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鹼土金屬(Alkaline-earth metals)指元素周期表中ⅡA族元素,包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種金屬元素。其中鈹也屬於輕稀有金屬,鐳是放射性元素。鹼土金屬共價電子構型是ns2.在化學反應中易失電,形成+2價陽離子,表現強還原性。鈉、鉀、鈣、鎂和鋇在地殼內蘊藏較豐富,它們的單質和化合物用途較廣泛。

1 鹼土金屬 -簡介

鹼土金屬
鹼土金屬

 鹼土金屬(Alkaline-earth metals)元素周期表中ⅡA族元素,包括鈹(Beryllium, Be)、鎂(Magnesium, Mg)、鈣(Calcium, Ca)、鍶(Strontium, Sr)、鋇(Barium, Ba)、鐳(Radium, Ra)六種金屬元素。由於鈣、鍶及鋇的氧化物性質介於「鹼性的」鹼性氧化物和「土性的」(既難溶解,又難熔融)氧化物如Al2O3等之間,所以稱做鹼土金屬,現在習慣上把鈹和鎂也包括在鹼土金屬之內。其中鈹也屬於輕稀有金屬,鐳是放射性元素。鹼土金屬共價電子構型是ns2.在化學反應中易失電,形成+2價陽離子,表現強還原性。鈉、鉀、鈣、鎂和鋇在地殼內蘊藏較豐富,它們的單質和化合物用途較廣泛。

2 鹼土金屬 -性質

物理性質

 鹼土金屬的單質為銀白色(鈹為灰色)固體,容易同空氣中的氧氣和水蒸氣作用,在表面形成氧化物和碳酸鹽,失去光澤而變暗。它們的原子有兩個價電子,形成的金屬鍵較強,熔、沸點較相應的鹼金屬要高。單質的還原性隨著核電荷數的遞增而增強。
鹼土金屬的硬度略大於鹼金屬,除鈹和鎂外,其他均可用刀子切割,新切出的斷面有銀白色光澤,但在空氣中迅速變暗。其熔點和密度也都大於鹼金屬,但仍屬於輕金屬。
鹼土金屬的導電性和導熱性能較好。

化學性質

鹼土金屬最外電子層上有兩個價電子,易失去而呈現+2價,是化學活潑性較強的金屬,能與大多數的非金屬反應,所生成的鹽多半很穩定,遇熱不易分解,在室溫下也不發生水解反應。它們與其他元素化合時,一般生成離子型的化合物。但Be2+和Mg2+離子具有較小的離子半徑,在一定程度上容易形成共價鍵的化合物。鈣、鍶、鋇和鐳及其化合物的化學性質,隨著它們原子序數的遞增而有規律地變化。鹼土金屬的離子為無色的,其鹽類大多是白色固體,和鹼金屬的鹽不同,鹼土金屬的鹽類(如硫酸鹽、碳酸鹽等)溶解度都比較小。
鹼土金屬在空氣中加熱時,發生燃燒,產生光耀奪目的火光,形成氧化物。鹼土金屬在高溫火焰中燃燒產生的特徵顏色,可用於這些元素的鑒定。與水作用時,放出氫氣,生成氫氧化物,鹼性比鹼金屬的氫氧化物弱,但鈣、鍶、鋇、鐳的氫氧化物仍屬強鹼。鈹表面生成緻密的氧化膜,在空氣個不易被氧化,跟水也不反應。鎂跟熱水反應,鈣、鍶和鋇易與冷水反應。鈣、鍶和鋇也能與氫氣反應。在空氣中,鎂表面生成一薄層氧化膜,這層氧化物緻密而堅硬,對內部的鎂有保護作用,所以有抗腐蝕性能,可以保存在乾燥的空氣里。鈣、鍶、鋇等更易被氧化,生成的氧化物疏鬆,內部的金屬會繼續被氧化,所以鈣、鍶、鋇等金屬要密封保存。

3 鹼土金屬 -存在

光鹵石
光鹵石

 鹼土金屬除鐳外在自然界中分佈也很廣泛,鎂除光鹵石外,還有白雲石CaCO3•MgCO3和菱鎂礦MgCO3等;鈹的最重要礦物是綠柱石3BeO•Al2O3•6SiO2。鈣、鍶、鋇在自然界中存在的主要形式為難溶的碳酸鹽和硫酸鹽,如螢石CaF2、石灰石CaCO3、碳酸鍶礦SrCO3、碳酸鋇礦、石膏CaSO4•2H2O、天青石SrSO4和重晶石BaSO4等。海水中含有大量鎂的氯化物和硫酸鹽,1971年世界鎂產量有一半以上是以海水為原料生產的。

4 鹼土金屬 -製備

鈹通常是用金屬鎂在大約1300℃下還原BeF2來製取的,也可以用電解熔融BeCl2(加入鹼金屬氯化物作助熔劑)的方法製得。鎂是所有這族金屬中生產規模最大的金屬,世界年產量在幾十萬噸以上。電解法和硅熱還原法是工業上生產鎂的主要方法。電解法是在750℃的溫度下,通過電解熔融的MgCl2而獲得鎂。硅熱還原法則是在減壓和1150℃的溫度下,用硅鐵與煅燒過的白雲石進行反應而製得鎂:
2(MgO•CaO)+FeSi==2Mg+Ca2Si04+Fe
鈣、鍶、鋇都可以用其氯化物進行熔鹽電解製得,鍶和鋇還可以用金屬鋁在高溫和真空條件下還原其氧化物製得。 

5 鹼土金屬 -發現

化學家拉瓦錫
化學家拉瓦錫

 人們對石灰的利用雖然很早,但它的組成是什麼卻知道得相當遲。至於苦土(氧化鎂)、鍶土(氧化鍶)、重土(氧化鋇)的組成更不知道了。由於當時沒有辦法使它們分解,證明它們是化合物,這種狀況一直到18世紀,大多數化學家都認為它們都是元素。那時只有化學家拉瓦錫不以為然,他說:「我們現在所認識的金屬,大概只是自然界中所有金屬的一部分,例如,凡對氧的親合力較碳更大的金屬,因為都不易還原成金屬狀態,所以我們只能找到它們的氧化物。我們已往所認為是土質的重土,十之八九大概是一種氧化物,它所表現出來的性質與金屬氧化物十分接近。嚴格說來,我們現在稱為土質的物質,恐怕都是我們現在的方法尚不能還原的金屬氧化物。」戴維同意拉瓦錫的看法,並提出了獨特的預見:「如果化學結合具有我曾經大膽設想過的那種特性,不管物體中的元素的天然電力(結合力)有多麼強,但總不能沒有限度,且我們人造的儀器的力量似乎是能夠無限地增大,希望新的方法(指電解)能夠使我們發現物體中真正的元素。」戴維在拉瓦錫的啟發下,決心在製得鈉和鉀的基礎上,採用新的、強有力的電解方法來製取土質中所含的金屬。 
1807年,戴維電解KOH得到金屬K(Potassium),用同樣的方法從NaOH中得到金屬Na(Sodium);1808年,戴維把潮濕的石灰和氧化汞按3:1的比例混合,放在白金皿中進行電解得到了鈣汞齊,並製得了鈣;後來又從菱鍶礦石(SrCO3)、重晶石(BaSO4)和苦土(MgO)中到得了三個新的金屬元素單質——鍶、鋇(Barium)和鎂;鈁(francium)是由法國的佩里從錒β衰變並放出α粒子后得到的。鈹(Beryllium)是1845年德國化學家維勒用他電解發現鋁的方法製得的。鐳是由瑪麗•居里(M. Curie)和皮埃爾•居里(P. Curie)在瀝青礦中發現的。

6 鹼土金屬 -用途

鹼土金屬有著廣泛的用途。鈹具有透過X射線的能力,常用作X光管的透射材料和製造霓虹燈的元件。鈹也用作原於反應推的減速劉,鈹青銅合合的抗拉強度很大,比鋼大9倍,而彈性似彈簧鋼,被稱為「超硬合金」,其機械性能優良,硬度大,彈性好,抗腐蝕能力強,常用於製造氣閥座、手錶遊絲、高速軸承、耐磨齒輪及精密儀器的零件等。鈹-鎂-鈷合金輕而堅硬,常用於航空航天工業中。鈹及其化合物有毒,能導致嚴重的肺病和皮膚炎。
鎂離子在機體中的生化作用是十分重要的。鎂能激活人體中的不少生物酶,對蛋白質的合成起重要作用。鎂是構成葉綠素的重要成分。鎂還具有鎮靜作用,在血液中注射鎂鹽可以引起麻醉。在工業中,鎂主要用於制強度高、密度小的合金,廣泛用於汽車、飛機製造業中。 
鈣是構成人和動物骨骼的主要成分,在傳遞神經脈衝、觸發肌肉收縮和激素釋放、血液的凝結以及正常心律調節中,Ca2+都起著重要的作期。鈣鹽是人休必需的無機鹽。人體每天要補充400~1500mg的鈣。如果人體缺鈣就會導致佝僂病及骨質硫松症。鈣主要來源於牛奶、乾酪及綠葉蔬菜。

7 鹼土金屬 -鈹

鈹
 一種稀有金屬,是最輕的結構金屬之一。電離能9.322電子伏特。呈灰白色,質堅硬。密度1.85克/厘米3。熔點1278±5℃。沸點2970℃。化合價+2。和鋰一樣,也形成保護性氧化層,故在空氣中即使紅熱時也很穩定。不溶於冷水,微溶於熱水,可溶於稀鹽酸,稀硫酸和氫氧化鉀溶液而放出氫。金屬鈹對於無氧的金屬鈉即使在較高的溫度下,也有明顯的抗腐蝕性。鈹可以形成聚合物以及具有顯著熱穩定性的一類共價化合物。
1798年由法國化學家沃克蘭對綠柱石和祖母綠進行化學分析時發現。1828年德國化學家維勒和法國化學家比西分別用金屬鉀還原熔融的氯化鈹得到純鈹。其英文名是維勒命名的。鈹在地殼中含量為0.001%,主要礦物有綠柱石、硅鈹石和金綠寶石。天然鈹有三種同位素:鈹7、鈹8、鈹10。

8 鹼土金屬 -鎂

鎂
 元素原子量24.31,銀白色的金屬,密度1.74克/厘米3,熔點648.8℃。沸點1107℃。化合價+2,電離能7.646電子伏特,是輕金屬之一,具有展性,能與熱水反應放出氫氣,燃燒時能產生眩目的白光,許多金屬是用熱還原其鹽和氧化物來製備。金屬鎂能與大多數非金屬和差不多所有的酸化合,大多數鹼,以及包括烴、醛、醇、酚、胺、脂和大多數油類在內的有機化學藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。 
元素來源: 
鎂存在於菱鎂礦MgCO3、白雲石CaMg(CO3)2、光鹵石KCl·MgCl2·H2O中,海水中也含鎂鹽。可以由電解熔融的氯化鎂或光鹵石製得。 
元素用途: 
主要用於製造輕金屬合金、球墨鑄鐵、汽車、飛機、科學儀器脫硫劑脫氫和格氏試劑,也能用於制煙火、閃光粉、鎂鹽等。 

9 鹼土金屬 -鈣

鈣
 元素原子量40.08,銀白色的輕金屬。質軟。密度1.54克/厘米3。熔點839±2℃。沸點1484℃。化合價+2。電離能6.113電子伏特。化學性質活潑,能與水、酸反應,有氫氣產生。在空氣在其表面會形成一層氧化物和氮化物薄膜,以防止繼續受到腐蝕。加熱時,幾乎能還原所有的金屬氧化物。 
元素來源: 
在自然界分佈廣,以化合物的形態存在,如石灰石、白堊、大理石、石膏、磷灰石等;也存在於血漿和骨骼中,並參與凝血和肌肉的收縮過程。金屬鈣可由電解熔融的氯化鈣而製得;也可用金屬在真空中還原石灰,再經蒸餾而獲得。 
元素用途: 
用來作合金的脫氧劑,以及油類的脫水劑等。 

10 鹼土金屬 -鍶

鍶
 元素原子量87.62,銀白色軟金屬。密度2.6克/厘米3。熔點769℃。沸點1384℃。化合價+2。第一電離能5.695電子伏特。化學性質活潑,於空氣中加熱時能燃燒;易與水和酸作用而放出氫;在到熔點時即燃燒而呈紅色火焰。
1808年,英國的克勞福特和戴維先後由鉛礦和鍶礦中發現了鍶。 
元素來源: 
鍶是鹼土金屬中丰度最小的元素。主要的礦物有天青石和碳酸鍶礦。可由電解熔融的氯化鍶而製得。 
元素用途: 
   用於製造合金、光電管,以及分析化學、煙火等。質量數90的鍶是一种放射性同位素,可作β射線放射源,半衰期為25年。 

11 鹼土金屬 -鋇

鋇
 元素原子量137.3,銀白色金屬,略具光澤,有延展性。密度3.51克/厘米3。熔點725℃。沸點1640℃。化合價+2。電離能5.212電子伏特。化學性質相當活潑,能與大多數非金屬反應,在高溫及氧中燃燒會生成過氧化物BaO2。易氧化,能與水作用,生成氫氧化物和氫;溶於酸,生成鹽,鋇鹽除硫酸鋇外都有毒。1808年,英國的戴維,用汞作陰極,電解由重晶石製得的電解質,蒸去汞,而製得鋇。 
元素來源: 
自然界中有重晶石和碳酸鋇礦。可由熔融的氯化鋇在氯化銨存在下電解而製得。 
元素用途: 
用於制鋇鹽、合金、焰火等;也是精製煉銅時的優良去氧劑。 

12 鹼土金屬 -鐳

鐳
 元素原子量:226,密度6.0克/厘米3(20℃)。熔點700℃,沸點約1140℃。銀白色有光澤的軟金屬。在空氣中不穩定,易與空氣中氮和氧化合。與水作用放出氫氣,生成氫氧化鐳Ra(OH)2。溶於稀酸。化學性質與鋇十分相似;所有鐳鹽與相應的鋇鹽是同晶型的。鐳能生成僅微溶於水的硫酸鹽、碳酸鹽、鉻酸鹽、碘酸鹽;鐳的氯化物、溴化物、氫氧化物溶於水。已知鐳有13種同位素,226Ra半衰期最長,為1622年。 
1898年,由瑪麗·居里(Marie Curie)和皮爾·居里(Pierre Curie)發現。1910年,居里夫人和德比恩電解純的氯化鐳溶液,用汞作陰極,先得鐳汞齊,然後蒸餾去汞,獲得金屬鐳。 
元素來源: 
存在於多種礦石和礦泉中,但含量極稀少,較多的來源於瀝青鈾礦中。在處理瀝青鈾礦提取鈾時,鐳經常與鋇一起在不溶於酸的殘渣中以硫酸鹽形式回收,提純獲得。 
元素用途: 
鐳能放射出α和γ兩種射線,並生成放射性氣體氡。鐳放出的射線能破壞、殺死細胞和細菌。因此,常用來治療癌症等。此外,鐳鹽與鈹粉的混合製劑,可作中子放射源,用來探測石油資源、岩石組成等。 

13 鹼土金屬 -重要化合物

氧化物 1、氧化物
鹼土金屬在室溫或加熱時與氧化合,一般只生成普通氧化物MO:
2M+O2=2MO
但實際生產中常由它們的碳酸鹽、硝酸鹽或氫氧化物等加熱分解來製備。例如
MCO3=MO+CO2↑
鹼土金屬的氧化物均是難溶於水的白色粉末。除Be0為ZnS型晶體外,其餘MO都是NaCl型晶體。由於陰、陽離子都是帶有兩個單位電荷,而且M-O核間距又較小,所以鹼土金屬氧化物具有較大的晶格能,因此它們的熔點都很高、硬度也較大。BeO和MgO常用來製造耐火材料和金屬陶瓷。特別是BeO,還具有反射放射性射線的能力,常用作原子反應堆外壁磚塊材料。CaO是重要的建築材料,也可由它製得價格便宜的鹼(Ca(OH)2)。
2、過氧化物
過氧化物是含有過氧基(-O-O-)的化合物,除鈹外,鹼土金屬在一定條件下都能形成過氧化物。其中過氧化鈉的實用意義最大。
將金屬鈉在鋁製容器中加熱至熔化,通入一定量除去CO2的乾燥空氣,得到淡黃色的Na2O2粉末。
Na2O2對熱穩定,但易吸潮。它與水或稀酸在室溫下作用生成過氧化氫:
Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2
Na2O2+H2SO4(稀)=Na2SO4+H2O2
生成的H2O2立即分解放出氧氣,故Na2O2常被用作紡織品、麥桿、羽毛等的漂白劑和氧氣發生劑。在潮濕的空氣中,Na2O2與CO2反應也會放出O2。
Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑
因此,Na2O2可用作高空飛行或潛水作業時的供氧劑和CO2吸收劑,Na2O2還可用作防毒面具的填料。
在酸性介質中,當遇到像高錳酸鉀這樣的強氧化劑時,過氧化鈉就顯還原性了,過氧離子被氧化成氧氣單質:
5O22-+2MnO4-+16H+→2Mn2++5O2↑+8H2O
過氧化鈉呈強鹼性,含有過氧離子,在鹼性介質中過氧化鈉是一種強氧化劑,它能強烈地氧化一些金屬。例如:
Fe2O3+3Na2O2=2Na2FeO4+Na2O
Cr2O3+3Na2O2=2Na2CrO4+Na2O
分析化學中,常利用上述反應分解一些不溶水又不溶於酸的礦石。過氧化鈉在熔融時幾乎不分解,但遇到鋁粉、棉花、木炭等還原性物質時,會發生爆炸,使用時應當注意安全。此外,過氧化鈉具有強鹼性,宜採用鐵或鎳制容器熔融,不宜使用石英或陶瓷的容器。
鈣、鍶、鋇的氧化物與過氧化氫作用,也可得到相應的過氧化物:
MO+H2O2+7H2O=MO2•8H2O

氫氧化物 鹼土金屬的氧化物(BeO和MgO外)與水作用,即可得到相應的氫氧化物。鹼土金屬的氫氧化物均為白色固體,易潮解,在空氣中吸收CO2生成碳酸鹽。固體Ca(OH)2是常用的乾燥劑。
鹼土金屬氫氧化物的溶解度較低,其溶解度變化按壓Be(OH)2→Ba(OH)2的順序依次遞增,Be(OH)2和Mg(OH)2屬難溶氫氧化物。鹼土金屬氫氧化物的溶解度列於表一中。
                      表一 鹼土金屬氫氧化物的某些性質
           物質             Be(OH)2  Mg(OH)2   Ca(OH)2    Sr(OH)2
水中溶解度(mol/dm3)(293K)   8×10-6  5×10-4  1.8×10-2 6.7×10-2
          酸鹼性            兩性     中強鹼     強鹼       強鹼
溶解度依次增大的原因是隨著金屬離子半徑的遞增,正、負離子之間的作用力逐漸減小,易被水分子所解離的緣故。
在鹼土金屬的氫氧化物中,Be(OH)2呈兩性,Mg(OH)2為中強鹼,其餘都是強鹼。

鹽類 常見鹼土金屬的鹽類有鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽等,里著重介紹它們的共同特性。
1、晶體類型
絕大多數鹼土金屬鹽類的晶體屬於離子型晶體,它們具有較高的熔點和沸點。常溫下是固體,熔化時能導電。鹼土金屬氯化物的熔點從Be→Ba依次增高,BeCl2熔點最低,易於升華,能溶於有機溶劑中,是共價化合物,MgCl2有一定程度的共價性。
鹼土金屬離子(M2+)都是無色的,它們鹽類的顏色一般取決於陰離子的顏色。無色陰離子(X-、NO3-、SO4-、CO32-、ClO-等),與之形成的鹽一般是無色或白色的;有色明離子(MnO4-、CrO42-、Cr2O72-等),與之形成的鹽則具有陰離子的顏色,例如,黃色的BaCrO4等。
2、溶解性
鹼土金屬的鹽比相應的鹼金屬鹽溶解度小,有不少是難溶解的,這是區別鹼金屬的特點之一。鹼土金屬的硝酸鹽、氯酸鹽、高氯酸鹽和醋酸鹽等易溶。鹵化物中除氟化物外,也是可溶的。但是碳酸鹽,磷酸鹽和草酸鹽等都難溶於水。對於硫酸鹽和鉻酸鹽來說,溶解度差別較大,例如:BeSO4、MgSO4、BeCrO4和MgCrO4易溶,其餘全難溶。尤其BaSO4和BaCrO4是溶解度最小的難溶鹽之一。CaC2O4(白色)、SrCrO4(白色)和BaCrO4(黃色)的溶解度也很小,反應又很靈敏,可用作Ca2+、Sr2+或Ba2+離子的鑒定。鈹鹽有許多是易溶於水的,這與Be2+的半徑小,電荷較多,水合能大有關。
在自然界中,鹼土金屬的礦石常以硫酸鹽、碳酸鹽的形式存在,例如白雲石CaCO3•MgCO3,方解石和大理石CaCO3、天青石SrSO4、重晶石BaSO4等等。
3、熱穩定性特徵
鹼土金屬鹽的熱穩定性較鹼金屬的差,但常溫下也都是穩定的(除BeCO3外)。鹼土金屬的碳酸鹽在強熱的情況下,才能分解成相應的氧化物MO和CO2,碳酸鹽的熱穩定性依Be→Ba的順序遞增,因為按此順序離子極化力減弱。
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