鹼土金屬

鹼土金屬 (Alkaline Earth Metals)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

「鹼土金屬 (Alkaline Earth Metals)」是元素週期表當中，第2族 (Group 2 Elements)元素的總稱。鹼土金屬包含了鈹 (Be, Beryllium)、鎂 (Mg, Magnesium)、鈣 (Ca, Calcium)、鍶 (Sr, Strontium)、鋇 (Ba, Barium)和鐳 (Ra, Radium)六種元素，其中鈣、鍶、鋇三種又被稱為典型的鹼土元素。這六種元素皆存在於自然界，其中鐳為放射性元素，最穩定鐳同位素 ²²⁶Ra半衰期約為一千六百年。

圖一、鹼土金屬 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Erdalkali.jpg

鹼土金屬由於在週期表當中，位於鹼金屬的隔壁，因此其性質與鹼金屬相似：鹼土金屬在常溫常壓下均為銀白色、質地較軟的金屬固體，具有延展性，可以與其他金屬製成合金。鹼土金屬的密度、熔點相較於鹼金屬而言高出許多，尤其是鈹的熔點高達1287℃。

鹼土金屬的話學性質也與鹼金屬相近，然而其性質又不像是鹼金屬一般的。由於其反應性較鹼金屬低，因此在空氣下氧化、或者是與水反應的速度就較慢。除了鈹以外，其餘均可與水反應形成鹼性的氫氧化物（式一）；而鈹是兩性金屬，可以和酸或鹼反應（式二）。鎂在冷水中緩慢反應，而在熱水中劇烈反應；鈣則在冷水中亦可劇烈反應，顯示鹼土金屬的化學活性隨原子序增加而增加。因為鹼土金屬氧化物溶於水中均為鹼性，這也是鹼土金屬名稱當中「鹼」字的來源。此外鹼土金屬氧化物例如氧化鎂、石灰等，都在古代就已經被發現，並經常作為生活中的用途，由於的氧化物熔點相當高在高溫下亦不會融化，古人認為這和由矽酸鹽為主組成沙土性質一樣，成為鹼土金屬名稱當中「土」字的來源。

M + 2 H₂O → M(OH)₂ + H₂  （式一）
Be + 2 OH^– + 2 H₂O → Be(OH)₄^2- + H₂  （式二）

鹼土金屬的電子組態為ns²，最外層的s軌域上有兩顆電子，因此鹼土金屬要達到穩定的惰性氣體電子組態，最直接的方式就是捨去兩顆電子，故鹼土金屬在化合物當中，幾乎都是以二價陽離子(M²⁺)的形式存在。受原子電子組態影響，鹼土金屬的電子親和力(Electron affinity)很小，因為得到一顆電子變成ns²np¹，破壞了原本穩定的電子組態，甚至體積較小的鈹和鎂之電子親和力 ≥ 0，變成吸熱反應。鹼土金屬的電負度(Electronegativity)約為1，比鹼金屬略高，唯一例外是鈹，鈹的電負度為 1.57。

一般而言鹼土金屬容易與非金屬尤其是鹵素，形成離子化合物，然而鈹的非金屬化合物卻多是共價的，和鈹原子太小、擁有較高電負度有關。鹼土金屬大多透過電解法電解鹵化物製得或是其氧化物在高溫下被鋁還原而得。

鎂與鈣在生物體當中扮演了重要的角色：通常是在酵素、葉綠素，以及骨骼當中。人類吸收鍶跟吸收鈣一樣，有少數水生生物透過其來建立骨骼；硫酸鋇是X-光攝影中所使用造影劑的主要成份。

資料來源
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5^th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 876-878.
2. Miessler, G. L.; Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, 3rd edition; Pearson Education International: Upper Saddle River, 2006; pp. 253-254.
3. Wikipedia—Alkaline earth metal  http://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_earth_metal