عناصر گروه دوم (فلزات قلیایی خاکی) در جدول تناوبی

در کنار گروه اول در جدول تناوبی گروه دوم، فلزات قلیایی خاکی قرار دارند که سطحی درخشان و رنگ نقره ای سفید دارند.

این گروه که شامل بریلیم، منیزیم،‌ کلسیم، استرانسیم، باریم و رادیوم است چون در لایه ظرفیت خود دو الکترون (ns^۲) دارند به راحتی با تشکیل کاتیون دو بار مثبت در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند، اما شدت واکنش پذیری آن ها کمتر از فلزات قلیایی می باشد.

فلزات قلیایی خاکی در پوسته زمین به صورت ترکیب در سنگ ها و کانی های مختلف یافت می شوند. علت نام گذاری آن ها به فلزات قلیایی خاکی نیز به همین دلیل است. کلسیم بیشتر از سنگ آهک و سنگ گچ و منیزیم بیشتر از کارنیت و دولومیت بدست می آید. طوری که کلسیم پنجمین عنصر فراوان روی پوسته زمین است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به خصوصیات این عناصر می پردازیم.

خواص فیزیکی فلزات قلیایی خاکی

فلزات قلیایی خاکی چون دو الکترون در لایه ظرفیت خود دارند پیوندهای قوی تری از فلزات قلیایی تشکیل می دهند پس نقطه ذوب بالاتری از آن ها را دارند اما سخت تر و چگالتر از این گروه هستند. اما شعاع اتمی این گروه به دلیل افزایش بار موثر هسته کمتر از فلزات قلیایی است. نکته جالبی که درباره شعاع اتمی و یونی این گروه وجود دارد این است که شعاع یونی کاتیون دو بار مثبت فلزات قلیایی خاکی به دلیل حذف اوربیتال ns^۲ از آرایش الکترونی و افزایش بار موثر هسته خیلی کوچکتر از شعاع اتمی آن است.

 

 

واکنش پذیری در این گروه از بالا به پایین به دلیل افزایش شعاع اتمی افزایش می یابد و عناصر این گروه در مقابل شعله رنگ های متفاوتی از خود نشان می دهند. رنگ شعله سوختن منیزیم سفید درخشان، کلسیم قرمز آجری، استرانسیم قرمز خونی و باریم سبز است.

در این گروه کلسیم کمترین چگالی و بدون در نظر گرفتن رادیم، باریم بیشترین چگالی را دارد و منیزیم کمترین و بریلیم بیشترین نقطه ذوب و جوش را دارد. عدد اکسایش فلزات قلیایی خاکی +۲ است.

 

خواص شیمیایی فلزات قلیایی خاکی

تمام عناصر این گروه الکتروپوزیتیو هستند و چون یون های M^۲+ اندازه و قطبش پذیری کمتری نسبت به M⁺ هم الکترون خود دارند، یون های کاملی از نمک ها را تشکیل می دهند.

 

بریلیم

بریلیم خواص شیمیایی متفاوتی دارند و پیوندهایی که با عناصر بسیار الکترونگاتیو دیگر تشکیل می دهد، خاصیت کووالانسی دارند. علت این رفتار بریلیم اندازه کوچک و پتانسیل یونش زیاد اتم است. در X-Be-X بریلیم هیبریداسیون sp با عدد کوئوردیناسیون ۲ دارد. این عنصر در دیمرهایی مثل Be_۲Cl_۲ مانند اسید لوئیس عمل کرده و دارای عدد کوئوردیناسیون ۳ می باشد. این عنصر در بعضی خواص شبیه آلومینیم است مثلا با تشکیل لایه اکسیدی روی فلز در مقابل اسیدها نفوذناپذیر است. از سوزاندن بریلیم در هوا BeO بدست می آید که جامدی سفیدرنگ می باشد. بریلیم به دلیل واکنش پذیری زیادی که دارد در زیر نفت نگه داری می شود. ترکیبات بریلیم به شدت سمی هستند.

 

منیزیم

چون نسبت بار به شعاع منیزیم بسیار بزرگ است این عنصر تمایل زیادی به تشکیل پیوند کووالانسی دارد. فلز منیزیم سفید مایل به خاکستری است که در هوا بسیار آتشگیر بوده و با نور خیره کننده ای می سوزد. سطح آن با لایه نازکی از اکسید تا حدی محافظت می شود. منیزیم خیلی راحت با کربن ترکیب می شود.

دیگر فلزات قلیایی خاکی نرم و نقره ای می باشند و با واکنش پذیری کمتری شبیه سدیم می باشند. از نظر واکنش پذیری گروه دوم از روند منظمی طبعیت می کنند. رادیم در این گروه الکتروپوزیتیوترین فلز است.

مراحل تولید باریم: باریم سولفیت تشکیل شده از باریت در ترکیب با عناصر دیگر به باریم نیترات تبدیل می شود. از باریم نیترات باریم اکسید تولید می شود که در واکنش با آلومینیم باریم خالص به دست می آید.

 

ترکیبات فلزات قلیایی خاکی

از ترکیبات فلزات قلیایی خاکی می توان به  اکسیدها، هیدروکسیدها و هالید ها اشاره کرد.

 

اکسیدها

به جز بریلیم همه فلزات قلیایی خاکی با اکسیژن واکنش می دهند. که همان طور که گفته شد شدت واکنش پذیری از بالا به پایین گروه افزایش می یابد. فرمول عمومی اکسید این عناصر به صورت MO می باشد. در واکنش منیزیم داریم:

۲Mg (s) + O_۲ (g) → MgO

اکسید این فلزات دمای ذوب و انرژی شبکه بالایی دارند. همچنین خاصیت قلیایی دارند که کاغذ لیتموس را به رنگ آبی درمی آورند و شناساگر فنول فتالئین را قرمز می کند. اکسید این فلزات به جز بریلیم به شکل پراکسید MO_۲ نیز وجود دارند. از تجزیه حرارتی کربنات های این فلزات اکسیدهای آن به دست می آید.

  CaCO_۳ → CaO + CO_۲

این واکنش در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد انجام می شود. اما در آزمایشگاه اکسید فلزات قلیایی خاکی از واکنش هیدروکسیدها و نیترات ها به دست می آید.

هیدروکسیدها

از واکنش اکسیدهای این فلزات  با آب همراه با آزاد کردن انرژی هیدروکسید این فلزات به دست می آید. این ترکیبات خاصیت قلیایی دارند اما مورد استثنا در این مورد هیدروکسید بریلیم می باشد که خاصیت آمفوتری دارد. هیدروکسید منیزیم در آب نامحلول است و قدرت بازی کمتری نسبت به سایر هیدروکسیدهای این گروه دارد. هیدروکسید کلسیم در آب محلول بازی متوسطی می دهد که در شناسایی CO_۲ استفاده می شود. به هیدروکسید کلسیم آب آهک نیز می گوید. استرانسیم و باریم خیلی راحت با آب تولید هیدروکسید و گاز هیدروژن می کنند.

ترکیبات دیگر فلزات قلیایی خاکی

عناصر گروه دوم با هالوژن ها هالیدها را می دهند که ترکیبات یونی هستند به جز هالیدهای بریلیم که کووالانسی هستند. یکی از این هالیدها کلسیم کلرید می باشد که به عنوان نمگیر و خشک کننده استفاده می شود. همه این فلزات به جز بریلیم با اسیدها واکنش می دهند.

کلسیم، استرانسیم و باریم در اثر گرما با هیدروژن تشکیل نمک هیدرید می دهند.

Ca(s) + H_۲(g) → CaH_۲(s)

همان طور که گفته شد منیزیم با دی اکسید کربن در دمای بالا واکنش می دهد و اکسید منیزیم و کربن می دهد. از واکنش منیزیم و بریلیم با نیتروژن نیترید به دست می آید.

۳Be + N_۲ → Be_۳N_۲

از ترکیب با کربن ها استیلیدها به دست می آید به استثنای بریلیم که تشکیل کاربید می دهد.

سختی آب از وجود ترکیبات بی کربنات کلسیم و منیزیم تعریف می شود. البته یون های دیگری چون آلومینیم، آهن روی نیز وجود دارد اما ترکیبات کلسیم و منیزیم به وفور یافت می شود. یکی از ترکیبات شیمیایی رفع کننده سختی آب سدیم کربنات است.

نقش ها و کاربرد های فلزات قلیایی خاکی

وجود کلسیم و منیزیم در فعالیت های سلول های بدن نقش مهمی دارند. به عنوان مثال وجود کلسیم در ساختار استخوان ها و منیزیم در فعالیت های آنزیمی مهم است.

مرجان ها از استرانسیم در تشکیل اسکلت خود استفاده می کنند. استرانسیم در مطالعه نورون های عصبی و همین طور در وسایل آتش بازی کاربرد دارد. از بریلیم در نیمه هادی ها و همچنین در صنایع نظامی و مکانیک استفاده می شود. از منیزیم خیلی بهتر از آلومینیم می توان استفاده کرد اما به دلیل آتشگیری سریع آن بیشتر از آلیاژهای آن استفاده می شود. درصنعت استخراج منیزیم کاربرد دارد.

از کلسیم درتولید پنیر، سیمان و جداسازی اورانیوم از سنگ معدن استفاده می شود. موارد استفاده باریم در لامپ های خلا و استخراج نفت خام را می توان گفت. رادیم که به عنوان ماده رادیواکتیو شناخته می شود در گذشته برای تهیه خمیردندان استفاده می شد اما الان به دلیل پی بردن به مضرات مواد رادیواکتیو مواد ایمن تر جایگزین شده است.

چرا نام فلزات گروه دوم فلزات قلیایی خاکی است؟

فلزات قلیایی خاکی یا فلزات گروه دوم نسبت به فلزات قلیایی گروه ۱ سخت تر و کمتر واکنش پذیر هستند. این نام از این واقعیت ناشی می ‌شود که اکسید های این فلزات وقتی در آب حل می ‌شوند، محلول ‌های بازی تولید می‌ کنند و در دمایی که کیمیاگران باستان در دسترس بودند، جامد باقی می ‌مانند. مانند عناصر گروه ۱، فلزات قلیایی خاکی آنقدر واکنش پذیر هستند که در طبیعت به شکل عنصری خود یافت نمی شوند.

فلزات قلیایی خاکی دارای دو الکترون ظرفیتی در اوربیتال های پر انرژی خود (ns2) هستند. آنها کوچکتر از فلزات قلیایی همان دوره هستند و بنابراین انرژی یونیزاسیون بالاتری دارند. در بیشتر موارد، فلزات قلیایی خاکی یونیزه می شوند تا یک بار ۲+ تشکیل دهند. آنها دارای خواص فیزیکی مشابهی هستند. همه آنها براق هستند و ظاهری سفید مایل به نقره ای دارند و خواص شیمیایی آنها نیز تا حدودی مشابه است زیرا آنها فلزات واکنش پذیر در دما و فشار استاندارد هستند.

فلزات گروه دوم دارای نقطه ذوب بسیار بالاتری نسبت به فلزات قلیایی هستند: بریلیم در دمای ۱۲۸۷ درجه سانتی گراد، منیزیم در دمای ۶۴۹ درجه سانتی گراد، کلسیم در دمای ۸۳۹ درجه  ، استرانسیم در دمای ۷۶۸ درجه  ، باریم در دمای ۷۲۷ درجه سانتی گراد و رادیوم در دمای ۷۰ درجه سانتی گراد. آنها فلزات سخت تری نسبت به عناصر گروه ۱ هستند، اما در مقایسه با بسیاری از فلزات واسطه، نرم و سبک هستند.

نمک‌ های فلزات گروه ۲ به دلیل چگالی بار بالاتر در کاتیون‌ های +۲ نسبت به گروه ۱A در آب کمتر محلول هستند. با این حال، بسیاری از نمک های گروه ۲ حداقل به طور متوسط محلول هستند. برخی از نمک های گروه ۲ به شدت به مولکول های آب پیوند می خورند و به صورت هیدرات متبلور می شوند. از جمله نمک اپسوم، MgSO4·۷H2O و گچ CaSO4·۲H2O است.