알칼리 토금속
Alkaline earth metal| 알칼리 토금속 | |||||||||||
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알칼리 토금속은 주기율표의 그룹 2에 있는 6개의 화학 원소입니다.그것들은 베릴륨 (Be), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 라듐 (Ra)입니다.[1]이 원소들은 매우 유사한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 모두 광택이 나고 은백색이며 표준 온도와 압력에서 다소 반응성이 있는 금속입니다.[2]
헬륨과 함께 이들 원소는 공통적으로 꽉 찬 외부 궤도를 가지고 있습니다.[2][3][4] 즉, 이 궤도는 알칼리 토금속이 쉽게 손실되어 +2의 전하와 +2의 산화 상태를 가진 양이온을 형성하는 두 개의 전자의 완전한 상보체를 포함합니다.[5]헬륨은 알칼리 토금속이 아닌 희가스와 함께 그룹화되어 있지만, 강제로 결합될 때 베릴륨과 유사한 점이 있다는 이론이 있으며 때때로 그룹 2에 속한다고 제안되기도 합니다.[6][7][8]
라듐이 우라늄과 토륨의 붕괴 사슬을 통해서만 발생하고 원시 원소로 발생하지는 않지만, 발견된 모든 알칼리 토금속은 자연에서 발생합니다.[9]그룹의 다음 잠재적 구성원인 원소 120을 합성하려는 실험은 모두 성공적이지 못했습니다.
특성.
화학의
다른 그룹과 마찬가지로 이 제품군의 구성원들은 전자 구성, 특히 가장 바깥쪽 껍질의 패턴을 보여 화학적 행동의 경향을 보입니다.
| Z | 요소 | 전자/쉘 수 | 전자배치[n1] |
|---|---|---|---|
| 4 | 베릴륨 | 2, 2 | [그] 2s2 |
| 12 | 마그네슘 | 2, 8, 2 | [Ne] 3s2 |
| 20 | 칼슘 | 2, 8, 8, 2 | [Ar] 4s2 |
| 38 | 스트론튬 | 2, 8, 18, 8, 2 | [Kr] 5s2 |
| 56 | 바륨 | 2, 8, 18, 18, 8, 2 | [Xe] 6s2 |
| 88 | 라듐 | 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 | [Rn] 7s2 |
대부분의 화학 작용은 처음 다섯 명의 그룹에서만 관찰되었습니다.라듐의 화학적 성질은 방사능 때문에 잘 확립되어 있지 않습니다.[2] 따라서 여기서 라듐의 성질을 제시하는 것은 제한적입니다.
알칼리 토금속은 모두 은빛이고 부드러우며 밀도, 녹는점, 끓는점이 상대적으로 낮습니다.화학적인 측면에서, 모든 알칼리 토금속은 할로겐과 반응하여 알칼리 토금속 할로겐화물을 형성하는데, 이들은 모두 이온성 결정성 화합물입니다(공유 성분인 염화 베릴륨, 브롬화 베릴륨, 요오드화 베릴륨은 제외).베릴륨을 제외한 모든 알칼리 토금속 또한 물과 반응하여 강한 알칼리 수산화물을 생성하므로 주의하여 취급해야 합니다.무거운 알칼리 토금속은 가벼운 토금속보다 더 강하게 반응합니다.[2]알칼리 토금속은 유효 핵 전하가 다소 낮고 전자 2개만 잃으면 완전한 외피 구성을 얻을 수 있기 때문에 주기율표의[4] 각 주기에서 두 번째로 낮은 첫 번째 이온화 에너지를 가지고 있습니다.모든 알칼리 금속의 두 번째 이온화 에너지 또한 다소 낮습니다.[2][4]
베릴륨은 예외입니다.매우 높은 온도에서가 아니면 물이나 증기와 반응하지 않으며 할로겐화물은 공유결합을 합니다.[10]만약 베릴륨이 +2의 이온화 상태를 가진 화합물을 형성한다면, 베릴륨은 높은 전하 밀도를 가지고 있기 때문에 그 근처에 있는 전자 구름을 매우 강하게 편광시키고 광범위한 궤도 중첩을 일으킬 것입니다.베릴륨을 포함하는 모든 화합물은 공유 결합을 가집니다.[11]이온성 베릴륨 화합물인 플루오르화 베릴륨 화합물도 용융 시 융점이 낮고 전기전도도가 낮습니다.[12][13][14]
모든 알칼리 토금속은 원자가 껍질에 두 개의 전자를 가지고 있기 때문에, 채워진 전자 껍질을 얻을 때 에너지적으로 선호되는 상태는 두 개의 전자를 잃어 두 배로 대전된 양이온을 형성하는 것입니다.
화합물 및 반응물
알칼리 토금속은 모두 할로겐과 반응하여 염화칼슘(CaCl
2)과 같은 이온성 할로겐화물을 형성하고 산소와 반응하여 산화스트론튬(SrO)과 같은 산화물을 형성합니다.칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 반응하여 수소 가스와 각각의 수산화물(마그네슘도 반응하지만 훨씬 더 느리게 반응함)을 생성하고 또한 리간드를 교환하기 위한 트랜스메탈화 반응을 겪습니다.
물리 및 원자
| 알칼리 토금속 | 표준원자량 (u)[n 2][20][21] | 융점 (K) | 융점 (°C) | 비등점 (K)[4] | 비등점 (°C)[4] | 밀도 (g/cm3) | 전기 음성도 (폴링) | 1차 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 공유반경 (pm)[22] | 화염시험색 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 베릴륨 | 9.012182(3) | 1560 | 1287 | 2742 | 2469 | 1.85 | 1.57 | 899.5 | 105 | 화이트[23] | |
| 마그네슘 | 24.3050(6) | 923 | 650 | 1363 | 1090 | 1.738 | 1.31 | 737.7 | 150 | 브릴리언트 화이트[2] | |
| 칼슘 | 40.078(4) | 1115 | 842 | 1757 | 1484 | 1.54 | 1.00 | 589.8 | 180 | 브릭레드[2] |  |
| 스트론튬 | 87.62(1) | 1050 | 777 | 1655 | 1382 | 2.64 | 0.95 | 549.5 | 200 | 크림슨[2] |  |
| 바륨 | 137.327(7) | 1000 | 727 | 2170 | 1897 | 3.594 | 0.89 | 502.9 | 215 | 애플그린[2] | |
| 라듐 | [226][n 3] | 973 | 700 | 2010 | 1737 | 5.5 | 0.9 | 509.3 | 221 | 진홍색[n 4] | |
원자력 안정성
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6개의 알칼리 토금속 중 베릴륨, 칼슘, 바륨, 라듐은 적어도 하나의 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소를 가지고 있고 마그네슘과 스트론튬은 그렇지 않습니다.베릴륨-7, 베릴륨-10, 칼슘-41은 미량 방사성 동위 원소입니다. 칼슘-48과 바륨-130은 이중 베타 붕괴에 의해서만 붕괴되고 반감기가 매우 길기 때문에 (우주의 나이보다 더 길기 때문에) 원시 방사성 핵종입니다. 라듐의 모든 동위 원소는 방사성입니다.칼슘-48은 이중 베타 붕괴를 겪는 가장 가벼운 핵종입니다.[25]칼슘과 바륨은 약한 방사능을 가지고 있습니다: 칼슘은 약 0.1874%의 칼슘-48을 함유하고 [26]바륨은 약 0.1062%의 바륨-130을 함유하고 있습니다.[27]라듐의 동위 원소 중 가장 오래 생존한 것은 1600년의 반감기를 가진 라듐-226이며, 라듐-223, -224, -228은 원시 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서 자연적으로 생성됩니다.베릴륨-8은 생성될 때마다 거의 순간적으로 두 개의 알파 입자로 붕괴되기 때문에 존재하지 않음으로써 두드러집니다.항성의 삼중 알파 과정은 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째 알파 입자를 만날 수 있을 정도의 에너지에서만 일어날 수 있습니다.이것이 대부분의 주계열성들이 수십억 년 동안 수소를 태우는데 시간을 보내는 이유이지만, 적색 거성 단계에서 헬륨 연소를 시작하는 것은 결코 혹은 잠시뿐입니다.스트론튬-90은 우라늄 핵분열의 일반적인 핵분열 생성물이며, 자발적 핵분열로 인한 우라늄 내의 소량의 세속적인 평형 농도뿐만 아니라 인간이 만든 핵반응에 의해 상당한 양이 생성되었습니다.알칼리 토금속의 방사성동위원소는 칼슘과 화학적으로 유사하게 작용하기 때문에 보통 "뼈를 찾는 사람"이고, 그들이 그곳에 축적되면 골수(급격하게 분열하는 조직)에 심각한 해를 끼칠 수 있습니다.이 성질은 방사성 핵종이 몸의 나머지 부분을 다치지 않게 하면서 뼈의 암 성장을 목표로 할 수 있도록 하기 때문에 특정 뼈 암의 방사선 치료에도 사용됩니다.
주기율표의 이웃에 비해 알칼리 토금속은 짝수 개의 양성자를 가지고 있고, 짝수 개의 양성자와 짝수 개의 중성자를 가진 동위원소가 핵자 쌍성 효과로 인해 더 안정적인 경향이 있습니다.
역사
어원
알칼리 토금속의 이름은 산화물인 알칼리 토금속의 이름을 따서 지어졌는데, 그 옛날 이름은 베릴리아, 마그네시아, 라임, 스트론티아, 바리아였습니다.이 산화물들은 물과 결합할 때 염기성(알칼리성)입니다."지구"는 초기 화학자들이 물에 녹지 않고 가열에 강한 비금속 물질(이 산화물이 공유하는 성질)에 적용한 용어였습니다.이 지구들이 원소가 아니라 화합물이라는 사실은 화학자 Antoine Lavoisier 덕분입니다.1789년 그의 화학 원소론(Traité Elémentaire de Chimie)에서 그는 그것들을 소금을 형성하는 흙 원소라고 불렀습니다.나중에, 그는 알칼리 토류가 금속 산화물일 수도 있다고 제안했지만, 이것은 단지 추측에 불과하다는 것을 인정했습니다.1808년, 험프리 데이비는 라부아지에의 아이디어에 따라 최초로 용융토를 전기 분해하여 금속의 샘플을 얻은 사람이 되었고,[28] 따라서 라부아지에의 가설을 지지하고 알칼라인 토금속으로 그룹을 명명하게 되었습니다.
디스커버리
칼슘 화합물인 석회석과 석회는 선사시대부터 알려져 있고 사용되어 왔습니다.[29]베릴륨 화합물인 베릴과 에메랄드도 마찬가지입니다.[30]알칼리 토금속의 다른 화합물들은 15세기 초에 발견되었습니다.마그네슘 화합물 마그네슘 황산염은 1618년 영국 엡솜의 한 농부에 의해 처음 발견되었습니다.탄산 스트론튬은 1790년 스코틀랜드의 스트론티안 마을에서 광물질에서 발견되었습니다.마지막 원소는 가장 덜 풍부합니다: 1898년에 우라늄에서 추출된 방사성 라듐입니다.[31][32][33]
베릴륨을 제외한 모든 원소는 용융된 화합물의 전기분해로 분리되었습니다.마그네슘, 칼슘, 스트론튬은 1808년 험프리 데이비에 의해 처음으로 생산된 반면, 베릴륨은 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 부시에 의해 독립적으로 칼륨과 베릴륨 화합물을 반응시켜 분리되었습니다.1910년 퀴리와 앙드레 루이 드비에르네는 라듐을 전기 분해를 통해 순수 금속으로 분리했습니다.[31][32][33]
베릴륨
베릴륨을 함유하고 있는 광물인 베릴은 이집트 프톨레마이오스 왕조 시대부터 알려져 왔습니다.[30]원래 베릴은 알루미늄 규산염으로 생각되었지만,[34] 1797년 루이 니콜라스 보켈린이 베릴로부터 수산화 알루미늄을 알칼리에 녹였을 때 베릴은 당시 알려지지 않은 원소를 함유하고 있는 것으로 밝혀졌습니다.[35]1828년, 프리드리히 뵐러와[36] 앙투안 부시는[37] 염화 베릴륨과 금속 칼륨의 반응을 포함하는 같은 방법으로 이 새로운 원소인 베릴륨을 독립적으로 분리했습니다. 이 반응은 큰 베릴륨 주괴를 생성할 수 없었습니다.[38]1898년 폴 르보(Paul Lebeau)가 플루오르화 베릴륨과 플루오르화 나트륨의 혼합물을 전기분해한 후에야 비로소 베릴륨의 대규모 순수 샘플이 생산되었습니다.[38]
마그네슘
마그네슘은 1808년 영국의 험프리 데이비(Humphry Davy)에 의해 마그네시아와 산화 수은의 혼합물의 전기 분해를 이용하여 처음으로 생산되었습니다.[39]앙투안 부시는 1831년에 일관된 형태로 그것을 준비했습니다.데이비가 처음 제안한 이름은 마그늄이었지만 [39]지금은 마그네슘이라는 이름이 사용되고 있습니다.
칼슘
석회는 기원전 7000년부터 14,000년까지 건축 재료로 사용되었으며,[29] 석회로 사용된 가마는 메소포타미아의 카파자에서 기원전 2,500년까지 거슬러 올라갑니다.[40][41]재료로서의 칼슘은 고대 로마인들이 석회로부터 그것을 제조하여 산화칼슘을 사용했다고 알려져 있기 때문에 적어도 1세기부터 알려져 왔습니다.황산칼슘은 10세기부터 부러진 뼈를 세울 수 있는 것으로 알려져 왔습니다.그러나 칼슘 자체는 1808년 영국의 험프리 데이비가 석회와 수은산화물의 혼합물에 전기분해를 사용한 후 [42]존즈 야콥 베르젤리우스가 수은에 석회의 전기분해로부터 칼슘 아말감을 제조했다는 소식을 듣고 나서야 분리되었습니다.
스트론튬
1790년 의사 Adair Crawford가 독특한 성질을 가진 광석을 발견했고,[43] 이 광석은 1793년 크로포드의 발견을 확인한 글래스고 대학의 화학 교수 Thomas Charles Hope에 의해 스트론타이트로 명명되었습니다.스트론튬은 결국 1808년 험프리 데이비에 의해 염화 스트론튬과 산화 수은의 혼합물의 전기 분해로 분리되었습니다.이 발견은 1808년 6월 30일 데이비가 왕립학회 강연에서 발표한 것입니다.[44]
바륨
바륨을 함유한 광물인 바라이트는 산화바륨만을 분리할 수 있었지만, 1774년 칼 셸에 의해 새로운 원소를 함유하고 있는 것으로 처음 인정되었습니다.산화바륨은 2년 후 요한 고틀립 간에 의해 다시 분리되었습니다.18세기 후반, 윌리엄 위딩은 컴벌랜드 납 광산에서 무거운 광물을 발견했는데, 현재 바륨을 함유하고 있는 것으로 알려져 있습니다.바륨 자체는 1808년 험프리 데이비가 용융염을 이용한 전기 분해를 이용하여 마침내 분리되었고, 데이비는 바륨이라는 원소를 바륨의 이름을 따서 지었습니다.나중에 로버트 분센과 아우구스투스 마티센은 염화 바륨과 염화 암모늄의 혼합물을 전기 분해하여 순수한 바륨을 분리했습니다.[45][46]
라듐
1898년 12월 21일, 마리와 피에르 퀴리는 우라늄을 연구하던 중 우라늄이 부패한 후에도 방사성 물질이 존재한다는 것을 발견했습니다.이 물질은 바륨 화합물과 다소 유사하게 작용했지만 불꽃 테스트의 색상과 스펙트럼 라인과 같은 일부 특성은 크게 다릅니다.그들은 1898년 12월 26일 프랑스 과학 아카데미에 새로운 원소의 발견을 발표했습니다.[47]라듐은 1899년에 라듐이 광선의 형태로 힘을 방출하기 때문에 광선을 의미하는 반지름이라는 단어에서 이름이 붙여졌습니다.[48]
발생
베릴륨은 지구의 지각에서 100만분의 2에서 6ppm의 농도로 발생하며,[49] 대부분은 토양에서 발생하며 6ppm의 농도를 가지고 있습니다.베릴륨은 바닷물에서 가장 희귀한 원소 중 하나로, 스칸듐과 같은 원소보다 훨씬 더 희귀하며, 1조 당 0.2 parts의 농도를 가지고 있습니다.[50][51]그러나 담수에서 베릴륨은 10억분의 0.1 parts의 농도로 다소 더 흔합니다.[52]
마그네슘과 칼슘은 각각 다섯 번째로 풍부한 원소들 중 다섯 번째로 많은 여덟 번째로 지각에서 매우 흔합니다.알칼리 토금속은 원소 상태로 발견되지 않습니다.마그네슘을 함유한 일반적인 광물은 카르날라이트, 마그네슘, 돌로마이트입니다.칼슘을 함유한 일반적인 미네랄은 분필, 석회석, 석고, 무수물 등입니다.[2]
스트론튬은 지각에서 15번째로 풍부한 원소입니다.주요 광물은 셀레스타이트와 스트론티아나이트입니다.[53]바륨은 약간 덜 흔하며, 대부분은 광물 바라이트 안에 있습니다.[54]
우라늄의 붕괴 생성물인 라듐은 모든 우라늄을 함유한 광석에서 발견됩니다.[55]상대적으로 짧은 반감기 때문에 [56]지구 초기 역사의 라듐은 붕괴되었고, 현재의 샘플들은 모두 우라늄의 훨씬 더 느린 붕괴로부터 왔습니다.[55]
생산.
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대부분의 베릴륨은 수산화 베릴륨에서 추출됩니다.하나의 제조 방법은 소결이고, 베릴, 플루오로규산나트륨 및 탄산음료를 고온에서 혼합하여 플루오로베릴산나트륨, 산화알루미늄 및 이산화규소를 형성합니다.플루오로베릴산나트륨과 수산화나트륨을 물에 녹인 용액은 침전에 의해 수산화베릴륨을 형성하는데 사용됩니다.또는 용융법에서는 분말화된 베릴을 고온으로 가열하여 물로 냉각한 후 황산에서 다시 약간 가열하여 수산화 베릴륨을 생성합니다.어느 방법이든 수산화 베릴륨은 그 후 다소 긴 과정을 거쳐 플루오르화 베릴륨과 염화 베릴륨을 생성합니다.이들 화합물을 전기 분해하거나 가열하면 베릴륨이 생성됩니다.[11]
일반적으로 탄산 스트론튬은 두 가지 방법을 통해 광물 셀레스타이트로부터 추출됩니다: 탄산나트륨으로 셀레스타이트를 침출하거나 석탄을 포함하는 더 복잡한 방법입니다.[57]
바륨을 생성하기 위해, 바라이트(불순한 황산바륨)는 (코크스와 같은) 발열 환원에 의해 황화바륨으로 변환됩니다.황화물은 수용성이고 쉽게 반응하여 순수한 황산바륨을 형성하며, 상업용 안료 또는 질산바륨과 같은 다른 화합물에 사용됩니다.이들은 차례로 산화바륨으로 소성되어 알루미늄으로 환원된 후 순수한 바륨을 생성합니다.[54]바륨의 가장 중요한 공급처는 중국으로 전 세계 공급량의 50% 이상을 생산하고 있습니다.[58]
적용들
베릴륨은 주로 군사적 용도로 사용되지만 [59]비군사적 용도는 존재합니다.전자제품에서 베릴륨은 일부 반도체에서 p형 도펀트로 사용되며,[60] 산화베릴륨은 고강도 전기절연체 및 열전도체로 사용됩니다.[61]베릴륨 합금은 넓은 온도 범위에서 강성, 경량성 및 치수 안정성이 요구되는 경우 기계 부품에 사용됩니다.[62][63]베릴륨-9는 소규모 중성자 공급원에서 사용되는데, 이는 제임스 채드윅이 중성자를 발견했을 때 사용한 반응인 Be + He (α) → C + n의 반응을 사용합니다.낮은 원자량과 낮은 중성자 흡수 단면은 베릴륨을 중성자 감속재로 적합하게 만들지만, 높은 가격과 물, 중수, 핵 흑연과 같은 쉽게 구할 수 있는 대안은 이것을 틈새 용도로 제한해 왔습니다.용융염 반응기에 사용되는 FLiBe 공융제에서 베릴륨의 감속제 역할은 그 사용으로 이어지는 바람직한 특성보다 더 부수적입니다.
마그네슘은 많은 용도를 가지고 있습니다.알루미늄과 같은 다른 구조 재료에 비해 장점이 있지만, 마그네슘의 사용은 가연성 때문에 방해를 받습니다.[64]마그네슘은 강도와 내식성을 높이기 위해 알루미늄, 아연 및 망간과 합금화되는 경우가 많습니다.[65]마그네슘은 철과 강철의 생산,[further explanation needed] 티타늄 생산을 위한 Kroll 공정과 같은 다른 많은 산업적 응용들을 가지고 있습니다.[66]
칼슘은 광석으로부터 우라늄과 같은 다른 금속을 분리할 때 환원제로 사용됩니다.이것은 많은 합금, 특히 알루미늄과 구리 합금의 주요 구성 요소이며, 또한 합금의 산화를 제거하는 데 사용됩니다.칼슘은 치즈, 박격포, 시멘트를 만드는 역할을 합니다.[67]
스트론튬과 바륨은 더 가벼운 알칼리 토금속보다 응용이 적습니다.탄산 스트론튬은 적색 불꽃 제조에 사용됩니다.[68]순수 스트론튬은 신경전달물질 방출 연구에 사용됩니다.[69][70]방사성 스트론튬-90은 붕괴열을 이용하는 [71][72]RTG에 사용됩니다.바륨은 가스를 제거하는 게터로서 진공관에 사용됩니다.[54]황산바륨은 석유 산업과 [4]다른 산업에서 많은 용도를 가지고 있습니다.