鹼土金屬

主族元素(Main Group Elements)

主族元素(Main Group Elements)
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

主族元素,是指在元素週期表當中,s區(s-block)與p區(p-block)的元素。若用IUPAC對於元素的族的命名,則分別是1、2、13、14、15、16、17、18一共八個族的元素。在傳統對於族的CAS命名裡面,則分別是IA至VIIIA族元素。

12族的鋅、鎘、汞等元素,雖然說一般會併入d區的過渡金屬討論,然而其s與d軌域均填滿,因而具有一部份的主族元素性質,因此也有一些人主張,將12族元素算入主族元素。

主族元素佔據了宇宙,以及自然界、 生命體當中大部分的重要角色。組成生物體主要成分的碳、氫、氧、氮、磷、硫等,均是屬於主族元素當中的非金屬元素。主族元素除了氫以外,依照其性質,又有 鹼金屬、鹼土金屬、類金屬、半金屬、非金屬、鹵素、惰性氣體等分類。其中鹼金屬、鹼土金屬分別佔據了第1族與第2族,但不包含氫;而鹵素與惰性氣體則對應 了第17族與第18族。中間的13、14、15、16族,則較少有習慣稱呼;一般以硼族、碳族、氮族(pnictogen)、氧族(chalcogen) 等來表示。

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

鹼金屬和鹼土金屬

鹼金屬和鹼土金屬 (Alkali Metals and Alkaline Earth Metals)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鹼金屬元素的價層電子結構為ns1。由於每一個週期都是從鹼金屬元素開始的,因此鹼金屬元素的原子都比前一週期元素的原子多了一個電子層,它們的原子半徑在同一週期中都是最大的。鹼金屬原子的次外層具有惰性氣體原子的穩定電子層結構,對核電荷的遮蔽效應較大,所以它們的第一游離能在同一週期中是最小的。

鹼金屬原子很容易失去一個電子而呈+1氧化數,低游離能和低電負度使鹼金屬元素的金屬性很強。從鹼金屬元素具有很大的第二游離能來看,它們不會失去第二個電子,因此不會表現出其他氧化數。

鹼金屬元素和鹼土金屬元素在與非金屬元素化合時,雖然多以形成離子鍵為主,但在某些情況下仍呈現出一定程度的共價性。鋰和鈹元素由於原子半徑小,游離能較其他同族元素高,所以形成共價鍵的傾向比較顯著(少數鎂的化合物也是共價性較強);常常表現出與同族其他元素不同的化學性質。在同一族中,鹼金屬元素和鹼土金屬元素從上至下,原子半徑依次增大,游離能和電負度依次減小,金屬活潑性依次增強。

鹼金屬元素和鹼土金屬元素的金屬性很強,只能以化合物的形式存在於自然界中。鈣、鈉、鉀和鎂元素在地殼中的豐度均很高,而鋰、鈹、銣、銫含量很低屬於稀有金屬,鍅和鐳則為放射性元素。

鋇(Barium)

鋇(Barium)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鋇是一種柔軟、銀白色的鹼土金屬,因活性相當大,在自然界中沒有元素單質態自然產出。自然產出的礦物主要是不溶的硫酸鋇和碳酸鋇。

鹼土金屬的硫化物具有磷光現象,即它們在受到光的照射後在黑暗中會繼續發光一段時間。鋇正是因這一特性而開始被人們發現的。17世紀在義大利的波倫亞城(Bologna)有一個名叫卡仙羅拉(Casciarola)的鞋匠發現了當地出產的重晶石(硫酸鋇)的磷光現象。這一發現引起了當時學者們的研究,於是重晶石就被稱為”波倫亞石(Barium)”。

1779年瑞典化學家舍勒(Scheele K. w. 1742~1786)首次證明了重晶石不是石膏(硫酸鈣),也不是方解石(碳酸鈣)。他從重晶石中製備出一種新的土稱為Baryta重土(氧化鋇)。明確指出重土和石灰(氧化鈣)是不同的物質。一些化學家曾想把它分解但都沒有成功。直到1800年義大利物理學家伏打(Volta A. 1745~1827)發明電池後,重土才被分解。1808年英國化學家戴維(Davy H. 1778~1829)電解氧化鋇和氧化汞的混合物,首次獲得了金屬鋇。鋇被稱為Barium,名詞是源自重晶石的名稱。該詞源於希臘文bary,意思是”重的”,元素符號為Ba,中文為鋇。

鹼土金屬 (Alkaline Earth Metal)

鹼土金屬 (Alkaline Earth Metal)
台北市立第一女子高級中學二禮 20號 許佳蓁/台北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

鹼土金屬指的是元素週期表第二族(ⅡA族)的元素,包含鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)。鹼土金屬的性質提供週期表同族元素特性趨勢的極好例子。
鹼土金屬皆為銀白色,質地較柔軟,屬於密度較小的金屬。鹼土金屬雖然不如鹼金屬般快速地易與水反應,但它仍可和水反應形成鹼性氫氧化物。例如鈉和鉀在室溫中即可與水反應,而鎂則與高溫水蒸氣才可反應,鈣則只能與熱水反應。

鎂 (Magnesium)
高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鎂是地殼中分布最廣的元素之一,但由於它的化學性質活潑不易將它自化合物中分離出來,因此長期以來,化學家不能肯定它們作為元素單質存在。直至電池發明以後,利用電解的方式分離出鎂元素單質後,才被確定是元素。

1808年,英國化學家戴維(Davy H.)電解汞和氧化鎂的混合物,得到鎂汞齊,將鎂汞齊中的汞蒸餾後,就得到了銀白色的金屬鎂。

鎂的英文名稱為Magnesium,希臘文原意為”美格尼西亞”,因為在希臘的”美格尼西亞”城附近當時盛產一種稱為苦土的鎂礦(氧化鎂),古羅馬人把這種礦物稱為magnesia alba,”alba”的意思是白色的,意即”白色的美格尼西亞”,中文翻譯成鎂,元素符號為Mg。

鈹元素的發現

鈹元素的發現
北一女中江慧玉老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

綠柱石 (Beryl) 的名字來自希臘文的 βερυλλος,是一種如海水般湛藍翠綠、晶瑩光耀的寶石,除了擁有一副漂亮誘人的外表,而且其中含有一種珍貴的金屬─鈹,鈹 (beryllium) 的名字正是源於綠柱石。綠柱石屬於鈹鋁環矽酸鹽 (beryllium aluminum cyclosilicate),化學式為Be3Al2(SiO3)6。純的beryl應該是無色的六邊形結晶,其顏色是來自於參雜的其他金屬,祖母綠或翡翠的顏色是含有三價的鉻離子。