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碱土金属

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碱土金属是周期表第2族中的六种化学元素。它们是铍（Be）、镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）和镭（Ra）。[1] 这些元素有非常相似的性质：它们都具有金属光泽，银白色，在标准温度和压力下，有些是活泼的金属。[2]

在结构上，它们都有一个满电子外层，即s电子层；[2][3][4]也就是说，这个轨道包含了外层全部的两个电子，这些元素很容易失去这两个电子而形成带+2电荷和+2氧化态的阳离子。[5]

所有目前发现的碱土金属都存在于自然界，但是镭只能通过铀和钍的衰变链产生，而不是作为原生元素出现。[6] 120号元素是该族的下一个潜在成员，但目前尝试合成120号元素的实验都未成功。

1 特征编辑

1.1 化学性质

和其他族一样，这一家族成员的电子结构类似，特别是最外层的壳层，这导致了它们化学行为的趋势变化：

原子序数（Z） 元素 电子/壳层数 电子构型
4 铍 2, 2 [He] 2s2
12 镁 2, 8, 2 [Ne] 3s2
20 钙 2, 8, 8, 2 [Ar] 4s2
38 锶 2, 8, 18, 8, 2 [Kr] 5s2
56 钡 2, 8, 18, 18, 8, 2 [Xe] 6s2
88 镭 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 [Rn] 7s2

大多数化学反应只在本族的前五名成员身上观察到。镭的化学性质因其放射性而不确定；[2] 因此，这里对其属性的描述较为有限。

碱土金属都是银色且柔软的，密度、熔点和沸点相对较低。在化学性质方面，所有碱土金属与卤素反应形成碱土金属卤化物，所有碱土金属卤化物都是离子晶体化合物（氯化铍除外，它是共价型的））。除铍之外，所有碱土金属也与水反应生成强碱性氢氧化物，因此应小心处理。较重的碱土金属比较轻的碱土金属反应更剧烈。[2] 碱土金属在周期表中各自的周期中具有第二低的第一电离能[4] 这是因为它们的有效电荷略低，并且能够通过仅损失两个电子来获得完整的外层结构。所有碱土金属的第二电离能也较低。[2][4]

铍是个例外：它不与水或蒸汽反应，它的卤化物是共价的。如果铍确实形成电离态为+2的化合物，由于电荷密度很高，它会使离它很近的电子云极化，并造成大范围的轨道重叠。所有含有铍的化合物都有共价键。[7] 即使是最具离子性的铍化合物氟化铍，熔化时也具有低熔点和低导电性。[8][9][10]

所有碱土金属的价电子层中都有两个电子，所以获得满壳层的最佳能量状态是失去两个电子，形成带两个电荷的正离子。

化合物及其反应

碱土金属都能够与卤素反应形成离子卤化物，如氯化钙（CaCl2）。也能够与氧反应形成氧化物，例如氧化锶（SrO）。钙、锶和钡与水反应生成氢气和它们各自的氢氧化物，而且也能通过金属转移反应进行配体交换。

碱土金属氟化物溶解度相关常数
金属
 M2+水合能
HE
[11] 		F−水合能
HE
[12] 		"MF2"
单元水合能
HE 		MF2
晶格能
[13] 		溶解度
[14]
Be 2,455 458 3,371 3,526 可溶的
Mg 1,922 458 2,838 2,978 0.0012
Ca 1,577 458 2,493 2,651 0.0002
Sr 1,415 458 2,331 2,513 0.0008
Ba 1,361 458 2,277 2,373 0.006

羰基络合物

钙、锶和钡都形成八羰基络合物，都拥有一个18电子价电子层。在冷冻氖基质中通过振动光谱对这些化合物进行表征，在气相中通过质谱对这些化合物进行表征。对电子结构的分析表明，不仅钡，锶和钙也可以在化学键中有效地利用它们的（n-1）d原子轨道，这表明它们的行为类似于过渡金属。[15]

1.2 物理性质和原子性质

下表总结了碱土金属的主要物理和原子性质。

碱土金属 标准原子量
(u)[16][17] 		熔点
(K) 		熔点
(°C) 		沸点
(K)[4] 		沸点
(°C)[4] 		密度
(g/cm3) 		电负性
(Pauling) 		第一电离能
(kJ·mol−1)		 共价半径
(pm)[18] 		焰色测试
铍 9.012182(3) 1560 1287 2742 2469 1.85 1.57 899.5 105 白色[19]
镁 24.3050(6) 923 650 1363 1090 1.738 1.31 737.7 150 亮白色[2]
钙 40.078(4) 1115 842 1757 1484 1.54 1.00 589.8 180 砖红色[2]
锶 87.62(1) 1050 777 1655 1382 2.64 0.95 549.5 200 深红色[2]
钡 137.327(7) 1000 727 2170 1897 3.594 0.89 502.9 215 苹果绿[2]
镭 [226] 973 700 2010 1737 5.5 0.9 509.3 221 深红色

核稳定性

六种碱土金属中，铍、钙、钡和镭至少有一种天然放射性同位素；镁和锶没有。铍-7、铍-10和钙-41是痕量放射性同位素；钙-48和钡-130具有很长的半衰期，因此是原生放射性核素；镭的所有同位素都是放射性的。钙-48是能够发生双β衰变的最轻核素。[20] 钙和钡是弱放射性的：钙含有0.1874%的钙-48，[21] 钡含有约0.1062%的钡-130。[22] 镭寿命最长的同位素是镭-226，半衰期为1600年；它和镭-223、-224和-228天然存在于原生钍和铀的衰变链中。

2 历史编辑

2.1 词源

碱土金属是以它们的氧化物命名的，碱土的旧称是氧化铍、氧化镁、石灰、锶和钡。这些氧化物与水结合时是碱性的。“土”是早期化学家对不溶于水且耐热的非金属物质的一个古老术语，这些氧化物也具有同样性质。化学家安东尼·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）意识到这些“土”不是元素而是化合物。在他1789年的《化学元素》中，他称之为盐土元素。后来，他提出碱土可能是金属氧化物，但承认这只是推测。1808年，根据拉瓦锡（Lavoisier）的想法，汉弗莱·戴维（Humphry Davy）成为第一个通过电解熔融的碱土获得金属样品的人，[23] 这支持了拉瓦锡（Lavoisier）的假设，并使这一族元素被命名为碱土金属。

2.2 发现

钙化合物方解石和石灰从史前时代就已为人所知和使用。[24] 铍化合物绿柱石和祖母绿也是如此。[25] 碱土金属的其他化合物始于15世纪初。镁化合物硫酸镁是1618年由英格兰爱普生（Epsom）的一位农民首次发现的。碳酸锶于1790年在苏格兰斯特伦特（Strontian）村的矿物中被发现。最后一种元素是最稀少的：放射性镭，它是在1898年从沥青铀矿中提取的。[26][27][28]

除铍外，所有元素都可以通过熔融化合物电解分离出来。镁、钙和锶是汉弗莱·戴维（Humphry Davy）在1808年首次制备的，而铍是弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）和安东尼·布斯（Antoine Bussy）在1828年通过铍化合物与钾的反应独立分离出来的。1910年，纯金属镭由居里夫人（Curie）和安德烈·路易·德比尔（André-Louis Debierne）通过电解分离出来。[26][27][28]

铍

祖母绿是绿柱石的一种形式，是铍的主要矿物。

绿柱石是一种含有铍的矿物，自埃及托勒密王国（Ptolemaic Kingdom）时期就已为人所知。[25] 虽然最初认为绿柱石是硅酸铝，[29] 但后来发现绿柱石中含有当时未知的元素，1797年路易斯-尼古拉斯·沃奎林（Louis-Nicolas Vauquelin）将绿柱石中的氢氧化铝溶解在碱中。[30] 1828年，弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）[31] 和安托万·布斯（Antoine Bussy）[32] 用同样的方法独立地分离出这种新元素铍，其中涉及到氯化铍与金属钾的反应；但是这个反应不能产生大的铍锭。[33] 直到1898年，保罗·勒博（Paul Lebeau）对氟化铍和氟化钠的混合物进行电解，才产生了大量纯净的铍样品。[33]

镁

1808年，汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）在英格兰首次使用氧化镁和氧化汞的混合物电解制备镁。[34] 安东尼·布斯（Antoine Bussy）在1831年用同样的方法制备了镁。戴维第一个命名的建议是用magnium，但是现在使用镁（magnesium）这个名字。[34]

钙

自公元前7000年至公元前14000年，[24] 石灰一直被用作建筑材料，在美索不达米亚的卡法贾（Khafaja, Mesopotamia），石灰窑的历史可追溯到公元前2500年。[35][36] 钙作为一种材料至少从第一世纪就已为人所知，因为古罗马人通过用石灰制备氧化钙而闻名。自十世纪以来，硫酸钙就被认为能够固定骨折。然而，钙本身直到1808年才被分离出来，当时英国的汉弗莱•戴维（Humphry Davy）在听到詹斯·雅各布·贝尔泽利乌斯（Jöns Jakob Berzelius）通过电解汞中的石灰制备了一种钙汞合金后，就对石灰和氧化汞的混合物进行了电解。[37]

锶

1790年，医师亚岱尔·克劳福德（Adair Crawford）发现了具有独特性质的矿石，格拉斯哥大学（University of Glasgow）化学教授托马斯·查尔斯·霍普（Thomas Charles Hope）于1793年将这些矿石命名为strontites，并证实了克劳福德的发现，[38] 1808年，汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）通过电解氯化锶和氧化汞的混合物最终分离出锶。戴维于1808年6月30日在皇家学会的一次演讲中宣布了这一发现。[39]

钡

重晶石，最早被发现含有钡的物质。

重晶石是一种含钡矿物，卡尔·舍勒（Carl Scheele）在1774年首次发现它含有一种新元素，但他只能分离出氧化钡。两年后约翰·戈特利布·加恩（Johan Gottlieb Gahn）再次分离出氧化钡。18世纪后期，威廉·萎顿（William Withering）注意到坎伯兰（Cumberland）铅矿中有一种重矿物，现在已知它含有钡。钡本身最终在1808年被分离出来，当时汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）用熔盐电解，戴维参照氧化钡（baryta）将这一元素命名为barium。后来，罗伯特·本森（Robert Bunsen）和奥古斯都·马蒂森（Augustus Matthiessen）通过电解氯化钡和氯化铵的混合物分离出纯钡。[40][41]

镭

1898年12月21日，在研究沥青铀矿时，玛丽（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现即使铀已经衰变，产生的物质仍然具有放射性。这种材料的行为有些类似于钡化合物，尽管有些性质，如焰色反应的颜色和光谱线有很大不同。他们于1898年12月26日向法国科学院宣布发现了一种新元素。[42] 镭（Radium）是在1899年根据radius这个词命名的，意思是射线（ray），因为镭以射线的形式发射能量。[43]

3 分布编辑

碱土金属系列。

铍在地壳中的浓度为百万分之二到六（2-6 ppm），[44] 大部分铍在土壤中，其浓度为百万分之六。铍是海水中最稀有的元素之一，甚至比钪等元素还要稀有，浓度万亿分之0.2。[45][46] 然而，在淡水中，铍更为常见，其浓度为十亿分之0.1。[47]

镁和钙在地壳中非常常见，分别是丰度第五位、第八位的元素。没有一种碱土金属处于零价态。常见的含镁矿物有光卤石、菱镁矿和白云石。常见的含钙矿物有白垩、石灰石、石膏和硬石膏。[2]

锶是地壳中第十五丰度的元素。主要矿物包括天青石和菱沸石。[48] 钡不太常见，大部分在重晶石矿中。[49]

镭是铀的衰变产物，存在于所有含铀矿石中。[50] 由于半衰期相对较短，[51] 地球早期历史中的镭已经衰变，现今的镭都是由衰变慢得多的铀产生的。[50]

4 制备编辑

祖母绿是一种绿柱石，是铍的天然化合物。

大多数铍是从氢氧化铍中提取的。一种生产方法是烧结，通过在高温下混合绿柱石、氟硅酸钠和苏打来形成氟绿柱石钠、氧化铝和二氧化硅。然后用氟代铍酸钠和氢氧化钠的水溶液通过沉淀形成氢氧化铍。或者，在熔融法中，粉状绿柱石被加热到高温，用水冷却，然后在硫酸中再次轻微加热，最终生成氢氧化铍。这两种方法产生的氢氧化铍通过一个较长的过程产生氟化铍和氯化铍。电解或加热这些化合物可以生产铍。[7]

一般来说，碳酸锶是通过两种方法从天青石中提取出来的：用碳酸钠浸出天青石，或者用一种涉及煤的更复杂的方法提取出来。[52]

为了生产钡，重晶石通过碳热还原形成硫化钡。硫化钡再与其他元素溶解形成其他化合物，例如硝酸钡。这些化合物又被重新热分解成氧化钡，再与铝反应后最终生成纯钡。[49] 钡的最重要供应商是中国，中国生产了世界供应量的50%以上。[53]

5 应用编辑

铍主要用于军事用途，[54] 但铍还有其他用途。在电子学中，铍在一些半导体上被用作p型掺杂剂，[55] 氧化铍被用作高强度的电绝缘体和导热体。[56] 由于铍的重量轻和其他特性，当在较宽的温度范围内需要硬度、重量轻和尺寸稳定性时，铍也被用于机械材料。[57][58]

镁有许多用途。它具有优于铝等其他材料的优势，但由于镁的易燃性，这种材料已经不受欢迎。[59] 镁还经常与铝或锌形成合金，形成比任何纯金属更理想的材料。[60] 镁在工业应用中还有许多其他用途，例如在钢铁生产和钛生产中发挥了一定作用。[61]

钙也有许多用途。其用途之一是作为还原剂从矿石中分离其他金属，如铀。它也用于生产许多金属的合金，如铝和铜合金，也用于脱氧合金。钙在奶酪、砂浆和水泥的制作中也有用途。[62]

锶和钡的应用不如轻碱土金属多，但仍有用途。碳酸锶经常用于制造红色烟花，[63] 纯锶用于研究神经元中神经递质的释放。[64][65] 放射性锶-90在利用衰变热的放射性同位素热电机（RTGs）中有一些用途，[66][67] 钡在真空管中可以去除气体，[49] 硫酸钡在石油工业[4]以及其他工业中有许多用途。，[4][4][49][68]

由于镭的放射性，它不再有很多用途，但它曾经有很多用途。镭过去经常用于发光涂料，[69] 但工人生病后就停止了使用。[70] 过去人们认为放射性是一件好事，镭曾被添加到饮用水、牙膏和许多其他产品中，但由于对健康的影响，它们也不再被使用。[59] 镭甚至不再因其放射性而被使用，因为有比镭更强大、更安全的发射源。[71][72]

6 碱土金属的典型反应编辑

与卤素的反应

Ca + Cl 2 → CaCl 2

无水氯化钙是一种吸湿物质，用作干燥剂。暴露在空气中，它会从空气中吸收水蒸气，形成溶液。这种特性被称为潮解。

与氧气的反应

Ca + 1/2O 2 → CaO
Mg + 1/2O 2 → MgO

与硫的反应

Ca + 1/8S 8 → CaS

与碳的反应

与碳一起，它们间接地形成乙炔化物。铍形成碳化物。

2Be + C → Be 2C
CaO + 3C → CaC 2 + CO （炉温2500 ℃）
CaC 2 + 2H 2O → Ca(OH) 2 + C 2H 2
Mg 2C 3 + 4H 2O → 2Mg(OH) 2 + C 3H 4

与氮气的反应

只有铍和镁直接形成氮化物。

3Be + N 2 → Be 3N 2
3Mg + N 2 → Mg 3N 2

与氢气的反应

碱土金属与氢气反应生成在水中不稳定的氢化物盐。

Ca + H 2 → CaH 2

与水的反应

钙、锶和钡容易与水反应生成氢氧化物和氢气。铍和镁被一层不透水的氧化物钝化。然而，镁汞齐会与水蒸气发生反应。

Mg + H 2O → MgO + H 2

与酸性氧化物的反应

碱土金属从氧化物中还原非金属。

2Mg + SiO 2 → 2MgO + Si
2Mg + CO 2 → 2MgO + C （在固态CO 2中反应）

与酸的反应

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
Be + 2HCl → BeCl 2 + H 2

与碱的反应

Be具有两性特性。它能溶解在浓氢氧化钠中。

Be + NaOH + 2H 2O → Na[Be(OH) 3] + H 2

与卤代烷的反应

镁通过插入反应与卤代烷生成格氏试剂。

RX + Mg → RMgX （在无水乙醚中反应）

7 碱土金属阳离子的鉴定编辑

焰色测试

下方的表格[73] 显示了煤气灯的火焰暴露于碱土金属盐时观察到的颜色。铍和镁由于原子体积小，不会给火焰带来颜色。[74]

金属 颜色
Ca 砖红色
Sr 深红色
Ba 绿色/黄色
Ra 胭脂红色

溶液

Mg2+

磷酸二钠是镁离子的一种非常有选择性的试剂，在铵盐和氨的存在下，形成磷酸镁铵的白色沉淀。

Mg 2+ + NH 3 + Na 2HPO 4 → (NH 4)MgPO 4 + 2Na +

Ca2+

Ca2+与草酸铵形成白色沉淀。草酸钙不溶于水，但溶于无机酸。

Ca 2+ + (COO) 2(NH 4) 2 → (COO) 2Ca + NH 4 +

Sr2+

锶离子与可溶性硫酸盐一起沉淀。

Sr 2+ + Na 2SO 4 → SrSO 4 + 2Na +

在氯化铵和氨的存在下，碱土金属的所有离子与碳酸铵形成白色沉淀。

8 碱土金属化合物编辑

氧化物

碱土金属氧化物由相应碳酸盐的热分解形成。

CaCO 3 → CaO + CO 2 （约900℃）

在实验室，它们是从氢氧化物中获得的：

Mg(OH) 2 → MgO + H 2O

或者硝酸盐：

Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO + 1/2O 2

氧化物表现出碱性：它们将酚酞变成红色，石蕊变成蓝色。它们与水反应，在放热反应中形成氢氧化物。

CaO + H 2O → Ca(OH) 2 + Q

氧化钙与碳反应生成乙炔化物。

CaO + 3C → CaC 2 + CO （2500 ℃）
CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C
CaCN 2 + H 2SO 4 → CaSO 4 + H 2N—CN
H 2N—CN + H 2O → (H 2N) 2CO （尿素）
CaCN 2 + 2H 2O → CaCO 3 + NH 3

氢氧化物

碱土氢氧化物是由相应的氧化物与水反应生成的。它们表现出碱性：把酚酞变成粉红色，石蕊变成蓝色。氢氧化铍是个例外，因为它具有两性特征。

Be(OH) 2 + 2HCl → BeCl 2 + H 2O
Be(OH) 2 + NaOH → Na[Be(OH) 3]

盐

钙和镁在自然界中存在于许多化合物中，如白云石、文石、菱镁矿（碳酸盐岩）。钙和镁离子存在于硬水中。硬水存在多方面的问题。去除这些离子，从而软化水是非常有意义的。该过程可以使用氢氧化钙、碳酸钠或磷酸钠等试剂完成。更常见的方法是使用离子交换铝硅酸盐或离子交换树脂来捕获Ca2+和Mg2+并释放Na+离子：

Na 2O·Al 2O 3·6SiO 2 + Ca 2+ → CaO·Al 2O 3·6SiO 2 + 2Na +

9 生物学作用和预防措施编辑

镁和钙无处不在，对所有已知的生物都是必不可少的。它们参与一种以上的作用，例如，镁或钙离子泵在一些细胞过程中起作用，镁在一些酶中起活性中心的作用，钙盐起结构作用，尤其是在骨骼中。

锶在海洋水生生物中起着重要的作用，特别是硬珊瑚，它们利用锶来建造外骨骼。它和钡在医学上有一些用途，例如射线照相成像中的“钡餐”，而锶化合物被用于一些牙膏中。过量的锶-90由于其放射性是有毒的，锶-90模拟并取代生物体中的钙，然后可以杀死生物体。

铍和镭是有毒的。铍的低水溶性意味着它很少用于生物系统；它在活生物体中没有已知的作用，当遇到它们时，通常是剧毒的。[7] 镭的利用率低，放射性高，对生命体有毒。

10 扩展编辑

镭之后的下一种碱土金属被认为是120号元素，但由于相对论效应这可能并不会成真。[75] 120号元素的首次尝试合成是在2007年3月，当时杜布纳弗雷洛夫核反应实验室（Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, Dubna）的一个小组用铁-58离子轰击钚-244；然而，没有产生原子，说明在所研究的能量下核反应截面的限制为400 fb。[76] 2007年4月，德国重离子研究中心（GSI） 的一个团队试图通过用镍-64轰击铀-238来制造120号元素，尽管没有检测到原子，但该反应的核反应截面的限制提高到1.6 pb。虽然没有检测到原子，但实验在更高的灵敏度下再次尝试合成。其他反应也尝试过，但都没有成功。[77]

120号元素的化学性质预计更接近钙或锶[78] 而不是钡或镭。这是不寻常的，因为周期表趋势预测120号元素比钡和镭更具反应性。这种降低的反应性是由于120号元素的价电子预期能量值增加了120号元素的电离能并降低了金属和离子的半径。[78]

11 笔记编辑

  1. Noble gas notation is used for conciseness; the nearest noble gas that precedes the element in question is written first, and then the electron configuration is continued from that point forward.
  2. Energies are given in −kJ/mol, solubilities in mol/L; HE means "hydration energy".
  3. The number given in parentheses refers to the measurement uncertainty. This uncertainty applies to the least significant figure(s) of the number prior to the parenthesized value (i.e., counting from rightmost digit to left). For instance, 1.00794(7) stands for 1.00794±0.00007, whereas 1.00794(72) stands for 1.00794±0.00072.[79]
  4. The element does not have any stable nuclides, and a value in brackets indicates the mass number of the longest-lived isotope of the element.[16][17]
  5. The color of the flame test of pure radium has never been observed; the crimson-red color is an extrapolation from the flame test color of its compounds.[80]

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