شیمی, علوم پایه 7031 بازدید

فلزات قلیایی خاکی شامل شش عنصر از گروه ۲ جدول تناوبی با نام‌های برلیم، منیزیم،‌ کلسیم، استرانسیم، باریم و رادیوم است. این عناصر که در کنار فلزات قلیایی قرار دارند، همگی براق، با رنگ سفید-نقره‌ای و در شرایط دما و فشار استاندارد، فلزاتی فعال هستند. تمامی فلزات قلیایی خاکی در لایه آخر خود که شامل اوربیتال s است، دو الکترون دارند. این عناصر به سادگی دو الکترون خود را از دست می‌دهند و به کاتیون با بار $$2+$$ تبدیل می‌شوند. عدد اکسایش این فلزات نیز $$2+$$ است. تمامی فلزات قلیایی خاکی در طبیعت یافت می‌شوند که از میان آنها رادیوم، تنها در واپاشی هسته‌ای اورانیم و توریم بوجود می‌آید. آزمایش‌های متعددی برای سنتز «آنبینیلوم» (Unbinilium)، عضو بعدی از این خانواده انجام پذیرفته، که همگی با شکست مواجه شده‌اند.

فلزات قلیایی خاکی

مشخصات فلزات قلیایی خاکی

همانند دیگر گروه‌های جدول تناوبی عناصر، آرایش الکترونی مشابه، به خصوص در لایه آخر سبب شده است تا این عناصر روندهای تناوبی از خود نشان دهند. خواص عنصر رادیوم به دلیل ماهیت رادیواکتیو بودن ناشناخته است؛ اما پنج عنصر دیگر از فلزات قلیایی به خوبی شناخته شده‌اند. این فلزات همگی نرم، دارای رنگ سفید-نقره‌ای و همچنین شامل چگالی، نقطه ذوب و جوش پایین هستند.

فلزات قلیایی خاکی
به ترتیب از چپ به راست: برلیم و منیزیم

تمامی این عناصر با هالوژن‌ها برای تشکیل متال هالیدهای فلزات قلیایی خاکی، وارد واکنش می‌شوند. فلزات قلیایی خاکی به غیر از برلیم، با آب برای تشکیل هیدروکسیدهای قوی قلیایی واکنش می‌دهند که حمل و نقل آن باید با دقت صورت بگیرد. از نظر انرژی یونش، این دسته از فلزات در رده دوم در میان عناصر جدول تناوبی قرار دارند. به دلیل پایین بودن بار موثر هسته و همچنین توانایی رسیدن به آرایش الکترونی پایدار با از دست دادن تنها دو الکترون،‌ انرژی یونش دوم نیز در این فلزات در رده دوم قرار دارد. فلزات قلیایی خاکیِ سنگین‌تر، نسبت به اعضای سبک‌تر خود واکنش‌پذیری بیشتری دارند.

آرایش الکترونی فلزات قلیایی
آرایش الکترونی فلزات قلیایی خاکی

در میان فلزات قلیایی خاکی،‌ برلیم یک استثنا است. این عنصر با آب و بخار وارد واکنش نمی‌شود و هالیدهای آن دارای پیوند کووالانسی است. از میان ترکیبات برلیم، ترکیب «برلیم فلوراید» $$(BeCl_2)$$، شامل بیشترین خاصیت یونی است؛ اما نقطه ذوب پایین و در صورت ذوب شدن، هدایت الکتریکی پایینی دارد.

ترکیبات و واکنش‌ها

همانطور که گفته شد، این دسته از فلزات در واکنش با هالوژن‌ها تشکیل هالیدهای یونی همچون «کلسیم کلرید» $$(CaCl_2)$$ می‌دهند. همچنین این عناصر در ترکیب با اکسیژن، اکسیدها را همچون «استرانسیوم اکسید» $$(SrO)$$ تولید و کلسیم، استرانسیوم و باریم در واکنش با آب تولید گاز هیدروژن و هیدروکسید می‌کنند. از میان ۶ عنصر این گروه، برلیوم، کلسیم، باریم و رادیم هر کدام حداقل یک رادیو ایزوتوپ طبیعی دارند. شدت رادیواکتیوی کلسیم و باریم بسیار ناچیز است.

به ترتیب از چپ به راست: باریم،‌ استرانسیم

برخی واکنش‌های اصلی در فلزات قلیایی خاکی

در زیر برخی از واکنش‌های اصلی این دسته از عناصر آورده شده است:

واکنش با هالوژن‌ها

$$Ca + 1/2 O_2 \rightarrow CaO$$

فرآورده حاصل از واکنش بالا با نام «آنیدروس کلسیم کلرید» (کلسیم کلرید خشک) شناخته می‌شود که از آن به عنوان نم‌گیر (دسیکانت) استفاده می‌شود.

واکنش با کربن

در واکنش با کربن، اَسِتیلیدها به طور مستقیم تشکیل می‌شوند. لازم به ذکر است که برلیم تشکیل «کاربید» $$(Be_2C )$$ می‌دهد:

\begin{equation}
\begin{array}{l}{2 \mathrm{Be}+\mathrm{C} \rightarrow \mathrm{Be}_{2} \mathrm{C}} \\ {\mathrm{CaO}+3 \mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CaC}_{2}+\mathrm{CO}} \\ {\mathrm{CaC}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{2}} \\ {\mathrm{Mg}_{2} \mathrm{C}_{3}+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{4}}\end{array}
\end{equation}

واکنش با نیتروژن

\begin{equation}
\begin{array}{l}{3 \mathrm{Be}+\mathrm{N}_{2} \rightarrow \mathrm{Be}_{3} \mathrm{N}_{2}} \\ {3 \mathrm{Mg}+\mathrm{N}_{2} \rightarrow \mathrm{Mg}_{3} \mathrm{N}_{2}}\end{array}
\end{equation}

با واکنش منیزیم و برلیم، به طور مستقیم نیترید تولید می‌شود.

واکنش با آب

کلسیم، استرانسیم و باریم به راحتی با آب برای تشکیل هیدروکسید و گاز هیدروژن وارد واکنش می‌شوند. برلیم و منیزیم معمولا با اکسید شدن و تشکیل دادن یک لایه غیر قابل نفوذ، به عنوان عناصر منفعل در آب شناخته می‌شوند:

\begin{equation}
\mathrm{Mg}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{MgO}+\mathrm{H}_{2}
\end{equation}

شناسایی فلزات قلیایی خاکی

از طریق آزمایش‌های ساده‌ای مانند رنگ شعله و رنگ رسوب، می‌توان فلزات قلیایی خاکی را در ترکیبات شناسایی کرد.

تست شعله باریم
رنگ شعله باریم

رنگ شعله

در جدول زیر رنگ شعله، هرکدام از این عناصر در چراغ بونزن نشان داده شده است. برلیم و منیزیم به دلیل اندازه کوچک، رنگ خاصی را نشان نمی‌دهند.

فلز رنگ شعله
کلسیم قرمز آجزی
استرانسیم قرمز لاکی
باریم سبز و زرد
رادیم قرمز زرشکی

شناسایی در محلول

«دی‌سدیم فسفات» $$Na _ 2 H P O_4$$ به عنوان یک معرف برای یون منیزیم بکار می‌رود. در حضور آمونیاک و نمک‌های آمونیوم، رسوب سفید رنگ «آمونیوم منیزیم فسفات» $$((N H _4) Mg P O_4)$$تشکیل می‌شود:

\begin{equation}
\mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{NH}_{3}+\mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4} \rightarrow\left(\mathrm{NH}_{4}\right) \mathrm{MgPO}_{4}+2 \mathrm{Na}^{+}
\end{equation}

برای شناسایی یون کلسیم، از «آمونیوم اگزالات» $$((COO)_2 (N H_4)_2)$$ استفاده می‌شود. حاصل این واکنش،‌ رسوب سفید رنگ «کلسیم اگزالات» $$((C O O)_2 Ca)$$ است:

\begin{equation}
\mathrm{Ca}^{2+}+(\mathrm{COO})_{2}\left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \rightarrow(\mathrm{COO})_{2} \mathrm{Ca}+\mathrm{NH}_{4}^{+}
\end{equation}

استرانسیوم در واکنش با نمک‌های سولفاته رسوب تشکیل می‌دهد:

\begin{equation}
\mathrm{Sr}^{2+}+\mathrm{Na}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow \mathrm{SrSO}_{4}+2 \mathrm{Na}^{+}
\end{equation}

لازم به ذکر است که تمامی فلزات قلیایی خاکی در حضور آمونیوم کلرید و آمونیاک، هنگام واکنش با آمونیوم کربنات، رسوب سفیدرنگ تشکیل می‌دهند.

ترکیبات فلزات قلیایی خاکی

اکسیدها، هیدروکسیدها و نمک‌ها ترکیبات اصلی فلزات قلیایی را تشکیل می‌دهند.

اکسیدها

اکسید فلزات قلیایی از تجزیه حرارتی کربنات‌های آنها بوجود می‌آیند:

$$Ca C O_3 \rightarrow CaO + CO _2 $$

واکنش بالا در دمای حدود $$900 C ^ {\circ}$$ انجام می‌شود. در آزمایشگاه این ترکیبات از طریق واکنش هیدروکسیدها و نیترات‌ها بدست می‌آیند. اکسیدها خاصیت بازی دارند و رنگ فنل فتالئین و کاغذ لیتموس در آن‌ها به ترتیب قرمز و آبی می‌شوند. برای تولید استیلید، از واکنش اکسید فلزات قلیایی با کربن استفاده می‌شود:

\begin{equation}
\begin{array}{l}{\mathrm{CaO}+3 \mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CaC}_{2}+\mathrm{CO}} \\ {\mathrm{CaC}_{2}+\mathrm{N}_{2} \rightarrow \mathrm{CaCN}_{2}+\mathrm{C}} \\ {\mathrm{CaCN}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow \mathrm{CaSO}_{4}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{N}-\mathrm{CN}} \\ {\mathrm{H}_{2} \mathrm{N}-\mathrm{CN}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow\left(\mathrm{H}_{2} \mathrm{N}\right) \mathrm{CO} } \\ {\mathrm{CaCN}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CaCO}_{3}+\mathrm{NH}_{3}}\end{array}
\end{equation}

 نواز منیزیم
سوختن نوار منیزیم

هیدروکسیدها

همه هیدروکسیدها از طریق واکنش اکسیدها با آب بوجود می‌آیند. هیدروکسیدها نیز خاصیت بازی دارند که در آنها فنل‌فتالئین صورتی و کاغذ لیتموس آبی‌رنگ می‌شوند. در این میان، «برلیم هیدروکسید» $$Be (OH) _2$$ از این قاعده جدا و یک آمفوتر است.

\begin{equation}
\begin{array}{l}{\mathrm{Be}(\mathrm{OH})_{2}+2 \mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{BeCl}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}} \\ {\mathrm{Be}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na}\left[\mathrm{Be}(\mathrm{OH})_{3}\right]}\end{array}
\end{equation}

فلزات قلیایی

نمک‌ها

کلسیم و منیزیم در طبیعت در دولومیت، آراگونیت و سنگ‌های کربناته یافت می‌شوند. همچنین، حضور یون‌های این عناصر عامل سختی آب است. برای کاهش سختی آب و حذف این یون‌ها از «کلسیم هیدروکسید» $$Ca (OH) _2$$، «سدیم کربنات» $$Na _2 C O_3$$ یا فسفات‌های سدیم استفاده می‌شود. یک روش معمول، استفاده از نوعی رزین در فرآیند تبادل یونی است که در آن یون‌های $$Ca^{2+}$$ و $$Mg^{2+}$$ به دام می‌افتند و در عوض یون $$Na^{+}$$ آزاد می‌شود.

\begin{equation}
\mathrm{Na}_{2} \mathrm{O} \cdot \mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot 6 \mathrm{SiO}_{2}+\mathrm{Ca}^{2+} \rightarrow \mathrm{CaO} \cdot \mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot 6 \mathrm{SiO}_{2}+2 \mathrm{Na}^{+}
\end{equation}

دولومیت

تولید فلزات قلیایی خاکی

عنصر برلیم بیشتر از طریق واکنش‌های برلیوم هیدروکسید بدست می‌آید. جوش شیرین،‌ «بریل» $$(Be _3 Al_2 Si_6 O _{18}) $$ و «سدیم فلوئورو سیلیکات» $$(Na _ 2 [Si F_6])$$ در دمای بالا با یکدیگر مخلوط می‌شوند تا ترکیبات «سدیم فلوئوروبریلات» $$(Be F_4 Na_2)$$، «آلومینیوم اکسید» $$(Al_2 O_3)$$ و «سیلیکون دی اکسید» $$(Si O_2)$$ را تولید کنند. طی واکنش‌های متعدد دیگری در نهایت این ترکیبات تبدیل به «برلیوم فلوراید» $$(Be F_2)$$ و «برلیوم کلرید» $$(Be Cl_2)$$ می‌شوند. در نهایت با استفاده از برقکافت (الکترولیز) یا حرارت، برلیم از این ترکیبات استخراج خواهد شد.

برلیوم
زمرد، منبعی از بریل

در حالت کلی، استرانسیم کربنات از ماده معدنی «سلستیت» $$(Sr S O_4)$$ استخراج می‌شود. این فرآیند از دو طریق قابل انجام است: با شستشوی سلستیت با سدیم کربنات یا روش پیچیده‌تر که شامل استفاده از زغال است.

برای تولید باریم، باریت به باریم سولفیت تبدیل می‌شود. باریم سولفیت با عناصر دیگر ترکیباتی همچون باریم نیترات را تشکیل می‌دهد. در نهایت با تبدیل باریم نیترات به باریم اکسید و طی یک واکنش اکسایش کاهش با آلومینیوم،‌ باریم خالص بدست می‌آید. لازم به ذکر است که بیش از 50 درصد باریم در دنیا توسط چین تولید می‌شود.

سلستیت
کریستال سلستیت

نقش بیولوژیکی

وجود منیزیم و کلسیم در بدن تمام موجودات زنده ضروری است. این عناصر معمولا بیش از یک فعالیت را در بدن انجام می‌دهند. به عنوان مثال کلسیم و منیزیم نقش اساسی در فعالیت‌های یک سلول ایفا می‌کنند. همچنین منیزیم نقش «راه‌انداز» (Active Center) را در فعالیت‌های آنزیمی دارد. علاوه بر این، نمک‌های کلسیم نقش اساسی در استخوانها بازی می‌کنند.

استرانسیم در زندگی موجودات دریایی نقش مهمی دارند. به عنوان مثال،‌ مرجان‌ها از این عنصر در ساخت اسکلت خارجی خود کمک می‌گیرند. در پزشکی، از مواد حاوی باریم برای بررسی فعالیت‌های معده و روده استفاده می‌شود. برلیم و رادیم موادی سمی هستند و حلال‌پذیری کم برلیم در آب نشان از حضور کم آن در فعالیت‌های بیولوژیکی دارد. کاربرد خاصی در بدن از این عنصر مشاهده نشده جز اینکه مانند عنصر رادیم، بسیار سمی است.

کاربردها

کاربرد برلیم بیشتر در صنایع نظامی است؛ اما کاربردهای دیگری نیز دارد. از این عنصر در الکترونیک و نیمه‌‌هادی‌ها استفاده می‌شود. از «برلیم اکسید» $$(BeO)$$، به عنوان عایق الکتریکی و هادی گرما استفاده می‌شود. در علم مکانیک، از عنصر برلیم در دماهای متفاوت به دلیل ماهیت سخت، وزن سبک و ثبات در ابعاد، استفاده می‌شود.

منیزیم کاربردهای متفاوت و در مواردی بهتر از آلومینیوم در صنعت کاربرد دارد اما به دلیل قابلیت اشتعال بالا، معمولا کمتر از آن استفاده می‌شود. آلیاژهای آلومینیوم و روی با منیزیم دارای خواصی به مراتب بهتر از هر نوع فلز خالص است. منیزیم در صنعت نیز برای تولید و استخراج فلزاتی مانند آهن، تیتانیوم و آلیاژ استیل کاربرد دارد.

آلیاژ منیزیم و آلومینیوم
استفاده از آلیاژهای سبک آلومینیوم و منیزیم در موتور خودروها

از کلسیم به عنوان عامل کاهنده، در جداسازی فلزاتی همچون اورانیوم از سنگ معدن استفاده می‌شود. این عنصر در تولید آلیاژهای آلومینیوم، مس، «اکسید زدایی» (Deoxidize) آلیاژها و همچنین تولید پنیر و سیمان بکار می‌رود.

استارنسیم و باریم مانند دیگر فلزات قلیایی خاکی کاربرد ندارند اما از استرانسیم کربنات $$(Sr C O_3)$$ در ساخت وسایل آتش‌بازی استفاده می‌شود. استرانسیم خالص در مطالعه نورون‌های عصبی کاربرد دارد. از باریم در لامپ‌های خلأ برای حذف گازها استفاده می‌شود. سولفات باریم در صنعت حفاری و استخراج نفت خام برای افزایش وزن گل حفاری استفاده می‌شود.

استرانسیم
استفاده از استرانسیم در آتش‌بازی

امروزه از عنصر رادیم به علت رادیواکتیو بودن استفاده نمی‌شود؛ اما در گذشته به طور معمول در تولید رنگهای درخشنده استفاده می‌شد. تصور بر این بود که رادیواکتیو برای انسان مفید است و این عنصر به آب آشامیدنی و خمیردندان اضافه می‌شد؛ اما امروزه با کشف موادی با خواص و ایمنی بهتر، رادیم دیگر در فرآیندهای رادیواکتیو کاربرد ندارد.

رنگ درخشنده
ساعت با رنگ‌های درخشنده رادیم

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه‌مند است و به عنوان تولیدکننده محتوا در حوزه‌های متنوع از جمله شیمی، هنر و بازاریابی فعالیت دارد.

بر اساس رای 12 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *