金属元素周期表(【元素周期表系列】平凡的伟大——IIA族碱土金属元素)

金属元素周期表
提起碱土金属,做过化学实验的人一般都会想到油中泡着的水泥块一样的金属,或者一堆堆土得掉渣的白色氧化物和盐粉末。的确正如其名,这一族金属确实颜值并不高,化合物也不起眼,但是我们却时常需要用到它们,它们不仅频繁出现在各类试题里,也存在我们生活的方方面面,缺了他们可不行。下面就然后我们来了解一下它们
?    碱土金属容易氧化,但是充氩气玻封之后会保持金属光泽
 此处为本人收藏的五种碱无氧化土金属样品加镭化合物指针No.4 Be首先是第一个元素铍,它的性质与其他几个大不相同。元素是有很大不同的,常见程度也与其他几个我们上初中的时候都背到过这个元素,但是实际接触到很少。它是一种银灰色的轻金属,光泽在碱土金属中最暗淡。??铍化合物毒性很大,因此铍粉是很危险的,要防止吸入,尽量也不要用手直接接触块状铍据说铍舔上去有甜味。它性质的不同之处在于,它几乎不与水反应,性质也没有其它元素活泼,并且氧化物显两性,类似铝。还有一个特殊点是所有卤化物BeX2为共价化合物,而差不多的铝氟化物是离子化合物。与其他碱土氟化物不同,BeF2易溶于水。
若干铍的化合物的性质:?BeH2,不稳定,可以做火箭推进剂?BeF2不容易在水中得到,因为容易生成BeF4 2- 将(NH4)2BeF4加热分解可以得到无水BeF2,它在水中溶解度很大。?其他BeX2都是容易潮解的共价结晶,以碘化物最容易水解。BeX4 2- 都存在,除了碘的。?氰化铍则要用甲基铍在有机溶剂中制备。?铍有时候不溶于单一酸如稀硝酸,添加了盐酸的硝酸可以很快溶解铍。?硝酸铍硫酸铍等高温都生成氧化铍,它是稳定的铍氧化物。?氧化铍与水蒸气可以得到氢氧化铍。?BeS则容易水解?用氨气与铍低温下可以得到叠氮化铍,出人意料的是它比较稳定。?碳与铍反应得到 与硼得到Be2B,BeB2等,硼化二铍较活泼,与酸反应放出硼烷。?碳酸铍比较难得到,通常得到的是碱式碳酸铍。?无水硝酸铍加热生成Be4O(NO3)6。?高氯酸铍,硫酸铍,碘酸铍等都易溶于水。一些含铍矿物,主要是绿柱石族和金绿宝石族。绿柱石族以后可能会专门出一期来讲。
??接下来的镁到镭,性质都十分相似,我们先看它们各自单质的性质递变,再看这些元素共同的化合物性质No.12 Mg镁是银白色光泽的金属,廉价,密度很小。它在空气中光泽会逐渐暗淡生成氧化物薄膜。粉状镁很容易燃烧,放出耀眼的强光,尤其是与KMnO4等氧化剂混合后。因此可以用作信号弹,烟花等填充材料。镁是比较活泼的金属,可以与几乎所有酸反应,包括水。常温下,镁就可以与水反应,只不过不明显,加热后,速率会加大许多。镁粉常用作还原剂。比如,镁可以从氢氧化钠中置换出钠。利用镁热反应,可以冶炼一些金属。镁还作为轻质合金的材料。
No.20 Ca
钙,可以说是最常见的元素,但是金属钙却很少能见到。一方面是因为它不容易保存,它在空气中会变黑,继而变白而变质。一方面是因为它的危险性,它与水可以剧烈反应放出氢气。纯金属钙用途比较少,但是钙的化合物在我们生活中可谓到处都是,比如贝壳,骨头,牙齿,刷墙的白粉,石灰,水泥,钙片…而金属钙是一种略带浅黄色的金属,通常以粒状,块状出现,它与水反应放出大量氢气,但是不燃烧。钙熔点相对钠和钾要高得多,但是在试管中也可以熔化为闪亮的钙镜。钙热反应常用来提取U,Th以及一些活泼金属比如Na
No.38 Sr
锶是一种活泼的碱土金属,它和钡一样一旦遇到空气会迅速变暗被氮化,因此要看到金属锶的光泽是不容易的。锶与水反应放出大量的热,生成溶解度很小的氢氧化锶白色固体。锶化合物多为白色晶体,特点是它具有洋红色的焰色。锶化合物用在烟花,仿钻,工业合金,分析测定中。

锶有红色的焰色,但不用钴玻璃就不特别明显
No.56 Ba
钡以及它的化合物并不如钙,镁的那么常见,但是氯化钡等钡盐作为检验硫酸根的试剂很常见(当然,硒酸根之类的也可以形成沉淀,不是太准确)钡盐是有毒的,尤其是氯化钡毒性很大,谨防入口。金属钡是略带黄色的金属,并不是银白色的。很容易被氧化,氮化而变黑,通常使用的在煤油里保存的钡状如水泥块。钡在空气中加热到熔点可以燃烧。钡盐带有黄绿色的焰色。

下图中间的即为钡的焰色,一般呈现在火焰的外焰上方,与左边的铜比较,明显色彩偏黄偏偏亮一些。最右边的是很有特色的锂
No.88 Ra镭,碱土一族里著名的放射性元素。纯的镭很少见,放射性很强,为浅黄色极易氧化的金属,比钡活泼。镭及化合物有很强放射性,它的放射性会使其发热。镭的主要化合物有RaCl2与RaSO4,曾经,它们被微量用于荧光粉中,产生蓝色到绿色的光。镭产品因为危险性,现在已经大多淘汰,但是有时还能看到上世纪产的含镭夜光表针。在多年以前的化学实验和收藏圈,还会时不时有含镭荧光粉出售,现在越来越少了。关于这个元素最常见的藏品,无非镭指针了,就是真假难辨,一般国外出售的假货很少。
————Mg-Ra的化合物有很多相似之处———?氢化物: MH2都是白色固体,其中镁的最不稳定,由高压H2与MgI2催化得到。其他MH2都可以由金属与氢气直接化合而得,BaH2最活泼。氢化钙是常用的产氢剂。SrH2,BaH2还原性都很强,与氯酸盐,高氯酸盐等混合容易爆炸。 ?卤化物:MF2均不溶于水。最常见的是CaF2,因为它就是常见的矿物萤石的主要成分。它们可以由碳酸盐与氢氟酸制备。MCl2都很重要,MgCl2来源广泛,可以来自海水,也可以来自光卤石,氯镁矿等矿物,它很稳定,无水物容易吸潮,得到无色氯化镁晶体。CaCl2是常见的干燥剂,无水物溶于水大量放热。在水溶液中可以结出六水针状晶体,也就是所谓的南极石。氯化锶常用于产生洋红色火焰。氯化钡是常用实验室试剂,提取它可以由硫化钡溶于盐酸,蒸发冷却结晶,它是有毒的。在HCl氛围里,将RaSO4高温加热到红热的到无水RaCl2,由于放射性,水合物会少量释放出氯气。MgBr2来自海水,用作镇静剂。MgI2容易潮解。RaBr2可以在900度下升华。其他溴,碘化物用途较少。 ?拟卤化物:氰化物和硫氰化物,叠氮化物等用途较少。Ca(CN)2可以代替氰化钠起作用,它有苦味。Ba(N3)2用作代替叠氮钠的炸药添加剂。这里得提一下一种化合物:氰氨化钙,化学式CaCN2。讲到拟卤化物,通常很少提到氰氨化物。除了CaCN2,其他氰氨化物几乎没有听说过,但是它确实也属于拟卤化物。氰氨化钙俗称石灰氮,用于生产NaCN。

?碱土金属氧化物,硫化物:比较常见。BaO类似碱金属氧化物,容易潮解。相对来说,氧化钙要好一些,既可以用作干燥剂又容易保存。MgO熔点极高,颜色很白,可以用作白色标准物。它也为耐火材料,自然界中以方镁石存在,一般由氢氧化镁灼烧制备。氢氧化镁为水镁石主要成分。碳酸钙来源广泛又廉价,用它制备氧化钙。氢氧化钡,氢氧化锶用于润滑油工业。过氧化物BaO2常用作实验室制备H2O2的原料。水溶液中,低温下可以结晶出八水合物。MgO2可以中和胃酸,CaO2用于消毒,牙膏添加剂。SrO2用于焰火。 高纯MgS为白色固体,不纯的可能呈现红棕色。它是容易水解的。将MSO4加碳还原可以得到它们。RaS用氢化钙碳化钙还原硫酸盐得。MS用于发光体,脱毛剂中。?超氧化物:部分碱土金属超氧化物已经获得。将CaO2与MgO2在潮湿空气中加热可以得到少量超氧化物。将硝酸钡与超氧化钾共热也得到一部分超氧化钡,但这些都是混合物,纯的M(O2)2极难获得。将BaO2在低温下悬浮在氟利昂中与臭氧反应,得到了Ba(O3)2,它-70度就分解。
?其他非金属二元化合物:碱土金属可以形成众多二元化合物。干燥氨气或氮气高温与镁反应得到黄色Mg3N2,磷则得到黄绿色Mg3P2。钙相似,得到Ca3N2以及红棕色Ca3P2。它们用于产氨气和磷化氢。将M(N3)2在无水萘烷中加热得到M(N2)2,称为过氮化物,他们与水反应是放出氮气,氨气等,N4H6为中间产物。B与Mg生成MgB2与Mg3B2,后者与盐酸反应得到乙硼烷。MgSi2是少见的含有Si 4-的化合物,用于制备硅化氢。碳还原氧化钙得到的是碳化钙,俗称电石,通常有杂质而显棕色。它是产生乙炔的高效试剂。下图是不是其中最常见的电石粉。
?硫酸盐:CaSO4,石膏主要成分,其中硬石膏是无水物。除了纤维石膏,雪花石膏,透石膏等,还有广泛分布于地表的石膏砂,土石膏。SrSO4,天青石主要成分。BaSO4,极难溶的固体,用作钡餐。实际上,浓硫酸可以将其转化为可溶的Ba(HSO4)2,过量碳酸盐也可以将其转化为碳酸钡而除去。RaSO4是铀矿石提取的副产物。下图为自制全套五种碱金属硫酸盐样品
参杂硫酸钡的硫酸镭,富集度比较低所以不能自行发光,需要紫外线激发
七水硫酸镁的结晶
碱土金属硫酸盐矿物
?一些难溶含氧酸盐:碱土金属还有一些难溶的那片含氧酸盐,比如MC2O4,它们都是难溶的白色固体,以草酸钙溶解度最小。因此,可以用草酸盐粗略检验钙离子。M3(AsO4)2是有毒的白色固体,砷酸钙可以用来杀虫。Ba3XeO6为白色难溶于水固体,250度分解为BaO,氧气与氙M(H2PO4)2,MHPO4,M3(PO4)2,MHPO3,M2P2O6,M(SbO3)2等都是难溶固体。钙的磷酸盐最常见,在磷酸二氢钙里,CaPO4平行薄板由链状结构构成,PO4 3-位于层间,为三斜晶系。磷酸一氢钙有三斜和斜方两种晶系,三维PO43-构成网状结构。而正磷酸钙为六方或者菱形晶体。MTiO3为TiO2与MO共热的产物,自然界中最常见为钙钛矿CaTiO3。此物晶胞结构已成为代表性结构之一。
?碳酸盐:碳酸钙,这是一种非常重要的化合物,生活中可谓到处都是,大到石灰岩山丘,小到贝壳,骨头,珍珠,蛋壳,珊瑚都是以碳酸钙为主要成分的。涂白墙壁的涂料,风干后就是碳酸钙粉末。大理石台板也是碳酸钙。方解石,文石,霰石,白垩,钟乳,石灰华,冰洲石等也都是碳酸钙,碳酸钙遇酸产生大量气泡,是制备CO2的好材料。碳酸钙粉末用途有:橡胶填充料,药品,气体吸收剂,牙膏及化妆品添加剂等
方解石的一种冰洲石,有双折射现象 这种现象当然归功于冰洲石晶体的各向异性
 ?碱土金属的铝、硅酸盐,也是不得不说的一类化合物,因为它们的矿物实在是太常见了。铝酸盐MAl2O4见于尖晶石。M2SiO4中添加铝,铁,铬,锰等离子,就是石榴石的主要成分,常见的有钙铝榴石,钙铁榴石,锰铝榴石,钙铁榴石,钙铬榴石。镁橄榄石,就是镁硅酸盐为主要成分的。硅灰石主要是CaSiO3。钠铁闪石,Na2Fe2(Si4O11)O5。辉石具有(SiO3)n 2n- 长链。蓝锥矿BaTiSi3O9,绿柱石Be3AlSi6O18,滑石Mg2(OH)2Si4O9,符山石Ca10Al4(Mg,Fe)2(Si2O7)2(SiO4)5(OH)4,还有钙沸石,硅镁石,等等都是碱土金属硅酸盐或者铝硅酸盐矿物。另外,水泥主要成分为C3S(硅酸三钙)与C3A(铝酸三钙)
?另外,碱土金属特征价态是+2,那么有没有+1价的状态存在呢?答案是肯定的。将Ca,Mg,Be熔于熔融的CaCl2,MgCl2,BeCl2,可以获得含有M(I)的混合物。存在形式可能是M2 2+

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