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| 碱土金属 | |
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碱土金属，指元素周期表中ⅡA族元素，包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、*(ubn)七种元素。其中铍也属于轻稀有金属，镭是放射性元素。碱土金属共价电子构型是ns.在化学反应中易失电子，形成+2价阳离子，表现强还原性。钙、镁和钡在地壳内蕴藏较丰富，它们的单质和化合物用途较广泛。
基本介绍
英文名称:alkaline-earth metal
碱土金属指ⅡA族的所有元素，共计铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、*(ubn)七种，碱土金属在自然界均有存在，前五种含量相对较多，镭为放射性元素，由玛丽·居里(M.Curie)和皮埃尔·居里(P.Curie)在沥青矿中发现。[1]
碱土金属中除铍外都是典型的金属元素，氧化态为+2，其单质为灰色至银白色金属，硬度比碱金属略大，导电、导热能力好，容易同空气中的氧气、水蒸气、二氧化碳作用，在表面形成氧化物和碳酸盐，失去光泽。[2] 碱土金属的氧化物熔点较高，溶于水显较强的碱性，其盐类中除铍外，皆为离子晶体，但溶解度较小。在自然界中，碱土金属都以化合物的形式存在，钙、锶、钡可用焰色反应鉴别。由于它们的性质很活泼，一般的只能用电解方法制取。
元素性质
物理性质
碱土金属的单质为银白色(铍为灰色)固体，容易同空气中的氧气作用，在表面形成氧化物，失去光泽而变暗。它们的原子有两个价电子，形成的金属键较强，熔、沸点较相应的碱金属要高。单质的还原性随着核电荷数的递增而增强。
碱土金属的硬度略大于碱金属，其他均可用刀子切割，新切出的断面有银白色光泽，但在空气中迅速变暗。其熔点和密度也都大于碱金属，但仍属于轻金属。
碱土金属的导电性和导热性能较好。
化学性质
碱土金属最外电子层上有两个价电子，易失去而呈现+2价，是化学活泼性较强的金属，能与大多数的非金属反应，所生成的盐多半很稳定，遇热不易分解，在室温下也不发生水解反应。它们与其他元素化合时，一般生成离子型的化合物。但Be和Mg离子具有较小的离子半径，在一定程度上容易形成共价键的化合物。
钙、锶、钡和镭及其化合物的化学性质，随着它们原子序数的递增而有规律地变化。碱土金属的离子为无色的，其盐类大多是白色固体，和碱金属的盐不同，碱土金属的盐类(如硫酸盐、碳酸盐等)溶解度都比较小。
碱土金属在空气中加热时，发生燃烧，产生光耀夺目的火光，形成氧化物。碱土金属在高温火焰中燃烧产生的特征颜色，可用于这些元素的鉴定。与水作用时，放出氢气，生成氢氧化物，碱性比碱金属的氢氧化物弱，但钙、锶、钡、镭的氢氧化物仍属强碱。铍表面生成致密的氧化膜，在空气个不易被氧化，跟水也不反应。镁跟热水反应，钙、锶和钡易与冷水反应。
钙、锶和钡也能与氢气反应。在空气中，镁表面生成一薄层氧化膜，这层氧化物致密而坚硬，对内部的镁有保护作用，所以有抗腐蚀性能，可以保存在干燥的空气里。钙、锶、钡等更易被氧化，生成的氧化物疏松，内部的金属会继续被氧化，所以钙、锶、钡等金属要密封保存。[1]
单质的主要反应
与氧气反应:M(s)+O₂(g)--→MO(s)
与卤素反应:M(s)+X₂--→MX₂(s)
与水反应:M(s)+2H2O(L)--→M(OH)₂(aq)+H₂↑(g)
与酸反应:2H(aq)+M(s)--→M(aq)+H₂↑(g)
与不活泼金属的可溶盐反应:M(s)+Cu(aq)--→M(aq)+Cu(s)
元素介绍
铍
Be原子的价电子层结构为2s，它的原子半径为89pm，Be离子半径 为31pm，Be的电负性为1.57。铍由于原子半径和离子半径特别小(不仅小于同族的其它元素，还小于碱金属元素)，电负性又相对较高(不仅高于碱金属元素，也高于同族其它各元素)，所以铍形成共价键的倾向比较显著，不像同族其它元素主要形成离子型化合物。
因此铍常表现出不同于同族其它元素的反常性质。(1)铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用，而同族其它金属镁、钙、锶、钡均易与水反应。(2)氢氧化铍是两性的，而同族其它元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。(3)铍盐强烈地水解生成四面体型的离子[Be(H₂O)₂]，Be-O键很强，这就削弱了O-H键，因此水合铍离子有失去质子的倾向:因此铍盐在纯水中是酸性的。而同族其它元素(镁除外)的盐均没有水解作用。
镁
中文名: 镁 符号: Mg
序号: 12
族: 2族 周期: 3
元素分区: s 原子质量: 24.305
外观: 银白色固体
熔点: 923 K(650 °C)
沸点:1363 K(1090 °C) 镁是一种轻质有延展性的银白色金属。在宇宙中含量第八，在地壳中含量第七。密度1.74克/立方厘米，熔点648.8℃。沸点1107℃。化合价+2，电离能7.646电子伏特，是轻金属之一，具有展性，能与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，许多金属是用热还原其盐和氧化物来制备。金属镁能与大多数非金属和差不多所有的酸化合，大多数碱，以及包括烃、醛、醇、酚、胺、脂、酯和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。
钙
元素原子量40.08，银白色的轻金属。质软。密度1.54克/立方厘米。熔
点839±2℃。沸点1484℃。化合价+2。电离能6.113电子伏特。化学性质活泼，能与水、酸反应，有氢气产生。在空气在其表面会形成一层氧化物和氮化物薄膜，以防止继续受到腐蚀。加热时，几乎能还原所有的金属氧化物。
钙元素在自然界分布广，以化合物的形态存在，如石灰石、白垩、大理石、石膏、磷灰石等;也存在于血浆和骨骼中，并参与凝血和肌肉的收缩过程。金属钙可由电解熔融的氯化钙而制得;也可用金属在真空中还原石灰，再经蒸馏而获得。钙用来作合金的脱氧剂，以及油类的脱水剂等。
锶
元素原子量87.62，银白色软金属。密度2.6克/立方厘米。熔点769℃。沸点1384℃。化合价+2。第一电离能5.695电子伏特。化学性质活泼，于空气中加热时能燃烧;易与水和酸作用而放出氢;在到熔点时即燃烧而呈红色火焰。 1808年，英国的克劳福特和戴维先后由铅矿和锶矿中发现了锶。
锶是碱土金属中丰度最小的元素。主要的矿物有天青石和碳酸锶矿。可由电解熔融的氯化锶而制得。用于制造合金、光电管，以及分析化学、烟火等。质量数90的锶是一种放射性同位素，可作β射线放射源，半衰期为25年。
钡
元素原子量137.3，银白色金属，略具光泽，有延展性。密度3.51克/立方厘米。熔点725℃。沸点1640℃。化合价+2。电离能5.212电子伏特。化学性质相当活泼，能与大多数非金属反应，在高温及氧中燃烧会生成过氧化物BaO2。易氧化，能与水作用，生成氢氧化物和氢;溶于酸，生成盐，钡盐除硫酸钡外都有毒。1808年，英国的戴维，用汞作阴极，电解由重晶石制得的电解质，蒸去汞，而制得钡。
自然界中有重晶石和碳酸钡矿。可由熔融的氯化钡在氯化铵存在下电解而制得。钡用于制钡盐、合金、焰火等;也是精制炼铜时的优良去氧剂。
镭
元素原子量:226，密度6.0克/立方厘米(20℃)。熔点700℃，沸点约1140℃。银白色有光泽的软金属。在空气中不稳定，易与空气中氮和氧化合。与水作用放出氢气，生成氢氧化镭Ra(OH)2。溶于稀酸。化学性质与钡十分相似;所有镭盐与相应的钡盐是同晶型的。镭能生成仅微溶于水的硫酸盐、碳酸盐、铬酸盐、碘酸盐;镭的氯化物、溴化物、氢氧化物溶于水。已知镭有13种同位素，226Ra半衰期最长，为1622年。
1898年，由玛丽·居里(Marie Curie)和皮尔·居里(Pierre Curie)发现。1910年，居里夫人和德比恩电解纯的氯化镭溶液，用汞作阴极，先得镭汞齐，然后蒸馏去汞，获得金属镭。镭存在于多种矿石和矿泉中，但含量极稀少，较多的来源于沥青铀矿中。在处理沥青铀矿提取铀时，镭经常与钡一起在不溶于酸的残渣中以硫酸盐形式回收，提纯获得。镭能放射出α和γ两种射线，并生成放射性气体氡。镭放出的射线能破坏、杀死细胞和细菌。因此，常用来治疗癌症等。此外，镭盐与铍粉的混合制剂，可作中子放射源，用来探测石油资源、岩石组成等。
化合物
氧化物
1、氧化物
碱土金属在室温或加热时与氧化合，主要生成普通氧化物MO:
2M+O2=2MO
但实际生产中常由它们的碳酸盐、硝酸盐或氢氧化物等加热分解来制备。例如
MCO3=MO+CO2↑
碱土金属的氧化物均是难溶于水的白色粉末。除Be0为ZnS型晶体外，其余MO都是NaCl型晶体。由于阴、阳离子都是带有两个单位电荷，而且M-O核间距又较小，所以碱土金属氧化物具有较大的晶格能，因此它们的熔点都很高、硬度也较大。BeO和MgO常用来制造耐火材料和金属陶瓷。特别是BeO，还具有反射放射性射线的能力，常用作原子反应堆外壁砖块材料。生石灰是重要的建筑材料，也可由它制得价格便宜的碱(熟石灰)。
2、过氧化物
过氧化物是含有过氧基(-O-O-)的化合物，除铍外，碱土金属在一定条件下都能形成过氧化物。
钙、锶、钡的氧化物与过氧化氢作用，可得到相应的过氧化物:
MO+H2O2+7H2O=MO2·8H2O
钙、锶、钡燃烧可生成过氧化物
M+O2=点燃=MO2
氢氧化物
碱土金属的氧化物(BeO和MgO外)与水作用，即可得到相应的氢氧化物。碱土金属的氢氧化物均为白色固体，易潮解，在空气中吸收CO2生成碳酸盐。
碱土金属氢氧化物的溶解度较低，其溶解度变化按压Be(OH)2→Ba(OH)2的顺序依次递增，Be(OH)2和Mg(OH)2属难溶氢氧化物。
碱土金属氢氧化物溶解度依次增大的原因是随着金属离子半径的递增，正、负离子之间的作用力逐渐减小，易被水分子所解离的缘故。
在碱土金属的氢氧化物中，Be(OH)2呈两性，Mg(OH)2为中强碱，其余都是强碱。
盐类
常见碱土金属的盐类有卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐等，里着重介绍它们的共同特性。
1、晶体类型
绝大多数碱土金属盐类的晶体属于离子型晶体，它们具有较高的熔点和沸点。常温下是固体，熔化时能导电。碱土金属氯化物的熔点从Be→Ba依次增高，BeCl2熔点最低，易于升华，能溶于有机溶剂中，是共价化合物，MgCl2有一定程度的共价性。
碱土金属离子(M)都是无色的，它们盐类的颜色一般取决于阴离子的颜色。无色阴离子(X、NO3、SO4、CO3、ClO等)，与之形成的盐一般是无色或白色的;有色明离子(MnO4、CrO4、Cr2O7等)，与之形成的盐则具有阴离子的颜色，例如，黄色的BaCrO4等。
2、溶解性
碱土金属的盐比相应的碱金属盐溶解度小，有不少是难溶解的，这是区别碱金属的特点之一。碱土金属的硝酸盐、氯酸盐、高氯酸盐和醋酸盐等易溶。卤化物中除氟化物外，也是可溶的。但是碳酸盐，磷酸盐和草酸盐等都难溶于水。对于硫酸盐和铬酸盐来说，溶解度差别较大，例如:BeSO4、MgSO4、BeCrO4和MgCrO4易溶，其余全难溶(CaSO4微溶)。尤其BaSO4和BaCrO4是溶解度最小的难溶盐之一。CaC2O4(白色)、SrCrO4(白色)和BaCrO4(黄色)的溶解度也很小，反应又很灵敏，可用作Ca、Sr或Ba离子的鉴定。铍盐有许多是易溶于水的，这与Be的半径小，电荷较多，水合能大有关。
在自然界中，碱土金属的矿石常以硫酸盐、碳酸盐的形式存在，例如白云石CaCO3·MgCO3，方解石(大理石)CaCO3、天青石SrSO4、重晶石BaSO4等等。
热稳定性
碱土金属盐的热稳定性较碱金属的差，但常温下也都是稳定的(除BeCO3外)。碱土金属的碳酸盐在强热的情况下，才能分解成相应的氧化物MO和CO2，碳酸盐的热稳定性依Be→Ba的顺序递增，因为按此顺序离子极化力减弱。
化学性质
铍以外的碱土金属都能和水发生反应，生成氢气和碱性的氢氧化物。 碱土金属和水的反应较碱金属与水的反应要温和，不像碱金属中的钠和钾在室温中就会和水反应。而镁和冷水反应缓慢，在热水或水蒸汽才较为剧烈，钙常温下可以和冷水剧烈反应。
碱土金属可和卤素（例如:氯）反应，产生离子化合物。不过铍的卤化物是共价化合物，不是离子化合物。其中越重的元素就反应得越剧烈。[来源请求] 碱土金属都能在空气中燃烧，主要产生氧化物，以下为碱土金属还原氧气（O2）的方程式： 镁还能形成氮化物（氮化镁），钡和氧气加热下反应除了得到氧化钡，还能得到过氧化钡(过氧化钡可以吸氧、放氧，用来提取大气中的氧气）。
碱土金属表
元素名称
元素符号
原子半径（nm）
主要化合价
状态(标况)
单质密度（克/立方厘米）
硬度(金刚石=10)
单质熔点（℃）
单质沸点（℃）
电负性(χP)
焰色试验结果
铍 Be 0.105 +2 固体 1.848 4 1278 2970 1.5 无焰色 镁 Mg 0.150 +2 固体 1.738 2.0 650 1090 1.2 无焰色 钙 Ca 0.180 +2 固体 1.55 1.5 842 1484 1.0 砖红色 锶 Sr 0.200 +2 固体 2.63 1.8 777 1382 1.0 红色 钡 Ba 0.215 +2 固体 3.510 1.25 727 1870 0.9 苹果绿 镭 Ra 0.215 +2 固体 5.000 1.03 700 1737 0.9 红色
发现过程
人们对石灰的利用虽然很早，但它的组成是什么却知道得相当迟。至于苦土(氧化镁)、锶土(氧化锶)、重土(氧化钡)的组成更不知道了。由于当时没有办法使它们分解，证明它们是化合物，这种状况一直到18世纪，大多数化学家都认为它们都是元素。那时只有化学家拉瓦锡不以为然，他说:"我们现在所认识的金属，大概只是自然界中所有金属的一部分，例如，凡对氧的亲合力较碳更大的金属，因为都不易还原成金属状态，所以我们只能找到它们的氧化物。我们已往所认为是土质的重土，十之八九大概是一种氧化物，它所表现出来的性质与金属氧化物十分接近。
严格说来，我们现在称为土质的物质，恐怕都是我们现在的方法尚不能还原的金属氧化物。"戴维同意拉瓦锡的看法，并提出了独特的预见:"如果化学结合具有我曾经大胆设想过的那种特性，不管物体中的元素的天然电力(结合力)有多么强，但总不能没有限度，且我们人造的仪器的力量似乎是能够无限地增大，希望新的方法(指电解)能够使我们发现物体中真正的元素。"戴维在拉瓦锡的启发下，决心在制得钠和钾的基础上，采用新的、强有力的电解方法来制取土质中所含的金属。
1807年，戴维电解KOH得到金属K(Potassium)，用同样的方法从NaOH中得到金属Na(Sodium);1808年，戴维把潮湿的石灰和氧化汞按3:1的比例混合，放在白金皿中进行电解得到了钙汞齐，并制得了钙;后来又从菱锶矿石(SrCO3)、重晶石(BaSO4)和苦土(MgO)中到得了三个新的金属元素单质--锶、钡(Barium)和镁;铍(Beryllium)是1845年德国化学家维勒用他电解发现铝的方法制得的。镭是由玛丽·居里(M. Curie)和皮埃尔·居里(P. Curie)在沥青矿中发现的。
制备应用
存在形式
碱土金属除镭外在自然界中分布也很广泛，镁除光卤石外，还有白云石CaC
O3·MgCO3和菱镁矿MgCO3等;铍的最重要矿物是绿柱石3BeO·Al2O3·6SiO2。钙、锶、钡在自然界中存在的主要形式为难溶的碳酸盐和硫酸盐，如萤石CaF2、石灰石CaCO3、碳酸锶矿SrCO3、碳酸钡矿、石膏CaSO4·2H2O、天青石SrSO4和重晶石BaSO4等。海水中含有大量镁的氯化物和硫酸盐，1971年世界镁产量有一半以上是以海水为原料生产的。
制备方法
铍通常是用金属镁在大约1300℃下还原BeF2来制取的，也可以用电解熔融BeCl2(加入碱金属氯化物作助熔剂)的方法制得。镁是所有这族金属中生产规模最大的金属，世界年产量在几十万吨以上。电解法和硅热还原法是工业上生产镁的主要方法。电解法是在750℃的温度下，通过电解熔融的MgCl2而获得镁。硅热还原法则是在减压和1150℃的温度下，用硅铁与煅烧过的白云石进行反应而制得镁:
2(MgO·CaO)+FeSi==2Mg+Ca2SiO4+Fe
钙、锶、钡都可以用其氯化物进行熔盐电解制得，锶和钡还可以用金属铝在高温和真空条件下还原其氧化物制得。
用途作用
碱土金属有着广泛的用途。铍具有透过X射线的能力，常用作X光管的透射材料和制造霓虹灯的元件。铍也用作原于反应推的减速刘，铍青铜合合的抗拉强度很大，比钢大9倍，而弹性似弹簧钢，被称为"超硬合金"，其机械性能优良，硬度大，弹性好，抗腐蚀能力强，常用于制造气阀座、手表游丝、高速轴承、耐磨齿轮及精密仪器的零件等。铍-镁-钴合金轻而坚硬，常用于航空航天工业中。铍及其化合物有毒，能导致严重的肺病和皮肤炎。
镁离子在机体中的生化作用是十分重要的。镁能激活人体中的不少生物酶，对蛋白质的合成起重要作用。镁是构成叶绿素的重要成分。镁还具有镇静作用，在血液中注射镁盐可以引起麻醉。在工业中，镁主要用于制强度高、密度小的合金，广泛用于汽车、飞机制造业中。
钙是构成人和动物骨骼的主要成分，在传递神经脉冲、触发肌肉收缩和激素释放、血液的凝结以及正常心律调节中，Ca都起着重要的作期。钙盐是人休必需的无机盐。人体每天要补充400~1500mg的钙。如果人体缺钙就会导致佝偻病及骨质硫松症。钙主要来源于牛奶、干酪及绿叶蔬菜。
检验
碱土金属离子在高温火焰中燃烧产生的特征颜色见表。这种特性可用于这些元素的鉴定