Comportement physique et chimique

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Comportement physique et chimique

Les éléments alcalino-terreux sont hautement métalliques et sont de bons conducteurs d’électricité. Ils ont un lustre gris-blanc lorsqu’ils sont fraîchement coupés mais se ternissent facilement à l’air, en particulier les membres les plus lourds du groupe. Le béryllium est suffisamment dur pour rayer le verre, mais le baryum n’est que légèrement plus dur que le plomb. Les points de fusion (mp) et d’ébullition (bp) du groupe sont plus élevés que ceux des métaux alcalins correspondants ; ils varient de façon irrégulière, le magnésium ayant le plus bas (mp 650 °C et bp 1 090 °C ) et le béryllium le plus haut (mp 1 287 °C et bp environ 2 471 °C ). Les éléments cristallisent sous une ou plusieurs des trois formes de cristaux métalliques réguliers et serrés.

Chimiquement, ce sont tous de puissants agents réducteurs. Les métaux libres sont solubles dans l’ammoniac liquide, les solutions bleu foncé de calcium, strontium et baryum suscitant un intérêt considérable car on pense qu’elles contiennent des ions métalliques et les espèces les plus inhabituelles, des électrons solvatés, ou des électrons résultant de l’interaction du métal et du solvant. Les solutions très concentrées de ces éléments ont un aspect métallique, semblable à celui du cuivre, et une évaporation ultérieure produit des résidus contenant de l’ammoniac (ammoniates), qui correspondent à la formule générale M(NH3)6. Avec le temps, les ammoniates se décomposent pour former les amides, M(NH2)2. Ces solutions sont de puissants agents réducteurs et sont utiles dans un certain nombre de processus chimiques.

Les atomes des éléments alcalino-terreux ont tous des structures électroniques similaires, constituées d’une paire d’électrons (désignés électrons s) dans une orbitale la plus externe, à l’intérieur de laquelle se trouve une configuration électronique stable correspondant à celle d’un gaz noble. Les éléments des gaz nobles – hélium (He), néon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xénon (Xe) et radon (Rn) – ont des enveloppes électroniques généralement complètes. Le strontium a la configuration 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2, qui peut s’écrire 5s2. De même, le béryllium peut être désigné par 2s2, le magnésium par 3s2, le calcium par 4s2, le baryum par 6s2 et le radium par 7s2. Les raies proéminentes dans les spectres atomiques des éléments, obtenues lorsque les éléments sont chauffés dans certaines conditions, proviennent des états de l’atome dans lesquels l’un des deux électrons s a été promu à une orbitale de plus haute énergie.

Les électrons s sont relativement facilement ionisés (retirés de l’atome), et cette ionisation est la caractéristique de la chimie alcalino-terreuse. L’énergie d’ionisation (l’énergie nécessaire pour arracher un électron à l’atome) diminue continuellement dans la série allant du béryllium (9,32 électron-volts ) au baryum (5,21 eV) ; le radium, le plus lourd du groupe, a une énergie d’ionisation légèrement supérieure (5,28 eV). Les petites irrégularités observées dans l’évolution, par ailleurs régulière, du groupe tel qu’il apparaît dans le tableau périodique s’expliquent par le remplissage inégal des coquilles électroniques dans les rangées successives du tableau. Les électrons s peuvent également être promus vers des orbitales p du même nombre quantique principal (dans la même coquille) par des énergies similaires à celles requises pour former des liaisons chimiques ; les atomes plus légers sont donc capables de former des structures stables liées par covalence, contrairement à l’hélium, qui a la configuration électronique autrement analogue de 1s2.

Dans la plupart des cas, la chimie de ces éléments est dominée par la formation et les propriétés des ions M2+ doublement chargés, dans lesquels les électrons s les plus extérieurs ont été dépouillés de l’atome métallique. L’ion résultant est stabilisé par interaction électrostatique avec un solvant, comme l’eau, qui a une constante diélectrique élevée et une grande capacité d’absorption des charges électriques, ou par combinaison avec des ions de charge opposée dans un réseau ionique tel qu’on le trouve dans les sels. L’énergie supplémentaire nécessaire à l’élimination du deuxième électron s (la deuxième énergie d’ionisation étant approximativement le double de la première) est plus que compensée par l’énergie de liaison supplémentaire présente dans l’ion doublement chargé. Cependant, l’élimination d’un troisième électron d’un atome alcalino-terreux nécessiterait une dépense d’énergie supérieure à celle qui pourrait être récupérée dans tout environnement chimique connu. Par conséquent, les métaux alcalino-terreux présentent un état d’oxydation qui n’est pas supérieur à +2 dans leurs composés.

Comme il convient à la taille croissante de leurs noyaux internes, les rayons des ions des éléments alcalino-terreux augmentent régulièrement à partir de Be2+, qui a un rayon de 0,27 angstrom (Å ; 1 Å = 10-8 cm) pour un nombre de coordination de 4 (c’est-à-dire, avec quatre ions ou autres molécules qui lui sont liés), à Ra2+, dont le rayon est de 1,48 Å et le nombre de coordination de 8.

Certaines propriétés des métaux alcalino-terreux sont présentées dans le tableau.