Comportamento fisico e chimico

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Comportamento fisico e chimico

Gli elementi alcalino-terrosi sono altamente metallici e sono buoni conduttori di elettricità. Hanno una lucentezza grigio-bianca quando sono appena tagliati, ma si appannano facilmente all’aria, in particolare i membri più pesanti del gruppo. Il berillio è sufficientemente duro per graffiare il vetro, ma il bario è solo leggermente più duro del piombo. I punti di fusione (mp) e di ebollizione (bp) del gruppo sono superiori a quelli dei corrispondenti metalli alcalini; variano in modo irregolare, il magnesio ha il più basso (mp 650 °C e bp 1.090 °C ) e berillio il più alto (mp 1.287 °C e bp circa 2.471 °C ). Gli elementi cristallizzano in una o più delle tre forme cristalline metalliche regolari e ravvicinate.

Chimicamente, sono tutti forti agenti riducenti. I metalli liberi sono solubili in ammoniaca liquida, le soluzioni blu scuro di calcio, stronzio e bario suscitano un notevole interesse perché si pensa che contengano ioni metallici e le specie più insolite, elettroni solvatati, o elettroni derivanti dall’interazione del metallo e il solvente. Soluzioni altamente concentrate di questi elementi hanno un aspetto metallico, simile al rame, e l’ulteriore evaporazione produce residui contenenti ammoniaca (ammoniti), che corrispondono alla formula generale M(NH3)6. Con il tempo, gli ammoniati si decompongono per formare le ammidi, M(NH2)2. Le soluzioni sono forti agenti riducenti e sono utili in un certo numero di processi chimici.

Gli atomi degli elementi alcalino-terrosi hanno tutti strutture elettroniche simili, costituite da una coppia di elettroni (designati elettroni s) in un orbitale più esterno, all’interno del quale si trova una configurazione elettronica stabile corrispondente a quella di un gas nobile. Gli elementi dei gas nobili – elio (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xeno (Xe) e radon (Rn) – hanno generalmente gusci elettronici completi. Lo stronzio ha la configurazione 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2, che può essere scritto come 5s2. Allo stesso modo, il berillio può essere designato come 2s2, il magnesio come 3s2, il calcio come 4s2, il bario come 6s2 e il radio come 7s2. Le linee prominenti negli spettri atomici degli elementi, ottenuti quando gli elementi sono riscaldati in determinate condizioni, derivano da stati dell’atomo in cui uno dei due elettroni s è stato promosso a un orbitale di energia superiore.

Gli elettroni s sono relativamente facilmente ionizzati (rimossi dall’atomo), e questa ionizzazione è la caratteristica della chimica delle terre alcaline. L’energia di ionizzazione (l’energia richiesta per togliere un elettrone dall’atomo) scende continuamente nella serie dal berillio (9,32 elettronvolt) al bario (5,21 eV); il radio, il più pesante del gruppo, ha un’energia di ionizzazione leggermente superiore (5,28 eV). Le piccole irregolarità osservate nel cambiamento altrimenti regolare man mano che si procede verso il basso del gruppo come appare nella tavola periodica si spiegano con il riempimento non uniforme dei gusci di elettroni nelle righe successive della tavola. Gli elettroni s possono anche essere promossi ad orbitali p dello stesso numero quantico principale (all’interno dello stesso guscio) da energie simili a quelle richieste per formare legami chimici; gli atomi più leggeri sono, quindi, in grado di formare strutture stabili di legame covalente, a differenza dell’elio, che ha la configurazione elettronica altrimenti analoga di 1s2.

Nella maggior parte dei casi la chimica di questi elementi è dominata dalla formazione e dalle proprietà degli ioni M2+ doppiamente carichi, in cui gli elettroni s più esterni sono stati rimossi dall’atomo metallico. Lo ione risultante è stabilizzato dall’interazione elettrostatica con un solvente, come l’acqua, che ha un’alta costante dielettrica e una grande capacità di assorbire la carica elettrica, o dalla combinazione con ioni di carica opposta in un reticolo ionico come si trova nei sali. L’energia extra richiesta per rimuovere il secondo elettrone s (la seconda energia di ionizzazione è circa il doppio della prima) è più che compensata dall’energia di legame extra presente nello ione doppiamente carico. La rimozione di un terzo elettrone da un atomo di terra alcalina, tuttavia, richiederebbe un dispendio di energia maggiore di quello che potrebbe essere recuperato da qualsiasi ambiente chimico conosciuto. Di conseguenza, i metalli alcalino-terrosi mostrano uno stato di ossidazione non maggiore di +2 nei loro composti.

Come si addice alla dimensione crescente dei loro nuclei interni, i raggi degli ioni degli elementi alcalino-terrosi aumentano costantemente da Be2+, che ha un raggio di 0,27 angstrom (Å; 1 Å = 10-8 cm) per un numero di coordinazione di 4 (cioè, con quattro ioni o altre molecole legate ad esso), a Ra2+, con un raggio di 1,48 Å e un numero di coordinazione di 8.

Alcune proprietà dei metalli alcalino-terrosi sono presentate nella tabella.