Chemia/Pierwiastki grupy 2 - berylowce

Berylowce

Właściwości fizyczne

• Promienie jonowe berylowców są mniejsze niż promienie jonowe litowców (w tym samym okresie) ze względu na większy ładunek jądra.
• Berylowce zawierają dwa elektrony walencyjne, mają więc wyższe temperatury topnienia i wrzenia oraz większą gęstość.
• Berylowce są elektrododatnie, reaktywne chemicznie i mają wysokie ujemne standardowe potencjały redoks.
• Beryl tworzy wiązania kowalencyjne spolaryzowane w większości związków.
• Magnez wykazuje właściwości pośrednie pomiędzy berylem a pozostałymi metalami grupy, których związki mają charakter całkowicie jonowy.
• Wapń, stront i bar tworzą grupę blisko spokrewnionych pierwiastków, których właściwości chemiczne i fizyczne zmieniają się systematycznie ze wzrostem rozmiarów jonu.

Wodorki berylowców

• Wszystkie berylowce ogrzewane w atmosferze gazowego wodoru tworzą wodorki typu MH₂ (M oznacza atom metalu)

M + H₂ → MH₂.

• Są to bezbarwne ciała stałe, które reagują z wodą wydzielając wodór:

MH₂ + 2H₂O → M²⁺ + 2OH¯ + 2H₂.

• Wodorki BeH₂ i MgH₂ są związkami o charakterze pośrednim między jonowym a kowalencyjnym.
• Wodorki wapnia, strontu i baru należą do wodorków jonowych typu soli.

Tlenki berylowców

• Tlenki berylowców otrzymuje się w wyniku ogrzewania metali w tlenie lub przez termiczny rozkład węglanów bądź wodorotlenków:

MCO₃ → MO + CO₂,

M(OH)₂ → MO + H₂O.

• BeO tworzy sieć przestrzenną charakterystyczna dla substancji w znacznym stopniu kowalencyjnych; dalsze tlenki mają strukturę jonową i tworzą sieci przestrzenne typu chlorku sodowego.
• BeO nie reaguje z wodą, MgO reaguje tylko wówczas, gdy ma silnie rozwiniętą powierzchnię, pozostałe tlenki łatwo reagują z wodą

MO + H₂O → M(OH)₂.

• Tlenki berylowców mają wysokie temperatury topnienia (są używane do wykładania wnętrz pieców używanych do produkcji stali).

Nadtlenki

• Beryl nie tworzy nadtlenku, magnez tworzy tylko uwodniony nadtlenek, pozostałe metale tworzą nadtlenki MO₂ podczas ogrzewania odpowiednich tlenków w strumieniu powietrza w temp. 500°C.
• Nadtlenek baru rozkłada się w temperaturze powyżej 700°C:

BaO₂ → BaO + ½ O₂.

• Nadtlenek baru rozkłada się w rozcieńczonych roztworach kwasów z wydzieleniem nadtlenku wodoru:

BaO₂ + 2H⁺ → Ba⁺ + H₂O₂.

• Ze względu na przebieg tych reakcji nadtlenek baru wykorzystuje się do otrzymywania tlenu i nadtlenku wodoru.

Wodorotlenki

• Wodorotlenki berylowców otrzymuje się w egzotermicznym procesie nazywanym gaszeniem

MO + H₂O → M(OH)₂,        ΔH = -67kJ.

• Wodorotlenki słabo rozpuszczają się w wodzie, o czym świadczą ich iloczyny rozpuszczalności.

Iloczyn rozpuszczalności

• Iloczyn rozpuszczalności jest wielkością charakteryzującą roztwory pozostające w równowadze z osadem.
• Jeżeli jon M⁺ reaguje z jonem A¯ tworząc trudno rozpuszczalny związek MA, to równowagę reakcji

M⁺ + A¯ ⇔ MA(¯)

można opisać stałą równowagi strącania osadu [math]K_{os}[/math] lub stałą równowagi rozpuszczania osadu [math]K_s[/math].

• [MA] jest wielkością stałą (faza stała, którą jest wytrącony z roztworu osad), zatem stałe [math]K_{os}[/math] i [math]K_s[/math] można wyrazić tylko za pomocą stężeń jonów.
• Iloczyn [math]K_s = [\mathrm M^+][\mathrm A^-][/math] jest nazywany iloczynem rozpuszczalności.

Chlorki, fluorki, węglany

• Chlorek i fluorek berylu nie przewodzą prądu elektrycznego w stanie stopionym, z czego wynika, że mają one budowę cząsteczkową.
• Chlorki i fluorki pozostałych metali grupy II są związkami jonowymi.
• CaF₂ jest nierozpuszczalny w wodzie, CaCl₂ wykazuje tak duże powinowactwo do wody, że jest stosowany jako środek suszący i odwadniający.
• Wszystkie węglany berylowców są nierozpuszczalne w wodzie, wskutek czego występują w dużych ilościach jako minerały (CaCO₃, znany pod nazwą wapienia, jest najbardziej rozpowszechnionym niekrzemianowym minerałem).
• Wapień łatwo rozpuszcza się w wodach gruntowych, które zawierają CO₂

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃¯.

Siarczany

• Siarczany wykazują szeroki zakres rozpuszczalności (bardzo dobrze rozpuszczalny BeSO₄ do praktycznie nierozpuszczalnego RaSO₄).
• Rozpuszczalność siarczanów zmniejsza się w miarę przechodzenie w dół grupy (efekt przeciwny do rozpuszczalności wodorotlenków).
• MgSO₄∙7H₂O (sól gorzka) ma zastosowanie w medycynie.
• CaSO₄∙2H₂O (gips) ma zastosowanie w budownictwie.
• BaSO₄ ma zastosowanie w diagnostyce medycznej jako środek kontrastujący oraz w przemyśle jako biały pigment.

Twardość wody

• Twardość wody jest związana z obecnością jonów Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺.
• Rozróżnia się 2 rodzaje twardości wody: przemijającą (węglanową) spowodowana obecnością jonów HCO₃¯ łącznie z wymienionymi jonami oraz trwałą (niewęglanową) spowodowaną obecnością tylko jonów dwudodatnich .
• Twardość wody jest niepożądana ze względu na fakt wytrącania się węglanu wapnia na skutek reakcji

Ca²⁺ + 2HCO₃¯ ⇔ CaCO₃ + H₂O + CO₂.

• Dla celów przemysłowych konieczne jest zmiękczanie wody, polegające na usuwaniu kationów na drodze reakcji chemicznej (kompleksowania jonów metali lub wytrącania ich z roztworów w postaci soli trudno rozpuszczalnych) bądź na drodze wymiany jonowej.

Analiza jonów berylowców

• W analizie jakościowej jonów berylowców wykorzystuje się różnice w rozpuszczalności poszczególnych związków.
• Procedura analityczna identyfikacji poszczególnych jonów w roztworze zawierającym Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺:
  • wytrącanie żółtego osadu BaCrO₄ za pomocą K₂CrO₄ w buforze octanowym (K_s = 1,5 x 10^-9),
  • wytrącanie jasnożółtego osadu SrCrO₄ po dodaniu do roztworu NH₃ w celu zmiany środowiska oraz alkoholu dla zmniejszenia rozpuszczalności (K_s = 7,6 x 10^-7),
  • wytrącanie białego osadu CaC₂O₄ (K_s = 1,3 x 10^-9) po dodaniu NH₄C₂O₄,
  • wytrącanie osadu MgNH₄PO₄ po dodaniu NH₃ oraz Na₂HPO₄.

Jony metali bloku s w strukturach biologicznych

• Wśród litowców największe znaczenie w strukturach biologicznych mają jony Na⁺ i K⁺. Są niezbędnym elementem działania pompy sodowo-potasowej. Jest to jeden z podstawowych systemów transportu jonów przez błony biologiczne, umożliwiający regulację stężeń obu jonów w cytoplazmie i na zewnątrz komórki. Zmiany stężeń jonów sodu i potasu po obu stronach błon komórkowych decydują o zmianach potencjału błonowego, który reguluje działanie kanałów jonowych.
• Jony Ca²⁺ pełnią funkcję sygnałową. Zmiany stężeń jonów wapniowych uruchamiają systemy przekazywania sygnałów w komórkach. Działanie jonów Ca²⁺ związane jest z tworzeniem kompleksów ze specyficznym białkiem kalmoduliną.
• Jony Mg²⁺ są składnikami wielu białek enzymatycznych oraz chlorofilu, barwnika fotosyntetycznego roślin zielonych. Obecność jonów Mg²⁺ w centrach wiążących białek ułatwia wiązanie substratów i przebieg reakcji.