碱土金属元素

引入

碱土金属和碱金属有什么区别?为什么叫”碱土”?

从铍到钡,元素的活泼性如何递变?

焰色反应中,钙、锶、钡分别呈现什么颜色?

碱土金属（第 2 族）是最外层有 2 个电子的金属元素。它们的活泼性介于碱金属元素和过渡金属之间,在自然界广泛存在,也是生命必需的矿物质元素。

正文

定义

碱土金属是元素周期表第 2 族（IIA 族）的元素,包括铍（$\mathrm{Be}$）、镁（$\mathrm{Mg}$）、钙（$\mathrm{Ca}$）、锶（$\mathrm{Sr}$）、钡（$\mathrm{Ba}$）和镭（$\mathrm{Ra}$）。最外层电子构型为 $n{s}^2$。

“碱土”之名来源于:它们的氧化物具有碱性（“碱”），且不溶于水、耐高温（“土”）。

元素概览

元素	原子序数	电子构型	氧化态	地壳丰度
$\mathrm{Be}$	$4$	$[\mathrm{He}]2s^2$	$+2$	稀少
$\mathrm{Mg}$	$12$	$[\mathrm{Ne}]3s^2$	$+2$	$2.1\%$
$\mathrm{Ca}$	$20$	$[\mathrm{Ar}]4s^2$	$+2$	$3.6\%$
$\mathrm{Sr}$	$38$	$[\mathrm{Kr}]5s^2$	$+2$	$0.04\%$
$\mathrm{Ba}$	$56$	$[\mathrm{Xe}]6s^2$	$+2$	$0.05\%$
$\mathrm{Ra}$	$88$	$[\mathrm{Rn}]7s^2$	$+2$	极微量（放射性）

性质递变规律

性质	从上到下变化	原因
原子半径	增大	电子层数增加
金属性	增强	原子半径增大,失电子能力增强
第一电离能	减小	原子半径增大,核对外层电子束缚减弱
与水反应	由不反应到剧烈反应	金属性增强
氢氧化物碱性	增强	$\mathrm{Be}(\mathrm{OH}){}_2$（两性）→ $\mathrm{Ba}(\mathrm{OH}){}_2$（强碱）
碳酸盐热稳定性	增强	阳离子极化力减弱

物理性质

元素	熔点 ${/}^{\circ }\mathrm{C}$	密度 $/\mathrm{g}\cdot \mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$	硬度
$\mathrm{Be}$	$1287$	$1.85$	较硬
$\mathrm{Mg}$	$650$	$1.74$	较软
$\mathrm{Ca}$	$842$	$1.55$	较软
$\mathrm{Sr}$	$777$	$2.64$	较软
$\mathrm{Ba}$	$727$	$3.62$	较软

碱土金属的熔点和硬度比同周期碱金属高（因为多了 1 个价电子,金属键更强）。

化学性质

与氧气反应

$2\mathrm{Mg}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{MgO}$（耀眼白光）

$2\mathrm{Ca}+\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{CaO}$

$2\mathrm{Ba}+\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{BaO}$

铍在常温下表面形成致密氧化膜,抗腐蚀。

与水反应

元素	与水反应
$\mathrm{Be}$	不反应
$\mathrm{Mg}$	与热水反应:$\mathrm{Mg}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$
$\mathrm{Ca}$	与冷水反应:$\mathrm{Ca}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$
$\mathrm{Sr}$、$\mathrm{Ba}$	与冷水剧烈反应

与酸反应

所有碱土金属都能与稀盐酸、稀硫酸反应,生成氢气和相应的盐:

$\mathrm{Mg}+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{MgCl}{}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

$\mathrm{Ca}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4\to \mathrm{CaSO}{}_4+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

氧化物和氢氧化物

氢氧化物	溶解性	碱性
$\mathrm{Be}(\mathrm{OH}){}_2$	难溶	两性（既溶于酸又溶于碱）
$\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2$	难溶	弱碱
$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2$	微溶	中强碱
$\mathrm{Sr}(\mathrm{OH}){}_2$	可溶	强碱
$\mathrm{Ba}(\mathrm{OH}){}_2$	易溶	强碱

**溶解性规律:**碱土金属氢氧化物的溶解度从上到下逐渐增大。

碳酸盐热稳定性

碳酸盐	分解温度 ${/}^{\circ }\mathrm{C}$
$\mathrm{BeCO}{}_3$	$<100$
$\mathrm{MgCO}{}_3$	$350$
$\mathrm{CaCO}{}_3$	$825$
$\mathrm{SrCO}{}_3$	$1290$
$\mathrm{BaCO}{}_3$	$1360$

$\mathrm{CaCO}{}_3\stackrel{高温}{\to }\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow$

阳离子半径越大,极化力越弱,碳酸盐越稳定。

焰色反应

碱土金属及其化合物在火焰中呈现特征颜色:

元素	焰色	应用
$\mathrm{Ca}$	砖红色	—
$\mathrm{Sr}$	洋红色	红色烟花
$\mathrm{Ba}$	黄绿色	绿色烟花

焰色反应是金属离子的特征反应,可用于定性检验。

碱金属与碱土金属对比

对比项	碱金属（第 1 族）	碱土金属（第 2 族）
价电子数	$1$	$2$
常见氧化态	$+1$	$+2$
活泼性	更强	较弱
熔点	较低	较高
硬度	更软	较硬
氢氧化物碱性	强碱	中强碱 ~ 强碱

引出

铍的氢氧化物为什么是两性的?对角线规则如何解释?

为什么钡餐（$\mathrm{BaSO}{}_4$）可以用于 X 射线检查,而 $\mathrm{BaCO}{}_3$ 有毒?

镁和钙在水处理中有什么作用?

参考:碱金属元素、镁元素、钙元素、元素周期律