Nel 2020, il telescopio spaziale Spitzer è stato ritirato dalla NASA dopo 17 anni di servizio. Aveva osservato l'attività dell'universo nell'infrarosso, fornendo una visione unica di aree dello spazio precedentemente nascoste. Era dotato di strumenti in grado di rilevare lunghezze d'onda che andavano da soli 3,6 μm fino a 160 μm e utilizzava uno specchio di quasi 1 metro di diametro per focalizzare e riflettere la luce. Lo specchio è stato raffreddato alla temperatura di 5,5 K ovvero -268 °C!
Ma non è questo il motivo per cui suscita il nostro interesse. Quello che ci interessa, è il materiale con cui è stato costruito. Lo specchio è stato realizzato in berillio, un elemento del gruppo 2, i metalli alcalino-terrosi.
- Questo articolo tratta gli elementi del gruppo 2 in chimica inorganica.
- Inizieremo fornendo una panoramica degli elementi del gruppo 2.
- In seguito esamineremo le proprietà degli elementi del gruppo 2, tra cui il raggio atomico, l'energia di prima ionizzazione, la solubilità e la reattività.
- In seguito, considereremo gli usi del gruppo 2.
- Infine, si analizzerà come analizzare gli elementi del gruppo 2.
Metalli alcalino-terrosi del gruppo 2
Guarda la tavola periodica qui sotto. La colonna in rosa mostra un gruppo particolare, il gruppo 2.
Figura 1. Evidenziato il gruppo II della tavola periodica.
Il gruppo 2 è un gruppo di elementi metallici nella tavola periodica. Questi, sono anche conosciuti come metalli alcalino-terrosi.
Il gruppo 2, contiene sei elementi:
- Berillio (Be)
- Magnesio (Mg)
- Calcio (Ca)
- Stronzio (Sr)
- Bario (Ba)
- Radio (Ra)
Il radio è estremamente radioattivo e si presenta solo come parte delle catene di decadimento di elementi più pesanti come il torio e l'uranio. La maggior parte del radio presente in natura è il 226Ra, un isotopo con un tempo di dimezzamento di 1600 anni. Tuttavia, non è molto comune. Un chilogrammo di crosta terrestre contiene appena 900 picogrammi di radio, ovvero 9 x 10-10 grammi.
Attualmente, l'unica applicazione commerciale del radio è in medicina nucleare, dove può essere utilizzato per trattare alcuni tipi di cancro. Tuttavia, all'inizio del XX secolo è diventato famoso come fonte di radiazioni per la ciarlataneria radioattiva. Si tratta di una pseudoscienza che promuove impropriamente le radiazioni come cura per molte malattie. Ancora oggi si trovano centri termali che pubblicizzano con orgoglio le loro acque contenenti radio come cura per ogni sorta di malanni e disturbi.
Il calcio, invece, metallo del gruppo 2, è il quinto elemento più comune nella crosta terrestre. Ha molte applicazioni, come la produzione di saponi e cemento. Tuttavia, la sua funzione più importante è probabilmente nell'organismo. Il calcio è un elemento essenziale per molti organismi. Ad esempio, gli ioni di calcio aiutano a regolare la contrazione muscolare e la funzione nervosa negli animali. Le nostre ossa fungono da deposito di questi ioni. Una carenza di calcio può portare all'osteoporosi. Gli ioni calcio svolgono anche un ruolo strutturale nelle piante, contribuendo a formare la parete cellulare, la membrana cellulare e la lamella centrale.
Per saperne di più sull'effetto degli ioni calcio, consultare la Teoria dei filamenti scorrevoli.
Metalli alcalino-terrosi: proprietà
Gli elementi del gruppo 2 sono abbastanza simili. Fisicamente sono tutti metalli morbidi, lucidi, bianco-argentei, con punti di fusione, punti di ebollizione e densità relativamente bassi. Vediamo in dettaglio alcune delle loro proprietà.
Metalli alcalino-terrosi: configurazione elettronica
Tutti gli elementi del gruppo 2 hanno due elettroni nel loro guscio esterno. Questi elettroni si trovano in un orbitale s.
Se non sei sicuro di cosa stiamo parlando, consulta la sezione Configurazione degli elettroni per saperne di più sui diversi orbitali degli elettroni.
Figura 2. Configurazione elettronica del magnesio. Fonte: commons.wikimedia.org
Quando reagiscono, gli elementi del gruppo 2 perdono i loro due elettroni esterni per formare cationi con una carica di 2+ e uno stato di ossidazione pari a +2. Ciò significa che gli elementi del gruppo 2 formano composti ionici.
C'è un'eccezione alla regola: il berillio. Questo elemento forma infatti molecole covalenti ovvero composti non ionici. Vedremo il perché di questa situazione quando passeremo all'andamento dell'elettronegatività degli elementi del gruppo 2.
Metalli alcalino-terrosi: raggio atomico
Se hai letto le Proprietà Periodiche, dovresti essere in grado di prevedere come varia il raggio atomico degli elementi del gruppo 2 man mano che si scende nel gruppo. Come si può vedere nel grafico sottostante, il raggio atomico aumenta scendendo nel gruppo. Questo perché ogni elemento successivo ha più elettroni, con più gusci elettronici.
Figura 3. Raggio atomico degli elementi del gruppo due.
Abbiamo già visto la struttura elettronica del magnesio: ha 12 elettroni in tre gusci elettronici. L'elemento successivo del gruppo, il calcio, ha 20 elettroni distribuiti in quattro gusci elettronici. Ha quindi un raggio atomico maggiore.
Figura 4. Struttura elettronica e raggio atoico del magnesio e del calcio. Fonte: commons.wikimedia.org
Punti di fusione dei metalli alcalino-terrosi
In generale, i punti di fusione degli elementi del gruppo 2 diminuiscono man mano che si scende nel gruppo. Come solidi, i metalli formano reticoli metallici costituiti da cationi metallici positivi circondati da una marea di elettroni negativi delocalizzati, come mostrato di seguito.
Figura 5. Reticolo del calcio metallico.
Questo reticolo è tenuto insieme da una forte attrazione elettrostatica tra gli elettroni negativi e i nuclei dei cationi positivi. Ricordiamo che il raggio atomico aumenta man mano che si scende nel gruppo. Ciò significa che i nuclei sono più lontani dagli elettroni delocalizzati. Pertanto, l'attrazione elettrostatica è più debole. Pertanto, è necessaria meno energia per superarla e fondere il solido.
Figura 6. Punti di fusione degli elementi del gruppo 2.
Si noterà che il punto di fusione del magnesio non corrisponde all'andamento generale. Purtroppo, non c'è una spiegazione semplice per questo. Allo stesso modo, anche i punti di ebollizione dei metalli del gruppo 2 non mostrano un andamento chiaro. Ancora una volta, non c'è una spiegazione semplice.
Hai bisogno di ulteriori informazioni sui reticoli metallici? L'articolo legame metallico può aiutarti!
Metalli alcalino-terrosi: energia di prima ionizzazione
Esaminiamo ora le energie di prima ionizzazione degli elementi del gruppo 2.
L'energia di prima ionizzazione è l'energia necessaria per rimuovere una mole degli elettroni più liberi da una mole di atomi gassosi. Ogni atomo forma un catione con carica +1.
Puoi predire il suo andamento?
L'energia di ionizzazione diminuisce man mano che si scende nel gruppo 2. Anche in questo caso ciò è dovuto all'aumento del raggio atomico. Scendendo nel gruppo, l'elettrone più esterno è più lontano dal nucleo. Ciò significa che l'attrazione tra il nucleo e l'elettrone è più debole e quindi più facile da superare.
Figura 7. Energie di prima ionizzazione degli elementi del gruppo due.
Questo argomento è trattato in modo molto più approfondito in Andamento delle energie di ionizzazione.
Metalli alcalino-terrosi: elettronegatività
Ora consideriamo l'elettronegatività.
L'elettronegatività è la capacità di un atomo di attrarre una coppia di elettroni di legame.
In questo caso si applicano i principi di base dell'elettronegatività. L'elettronegatività diminuisce man mano che si scende nel gruppo nella tavola periodica. Come sappiamo, il raggio atomico aumenta man mano che si scende nel gruppo. Ciò significa che gli elettroni legati sono più lontani dal nucleo e quindi l'attrazione tra loro è più debole.
Si potrebbe anche ricordare dalla Polarità, che l'elettronegatività è influenzata dalla carica nucleare, ovvero dal numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo. Man mano che si scende nel gruppo, la carica nucleare aumenta, quindi si potrebbe pensare che l'elettronegatività aumenti.
Per spiegarlo, torniamo alle strutture del magnesio e del calcio. Il magnesio, con un numero atomico di 12, ha 12 protoni nel suo nucleo. Il calcio, invece, ne ha 20. Tuttavia, il magnesio ha 10 elettroni del guscio interno che schermano la carica di 10 di questi protoni. Il calcio, invece, ha 18 elettroni del guscio interno che proteggono la carica dei suoi protoni. In entrambi gli elementi, qualsiasi coppia di legami sentirebbe quindi solo l'attrazione dei due restanti protoni non schermati. La carica nucleare effettiva è la stessa. Ma poiché il calcio ha un raggio atomico maggiore, ha un'elettronegatività inferiore.
Ricordi che abbiamo detto che il berillio si comporta in modo un po' strano? Forma molecole covalenti invece di composti ionici. Questo perché è un atomo così piccolo e quindi ha un'elettronegatività più alta di tutti gli altri elementi del gruppo.
Prendiamo ad esempio il cloruro di berillio e il cloruro di magnesio. Il cloro è molto più elettronegativo del magnesio e una grande differenza di elettronegatività provoca un legame ionico. Gli atomi di cloro attraggono così fortemente gli elettroni del magnesio che quest'ultimo li cede completamente. Entrambi gli elementi formano ioni.
Figura 7. Cloruro di Magnesio. Un composto ionico.
D'altra parte, l'elettronegatività del berillio è abbastanza alta da non voler perdere i suoi elettroni. Al contrario, li mantiene e li condivide con il cloro in un legame covalente. Per questo motivo il berillio forma molecole covalenti anziché composti ionici.
Figura 8. Cloruro di berillio. Molecola covalente.
Solubilità dei metalli alcalino-terrosi
Come tutti i metalli, gli elementi del gruppo 2 sono insolubili in acqua. Tuttavia, i loro composti hanno solubilità diverse. Per saperne di più, consulta la sezione Composti del gruppo 2, ma ecco una panoramica:
Figura 9. La solubilità dei composti del gruppo 2.
Gli idrossidi diventano più solubili man mano che si scende nel gruppo, mentre i solfati diventano più solubili man mano che si sale nel gruppo.
Metalli alcalino-terrosi: reattività
L'ultima proprietà che analizzeremo è la reattività. Come la maggior parte dei metalli, gli elementi del gruppo 2 sono piuttosto reattivi. La loro reattività aumenta man mano che si scende nel gruppo. Come abbiamo visto in precedenza, gli elementi del gruppo 2 (ad eccezione del berillio) reagiscono sempre per formare ioni con una carica di 2+. Ciò richiede la rimozione di due elettroni del guscio esterno, in altre parole, i processi di prima e seconda ionizzazione. L'energia di ionizzazione diminuisce man mano che si scende nel gruppo, quindi è più facile rimuovere questi elettroni. Di conseguenza, la reattività aumenta.
Esploriamo alcune delle reazioni caratteristiche dei metalli del gruppo 2 in Reazioni del gruppo 2.
Test per i metalli alcalino-terrosi
All'inizio dell'articolo abbiamo detto che tutti gli elementi del gruppo 2 hanno un aspetto piuttosto simile. Sono tutti metalli argentei. Per questo motivo è difficile distinguerli. Tuttavia, un modo per distinguere i metalli del gruppo 2 è il test della fiamma. I diversi metalli bruciano producendo fiamme di colori diversi in un magnifico spettacolo di luce.
Prendi un anello di metallo pulito e immergilo nell'acido. Tenere l'ansa alla fiamma di un becco Bunsen fino a quando il colore non cambia. In questo modo si pulisce l'ansa. Successivamente, immergi l'ansa in un campione solido del tuo metallo e tienilo nuovamente sul becco Bunsen. Osserva il colore della fiamma prodotta. Con un po' di fortuna, si otterranno i seguenti risultati:
| Metallo | Colore |
| Calcio | Arancio-rosso |
| Stronzio | Rosso |
| Bario | Verde |
Si noti che il berillio e il magnesio non producono una fiamma colorata. Per distinguerli è necessario affidarsi ad altri test chimici.
Applicazioni dei metalli alcalino-terrosi
Focalizziamoci sulle applicazioni degli elementi del gruppo 2.
- Il calcio è il quinto elemento più abbondante nel corpo umano e svolge un ruolo importante nelle ossa, nella contrazione muscolare e nella neurotrasmissione.
- I composti di calcio sono utilizzati in agricoltura per aumentare il pH del terreno. Possono anche essere utilizzati per rimuovere lo zolfo dai gas di scarico.
- I composti di bario sono utilizzati nei raggi X e le leghe di berillio sono utilizzate nelle parti meccaniche.
- Il magnesio è il terzo metallo strutturale più utilizzato, impiegato soprattutto nelle leghe leggere.
Per ulteriori usi del gruppo 2, consultare la sezione Composti del gruppo 2.
Gruppo due - Punti chiave
- Il gruppo 2, noto anche come gruppo dei metalli alcalino-terrosi, è un gruppo di metalli della tavola periodica.
- Il gruppo 2 contiene gli elementi berillio, magnesio, calcio, stronzio, bario e radio.
- Gli elementi del gruppo 2 hanno ciascuno due elettroni nel loro guscio esterno.
- Il raggio atomico, la reattività e la solubilità degli idrossidi del gruppo 2 aumentano man mano che si scende nel gruppo.
- Il punto di fusione, l'energia di prima ionizzazione, l'elettronegatività e la solubilità dei solfati del gruppo 2 diminuiscono man mano che si scende nel gruppo.
- È possibile distinguere alcuni elementi del gruppo 2 utilizzando il test della fiamma.
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