فلزات قلیایی خاکی – به زبان ساده

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.

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.

فیلم آموزش فلزات قلیایی و کاربردها در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

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

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

\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}

هیدروکسیدها

\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}

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}

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

فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم – علوم تجربی و ریاضی در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

نقش بیولوژیکی

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

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.

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.

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.

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

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش شبیه سازی واکنش های سطحی با نرم افزار ANSYS FLUENT
• گزارش کار آزمایشگاه — اصول نگارش
• عایق حرارتی – به زبان ساده

^^