碱土金属元素

一：碱土金属元素的基本性质

   第ⅡA族碱土金属包括铍、镁、钙、锶、钡和镭六种元素。其元素基本性质见下表：

元   素   

  性   质

铍

镁

钙

锶

钡

符    号

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

原 子 序 数

4

12

20

38

56
原  子  量 9.012 24.31 40.08 87.62 137.3

价电子构型

2s2

3s2

4s2

5s2

6s2

主要氧化态

+Ⅱ

+Ⅱ

+Ⅱ

+Ⅱ

+Ⅱ

原子半径(Pm)

89

136

174

191

198

离子半径(Pm)

31

65

99

113

135

第一电离势(kJ/mol)

900

738

590

550

503

第二电离势(kJ/mol)

1757

1451

1145

1064

965

第三电离势(kJ/mol)

14849

7733

4912

4210

-

电负性

1.57

1.31

1.00

0.95

0.89

标准电极电势(V)
M2+(aq)+2e-=M(s)

-1.85

-2.36

-2.87

-2.89

-2.91

M2+(g)水合热(kJ/mol)

2520

1960

1615

1475

1340

二：碱土金属元素的通性

1. 与碱金属比较
    碱土金属原子的最外层电子结构是ns2，比相邻的碱金属原子多一个核电荷，原子核对最外层的s电子作用增强，因而碱土金属原子半径较同周期的碱金属为小，电离势要大些。这样碱土金属原子失去最外层的一个电子比相邻的碱金属原子困难，因此碱土金属的活泼性不如碱金属。但它们的电极电势仍为负值，所以仍是活泼性相当高的金属，也是强还原剂。碱土金属主要氧化数为+Ⅱ，它们在形成化合物时，与IA族元素一样，多形成离子型化合物，大多为无色。
   碱土金属的熔点、沸点和硬度均较碱金属高，导电性却低于碱金属。碱土金属的物理性质变化不如碱金属那么有规律，这是由于碱土金属晶格类型不是完全相同的缘故。
2. 同族比较
   碱土金属元素从上到下原子半径逐渐增大，电离势和电负性依次减小，它们的金属活泼性自上而下逐渐增强。

　

碱土金属单质

一：物理性质

   碱土金属单质的物理性质见下表：

金   属   

  性  质

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

密 度(g/cm3)

1.848

1.738

1.55

2.54

3.5

沸  点(K)

3243

1363

1757

1657

1913

熔  点(K)

1551

921.8

1112

1042

998

硬度(金刚石=10)

4

2

1.5

1.8

3

导电性(Hg=1)

5.2

21.4

20.8

4.2

-

   同其他金属一样，碱土金属单质具有金属光泽，有良好的导电性和延展性，除Be和Mg外，Ca、Sr、Ba较软，可以用刀子切割。由于碱土金属有二个价电子，原子半径又小于同周期碱金属元素，因此形成的金属键比碱金属的强，有较高的内聚力和高得多的熔点和沸点，它们的密度、硬度也比碱金属的大。由于本族金属的晶体结构不同(Be、Mg六方晶格，Ca、Sr立方晶格，Ba体心立方晶格），所以熔点变化没有很强的规律。

二：化学性质
1. 与非金属反应
   碱土金属是活泼金属。同碱金属一样，它们能直接或间接与电负性较大的非金属元素，如卤素、硫、氧、磷、氮、氢等形成相应的化合物。
2. 与水反应
   铍和镁与水作用时，表面生成致密的氧化物保护膜，因而对水稳定。钙、锶、钡容易与水反应生成氢氧化物和氢气。

3. 作还原剂
   与碱金属一样，碱土金属也具有很强的还原性。但由于它们能与水反应，只能在干态下使用。例如在高温下Ca和Mg常作为还原剂。

　

碱土金属氧化物

一：普通氧化物
   碱土金属氧化物的物理性质见下表。

氧 化 物

BeO

MgO

CaO

SrO

BaO

熔 点(K)

2803

3125

2887

2693

2191

硬度(金刚石=10)

9

6.5

4.5

3.8

3.3

颜    色

白

白

白

白

白

   碱土金属的氧化物除BeO外，均为NaCl型的离子化合物。由于碱土金属离子带有二个单位正电荷，离子半径较小，所以氧化物的熔点高，除BeO外，从MgO到BaO熔点依次下降。
   经过煅烧的BeO和MgO难溶于水，而CaO、SrO、BaO同水猛烈反应，生成相应的氢氧化物并放出大量热：
        MO(s) + H2O(l) M(OH)2(s)    M＝Ca、Sr、Ba

二：过氧化物
   除Be外，其余元素均可生成过氧化物。其中BaO2是较重要的碱土金属过氧化物。过氧化物MO2与稀H2SO4反应可生成H2O2，其分解放出氧气。
        MO2 + H2SO4(稀) MSO4 + H2O2 （M=Mg、Ca、Sr、Ba）

三：超氧化物
   除Be、Mg外，其余元素均可生成超氧化物。它们是在高压下，将氧气通过加热的过氧化物，可得到不纯的超氧化物MO4。其热稳定性依CaO4-SrO4-BaO4顺序而下降。

　

碱土金属氢氧化物

   碱土金属氢氧化物的物理性质见下表：

氢氧化物

Be(OH)2

Mg(OH)2

Ca(OH)2

Sr(OH)2

Ba(OH)2

熔  点(K)

脱水分解

脱水分解

脱水分解

脱水分解

脱水分解

水中溶解度(mol/L,298K)

8×10-6

5×10-4

6.9×10-3

6.7×10-2

2×10-1

颜  色

白

白

白

白

白

碱  性

两性

中强

强

强

强

   碱土金属氢氧化物在水中的溶解度和碱性从上到下依次递增。

   比较ⅠA和ⅡA族氢氧化物的碱性,可总结为：同周期从左到右碱性减弱,同族从上到下碱性增强。

　

碱土金属盐类

一：热稳定性:

   碱土金属离子带两个正电荷,其半径较相应的碱金属小,所以离子之间的极化作用较强,导致其盐热稳定性较相应的碱金属盐类差，但在常温下均为热稳定性盐。
二：溶解性

   碱土金属的盐比相应的碱金属盐溶解度小。它的氯化物、硝酸盐易溶于水，碳酸盐、草酸盐、磷酸盐都是难溶盐。硫酸盐、铬酸盐溶解度差异较大，BeSO4、BeCrO4易溶，而BaSO4、BaCrO4极难溶，从Be～Ba的硫酸盐、铬酸盐溶解度依次降低。它们的氟化物的溶解度从BeF2～BaF2依次升高。
   碱土金属的碳酸盐、草酸盐、铬酸盐、磷酸盐均能溶于稀的强酸(如盐酸)溶液中。
三：结晶水

   因为碱土金属离子比碱金属离子具有较小的半径和较大的电荷，所以碱土金属离子的水合焓约为碱金属离子的4-5倍。这样带有结晶水的碱土金属盐较多，例如：MgCl2·6H2O，CaCl2·6H2O，BaCl2·2H2O等。
四：焰色反应

    Ca、Sr、Ba的挥发性化合物具有焰色反应，利用碱金属和Ca、Sr、Ba盐在灼热时产生的不同焰色的现象，可以制造各种焰火和信号弹。

离  子

Ca2+

Sr2+

Ba2+

焰  色

橙红

红

黄绿

　

碱土金属元素的配合物

   碱土金属离子中，Be2+的半径最小，是较强的电子对接受体，能形成较多的配合物，如[BeF3]-、[BeF4]2-等。Be2+还可生成许多稳定的螯合物，如二(草酸根)合铍(Ⅱ)酸盐M2[Be(C2O4)2]。
   钙、锶、钡的离子半径较大，生成配合物的能力较弱，Ba2+的配合物很少。钙除了能与氨形成不太稳定的氨合物CaCl2·NH3(1/8)外，还能与配位能力很强的螯合剂生成稳定的螯合物，最重要的是与乙二胺四乙酸根生成的螯合物[CaY]2-。