soluția apoasă, numai cei mai mici ioni, beriliu și magneziu, dau naștere la ioni aquo bine caracterizați: Be (H 2 O) 4 2+ și Mg (H 2 O) 6 2+ . Pentru celelalte elemente ecuația este mai puțin definită și se observă numerele de coordonare 6-8. În cazul beriliului există și hidroliză datorită efectului polarizant puternic al ionului Be 2+ foarte mic; cu alte cuvinte, complexul se comportă ca acidul Brønsted (ca aluminiu):

Be (H 2 O) 4 2+ + H 2 O → Be (H 2 O) 3 OH + + H 3 O +

Această reacție este apoi urmată de alte reacții de polimerizare. Ionii congenerilor superiori nu dau hidroliză din cauza dimensiunii mai mari a cationului.

În comparație cu lianții, în afară de apă, ionii alcalino-pământoși se comportă ca niște acizi duri , cu o preferință puternică pentru lianții de oxigen, mai degrabă decât pentru azot ( clorofila în acest sens este o excepție). EDTA , polifosfații și, de asemenea, eterii corona de dimensiuni adecvate sunt, prin urmare, lianți ideali. Complexele formate din Ca 2+ cu EDTA sau cu ionul tripolifosfat P 3 O 10 5– sunt importante atât pentru dedurizarea apei, cât și pentru analiza volumetrică a ionului Ca 2+ .

Notă

  1. ^ a b c d Greenwood și Earnshaw 1997 .
  2. ^ a b c Emsley 2011 .
  3. ^ a b Atkins și colab. 2010 .
  4. ^ a b Cotton și colab. 1991 .
  5. ^ Wieser și Coplen 2011 .
  6. ^ a b Lide 2003 .
  7. ^ Slater 1964 .
  8. ^ Allred 1961 .
  9. ^ a b c Housecroft și Sharpe 2008 .
  10. ^ Jensen 2003 .
  11. ^ a b c d Brunning 2015 .

Bibliografie

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 11714 · LCCN (EN) sh85003595 · GND (DE) 4152626-0 · BNF (FR) cb12276929w (dată) · BNE (ES) XX543194 (dată) · NDL (EN, JA) 00.560.341
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Metals_alkaline_terrosi&oldid=121982144 ”