Kim loại kiềm thổ - tính chất hóa học, vật lý và ứng dụng

Kim loại kiềm thổ gồm sáu nguyên tố hóa học trong nhóm 2 (IIA) của bảng tuần hoàn. Các nguyên tố này là: berili (Be), magiê (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba) và radium (Ra).

Kim loại kiềm thổ là gì?

Trước thế kỷ 19 các kim loại không tan trong nước, không bị đốt chảy bởi lửa gọi là thổ. Những loại đất đó chẳng hạn như vôi (canxi oxit), tro soda và kali được chỉ định là đất kiềm. Do đó, kiềm thổ được phân biệt với kiềm và các loại đất khác chẳng hạn như đất hiếm.

Vào đầu những năm 1800 trái đất được coi là một nguyên tố, thực tế là hợp chất của các oxit, hơp chất của kim loại và oxy. Các kim loại có oxit tạo nên nguyên tố kiềm thổ và được Dmitry Mendeleev đề xuất đặt vào nhóm 2 trong bảng tuần hoàn của ông năm 1869.

Cũng như các kim loại kiềm nhóm 1 (IA) nguyên tử của các kim loại kiềm thổ dễ dàng nhường electron để trở thành ion dương (cation). Do đó hầu hết các hợp chất của chúng là ion: muối trong đó kim loại xuất hiện dưới dạng M2+ trong đó M là bất kỳ nguyên tố nhóm 2 nào.

Công thức điển hình như canxi clorua (CaCl2) và canxi oxit (CaO), có thể tương phản với các hợp chất của kim loại kiềm chứa các ion M+ như natri clorua (NaCl) và natri monoxit (Na2O).

Các oxit của kim loại kiềm thổ về cơ bản là kiềm trái ngược với axit. Sự gia tăng điện tích dương từ beri nhẹ nhất cho đến radium nặng nhất. Khiến bery oxit là chất lương tĩnh không phải bazo trong khi bari oxit là bazo mạnh.

Bản thân chúng là chất khử cao, nghĩa là chúng dễ dàng nhường electron cho các chất khác mà trong quá trình này, chúng bị khử.

Ngoại trừ radium, các kim loại kiềm thổ và hợp chất của chúng đều có ứng dụng mạnh mẽ trong thực tế. Đặc biệt là magie và canxi có nhiều trong tự nhiên nằm trong sáu nguyên tố phổ biến nhất. Đóng voi trò quan trọng với địa chất và sinh học. Radium là nguyên tố hiếm, tất cả đồng vị đều phóng xạ, ít có ứng dụng thực tế.

Lịch sử

Chất kiềm thổ được biết đến sớm nhất là vôi (CaO), được sử dụng trong thời cổ đại để xây dựng. Magie được chứng minh là một kim loại kiềm thổ khác vào năm 1755 khi quan sát magie đã tạo ra một loại sunfat hòa tan.

1774 Carl Wilhelm Scheele phát hiện ra khoáng chất spar chứa một loại đất mới là bari oxit. Stronti oxit được xác định bởi William Cruickshank and Adair Crawford năm 1789 trong một mỏ chì. Bery oxit được chiết xuất từ khoáng chất beryl được công nhận vào năm 1798.

Magiê, canxi, stronti và bari – đã được nhà hóa học người Anh Sir Humphry Davy phân lập dưới dạng tinh khiết vào năm 1808 bằng phương pháp điện phân giống cách ông đã phân lập thành công kim loại kiềm natri và kali.

Radium được phát hiện năm 1898 nhờ tính phóng xạ của nó bởi Pierre and Marie Curie, là nguyên tố phóng xạ đầu tiên được tìm ra.

Tính chất vật lý và hóa học của kim loại kiềm thổ

Các nguyên tố kiềm thổ có tính kim loại cao, là chất dẫn điện tốt. Có màu trắng xám khi mới cắt nhưng bị xỉn màu trong không khí. Beri đủ cứng để làm xước kính, nhưng chỉ cứng hơn chì một chút.

Điểm nóng chảy(mp) và điểm sôi(bp) cao hơn kim loại kiềm tương ứng. Chúng thay đổi không đều từ trên xuống trong bảng tuần hoàn magie thấp nhất (mp 650 °C, bp 1.202 °C) và beri cao nhất (mp 1.287 °C, bp 2.471 °C).

Về mặt hóa học, chúng là chất khử mạnh. Các kim loại tự do hòa tan trong ammoniac lỏng, các dung dịch canxi, stronti và bari có màu xanh đậm. Được quan tâm vì cho là chứa các ion kim loại bất thường, electron hòa tan.

Các nguyên tử của kim loại kiềm thổ đều có cấu trúc điện tử giống nhau, bao gồm một cặp electron (quỹ đạo s) ở lớp vỏ ngoài cùng. Stronti có cấu hình 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2, có thể được viết là [Kr]5s2. Tương tự beri có thể được viết là [He]2s2, magie là [Ne]3s2, canxi là [Ar]4s2, bari là [Xe]6s2, và radium là [Rn]7s2.

Các vạch nổi trong quang phổ nguyên tử của các nguyên tố, thu được khi nung nóng chúng trong những điều kiện nhất định, phát sinh do hai electron s được thăng cấp lên quỹ đạo năng lượng cao hơn.

Các electron s tương đối bị ion hóa (loại bỏ khỏi nguyên tử) và sự ion hóa này là đặc trưng hóa học c ủa kiềm thổ. Năng lượng ion hóa (cần thiết để tách một electron ra khỏi nguyên tử) giả từ beri (9,32eV) đến bari (5,21eV).

Trong hầu hết các trường hợp, tính chất hóa học của kiềm thổ bị chi phối hình thành bởi các ion M2+. Trong đó các electron s lớp ngoài cùng bị bứt ra khỏi nguyên tử kim loại. Ion tao thành ổn định nhờ tương tác tĩnh điện với dung môi, chẳng hạn như nước. Có hằng số điện môi cao và khả năng hấp thụ điện tích lớn, hoặc bằng cách kết hợp với các ion mang điện tích trái dấu chẳng hạn như muối của nó.

Bảng tính chất vật lý của kim loại kiềm thổ