فلز قلوي ترابي

يجب ألا يـُخلـَط بينها وبين Alkali metal.

الفلزات القلوية الترابية بالإنجليزية Alkaline earth metal ، هى سلسلة العناصر الموجودة في المجموعة الثانية من الجدول الدوريوهى : بيريليوم ، ماغنسيوم ، كالسيوم ، سترانشيوم ، باريوم ، راديوم ( ولا يعتبر الراديوم دائما من ضمن عناصر تلك السلسة نظرا لأن فترة عمر النصف له قليل.

Alkaline earth metals
group 3 →    ← alkali metals
رقم أيوپاك للمجموعة 2 الاسم حسب العنصر beryllium group الاسم الشائع alkaline earth metals رقم كاس للمجموعة (US) IIA رقم أيوپاك القديم (الأوروپي) IIA
↓ Period
2	Beryllium (Be) 4
3	Magnesium (Mg) 12
4	Calcium (Ca) 20
5	Strontium (Sr) 38
6	Barium (Ba) 56
7	Radium (Ra) 88
Legend primordial element element by radioactive decay Atomic number color: black=solid

أهم مميزات هذه الفصيلة خواصها المعدنية، وقوتها الإرجاعية، وتشكيلها مركبات تأخذ فيها درجة الأكسدة ⁺2. كما أن كثيراً من هذه المركبات ضعيف الانحلال في الماء. وتعد هذه العناصر بالمقارنة مع عناصر الفصيلة الأولى أضعف من حيث الصفات المعدنية وقوة الإرجاع.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التسمية

تم تسمية الفزات القلوية الترابية بهذا الإسم على أساس أكاسيدها ، الفلزات الترابية ، والتى كانت أسمائها القديمة: بريليا ( beryllia ) ، ماجنسيا ( magnesia ) ، لايم ( lime ) ، سترونتيا ( strontia ) ، باريتا( baryta ) . وقد تم تسمية هذه الأكاسيد قلويات أرضية نظرا لطبيعتها التى تقع بين القلويات ( أكاسيد الفلزات القلوية ) و المعادن الأرضية النادرة ( أكاسيد المعادن الأرضية النادرة ) . ويعتبر النظام الذى إتبعه الإغريق من أول الأنظمة التى أستخدمت لتسمية العناصر والتى يتم إستخدام أربعة عناصر رئيسية فيه منها التراب . وقد تم تطوير هذا النظام لاحقا عن طريق الفلاسفة والكيميائين القدامى مثل أريستوتل ( Aristotle ) قرن رابع قبل الميلاد ، باراسيلسوس ( Paracelsus ) النصف الأول من قرن 16 ، جون بيشر ( John Becher ) منتصف القرن 17 ، جورج شتال ( Georg Stahl ) أواخر القرن 17 ، وقد تم تصنيف التراب فيما بعد لثلاثة أنواع أو أكثر . وقد تم إدراك أن هذه المركبات ليست عناصر ولكنها مركبات عن طريق أنطوان لافوازييه ( Antoine Lavoisier ) في كتابه ( عناصر الكيمياء ) 1789 وقد سماها بالأملاح المتكونة من عناصر ترابية . وقد قام فيما بعد بإقتراح أنها ممكن أن تكون أكاسيد فلزات . وكان هيمفرى دافى ( Humphry Davy ) أول من حصل على عينات من الفلزات عن طريق التحليل الكهربائي .

 الخصائص

 الخواص الكيميائية

تتصف عناصر هذه الفصيلة بكهرجابية عالية وبنشاط كيمياوي كبير كالمعادن القلوية. فمن الناحية المبدئية تفكك هذه العناصر الماء والحموض بانطلاق الهيدروجين، وتشكل مركبات شاردية مع العناصر الكهرسلبية مع ازدياد بروز هذه الخواص عند الانتقال من البريليوم حتى الباريوم ومن العناصر الأقل كهرسلبية إلى العناصر الأكثر كهرسلبية.

Z	العنصر	غلاف تكافؤ	Electron configuration
4	بريليوم	2, 2	[He] 2s2
12	مغنسيوم	2, 8, 2	[Ne] 3s2
20	كالسيوم	2, 8, 8, 2	[Ar] 4s2
38	سترونشيوم	2, 8, 18, 8, 2	[Kr] 5s2
56	باريوم	2, 8, 18, 18, 8, 2	[Xe] 6s2
88	راديوم	2, 8, 18, 32, 18, 8, 2	[Rn] 7s2
120	unbinilium	2, 8, 18, 32, 32, 18, 8, 2 (predicted):1722	[Uuo] 8s2 (predicted):1722

H																	He
Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg											Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Uut	Uuq	Uup	Uuh	Uus	Uuo
Uue	Ubn
		*	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
		**	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Alkaline earth metals in the periodic table

Caesium reacts explosively with water even at low temperatures

 المركبات والتفاعلات

• الهاليدات: تنتج من التفاعل مع الهالوجينات مركبات بلورية لا لون لها صيغتها العامة MX₂ تتبلور مع الماء فتضم 6جزيئات في حالة الكالسيوم والسترنسيوم (MX₂.6H₂O) وجزيئين في حالة الباريوم. كما تكون هذه البلورات جيدة الانحلال في الماء، ويستثنى من ذلك الفلوريدات التي تكون صعبة الانحلال، ولاتشكل بلورات مميهة بصورة عامة.

أهم الهاليدات من الوجهة العملية كلوريد الكلسيوم: ويستعمل كلوريد الكالسيوم اللامائي مجفِّفاً، كما أن محاليله المائية تستعمل في المختبرات حمامات مائية ذات درجات غليان أو درجات تجمد مختلفة حسب تركيز الكلوريد. فتتدرج درجة الغليان من 101 ْس حتى 178 ْس وتتدرج درجة التجمد من -0.05 ْس حتى -51 ْس.

• الأكاسيد والماءات: يتم تفاعل المعادن القلوية الترابية مع الأكسجين في الدرجة العادية من الحرارة فتتغطى هذه المعادن في الهواء بطبقة من الأكسيد MO. غير أن هذه الطبقة تكون كتيمة في حالة المغنسيوم فتمنع استمرار التفاعل. وينشط التفاعل بشدة بتسخين المعدن ويتشكل إضافة إلى الأكسيد MO النتريد M₃N₂ وفوق الأكسيد MO₂ في حالة Ba¨Sr¨Ca.

وتتصف الأكاسيد MO بخواص أساسية باستثناء أكسيد البريليوم الذي يتميز بخواص أساسية وحمضية (أكسيد مذبذب).

والأكاسيد MO مواد بيضاء صعبة الانصهار تتفاعل مع الماء مشكلة الماءات M(OH)₂. وتزداد درجة انحلال الماءات وتشردها في الماء عند الانتقال من البريليوم حتى الباريوم، فتكون ماءات البريلوم ماءات مذبذية، في حين تكون ماءات المغنسيوم أساساً متوسط القوة، وماءات الباريوم أساساً قوياً نوعاً ما. أكسيد الكلسيوم وهو الكلس الحي ذو استعمالات معروفة.

• فوق الأكاسيد والأكاسيد العليا: تشكل المعادن القلوية الترابية مثل المعادن القلوية فوق أكاسيد وأكاسيد عليا. ويحصل على فوق الأكاسيد MO₂ إما بالطريقة الرطبة بتفاعل الماء الأكسجيني H₂O₂ مع ماءات المعدن، وهو تفاعل تعديل حمض (H₂O₂) بأساس، كما في حالة الكلسيوم إذ يحصل على فوق أكسيده بالتفاعل:

وإما بالطريقة الجافة بتسخين أكسيد المعدن في الهواء أو في جو من الأكسجين حتى درجة حرارة معينة، كما في حالة الباريوم إذ يحصل على فوق أكسيده BaO₂ بتسخين الأكسيد العادي وهو بشكل كتلة مسامية حتى درجة 500 ْس في تيار من الهواء.

وتكون فوق الأكاسيد مواد بيضاء، تحوي في بنيتها الشاردة وتعطي بتفاعلها مع الحموض الماء الأكسجيني والملح الموافق للمعدن. أهمها من الوجهة التطبيقية فوق أكسيد الباريوم الذي يستخدم صناعياً للحصول على الماء الأكسجيني بتفاعله مع حمض الكبريت وفق المعادلة:

• النتريدات: يتفاعل الآزوت بالتسخين عند درجة عالية من الحرارة فتتشكل النتريدات M₃N₂. وتعد هذه المركبات مشتقة من غاز النشادر. وهي مواد قاسية ذات درجات انصهار عالية تتفكك بالماء أو بالحموض مشكلة النشادر.
• الكربيدات: لايتم تفاعل المعادن القلوية الترابية مع الكربون سوى في درجة عالية من الحرارة أيضاً وتتشكل الكربيدات. وهي تتصف بصورة عامة ببنية شاردية خاصة في حالة الكلسيوم والسترنسيوم والباريوم التي تعطي الكربيد MC₂

الذي يحوي الشاردة الخطية السالبة

.

أهم الكربيدات كربيد الكلسيوم الذي يعرف في التجارة باسم الكربيد، ويستعمل لتوليد غاز الأستيلين

• الهدريدات: لتفاعل المعادن القلوية الترابية مع الهدروجين يجب التسخين إلى درجة عالية من الحرارة أيضاً وتتشكل الهدريدات. وهي مواد بيضاء ذات بنية بلورية شاردية تحترق في الهواء بمجرد تسخينها متحولة إلى الأكسيد MO وماء. فهي مواد مرجعة قوية تفكك الماء وفق المعادلة:

 التفاعل مع الماء والحموض

إن المعادن القلوية الترابية تزيح مبدئياً الهدروجين من مركباته كالماء والحموض والكحولات. وفي الواقع تفكك هذه المعادن الماء مع ازدياد نشاط التفاعل من البريليوم حتى الباريوم وفق المعادلة:

غير أن طبقة الأكسيد أو الماءات المتشكلة تعيق استمرار التفاعل خاصة في حالة البريليوم والمغنسيوم والكلسيوم بسبب بطء انحلال نواتج التفاعل. وبالتسخين ينشط التفاعل. ويحدث تفاعل مماثل مع الكحولات بانطلاق الهدروجين أيضاً كالتفاعل مع الكحول الإيتيلي:

أما مع الحموض فيتم التفاعل بقوة، وتزداد شدة التفاعل دوماً من البريليوم حتى الباريوم وتتشكل أملاح الشوارد M₂+. وتتشكل هذه الأملاح أيضاً بتفاعل الحموض مع أكاسيد أو ماءات هذه العناصر أيضاً.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 نقاط الذوبان والغليان

شوارد المعادن القلوية الترابية لا لون لها، وأملاحها لا لون لها أيضاً بصورة عامة. منها ما ينحل جيداً في الماء كأملاح الشوارد:

ومنها ما يكون صعب الانحلال لا في الماء فحسب، بل في المحلات الأخرى، كأملاح الشوارد SO^-2₄وF^-وCrO^-2₄وPO^-3وCO^-2₃. ولكثير من هذه الأملاح تطبيقات مهمة في الصناعة وسيكتفى بدارسة بعض هذه الأملاح كالكبريتات والنترات والكربونات.

الكبريتات MSO₄: تتبلور كبريتات المغنسيوم والكلسيوم مع عدد مختلف من جزيئات الماء فتكون صيغها:

BeSO₄. 4H₂O¨CaSO₄. 2H₂O¨MgSO₄. 7H₂O

أما كبريتات السترنسيوم والباريوم فلا تحوي بلوراتها ماء تبلور. وتتناقص درجة الانحلال في الماء عند الانتقال من البريليوم حتى الباريوم. فكبريتات البريليوم والمغنزيوم جيدة الانحلال، أما كبريتات الباريوم فهي ملح صعب الانحلال. ويقل الانحلال بارتفاع درجة الحرارة.

وأهم أملاح الكبريتات كبريتات الباريوم المستعملة في الطب، وكبريتات الكلسيوم التي تتبلور في الدرجة العادية من الحرارة مع جزيئي ماء، وتشكل ما يعرف باسم «الجبصين». إذا سخنت هذه الكبريتات إلى درجة 150 ْس فقدت قسماً من مائها وتحولت إلى 2CaSO₄.H₂O. وعند مزج هذه المادة الأخيرة بالماء تتحد مرة أخرى مع الماء لتكوين البلورات المميهة مما يؤدي إلى تصلب المزيج مع ازدياد حجمه، ويستفاد من ذلك لصب القوالب كما هو معروف.

النترات M(NO₃)₂: تتبلور نترات المعادن القلوية الترابية مع عدد من جزيئات الماء باستثناء نترات الباريوم، وصيغها: Mg(NO₃)₂.6H₂O, Ca(NO₃)2.4H₂O, Sr(NO₃)₂.4H₂O

وهي تنحل جيداً في الماء باستثناء نترات الباريوم أيضاً التي تكون متوسطة الانحلال. تتفكك النترات بالتسخين فاقدة في مرحلة أولى ماء التبلور ومن ثم تتحول إلى أكاسيد الآزوت والأكاسيد MO وأكسجين.

الكربونات MCO₃: الكربونات المعتدلة MCO3 عديمة الانحلال في الماء. وهي تتفكك بالتسخين حيث ينطلق CO₂ ويتشكل الأكسيد MO. وتترسب الكربونات بإضافة مزيد من الشواردCO^2-₃ إلى محلول يحوي الشوارد M²⁺x.

وأهم الكربونات ـ من الناحية العملية ـ كربونات الكلسيوم. وتستخدم بمختلف أشكالها الطبيعية (الأحجار الكلسية) للحصول على الكلس والإسمنت وفي صناعة الزجاج.

فالإسمنت مزيج من مختلف سيلكات وألومينات الكلسيوم وبالدرجة الأولى المركبات: Ca₂SiO5, Ca2SiO₄, Ca₃(AlO₃)₂. فيعد الإسمنت ناتج اتحاد مختلف الأكاسيد الآتية بنسب مختلفة: CaO, SiO2, Al2O3, Fe₂O₃ حيث يقوم الأكسيد CaO بدور الأكسيد الأساسي في حين تقوم الأكاسيد الأخرى بدور الأكاسيد الحمضية.

وتتفاعل الكربونات MCO₃ مع ثنائي أكسيد الكربون المنحل في الماء مكونة الكربونات الحمضية M(HCO3)2 الأكثر انحلالاً من الكربونات، أهمها كربونات الكلسيوم الحمضية Ca(HCO₃)₂.

يسبب وجود أملاح الكلسيوم في الماء قساوته. وتكون هذه القساوة مؤقتة عندما يحوي الماء الكربونات الحمضية Ca(HCO₃)₂ وذلك لسهولة إزالة هذه القساوة بترسيب الكلسيوم بشكل CaCO₃ بغلي الماء إذ تتفكك الكربونات الحمضية إلى كربونات معتدلة و CO₂. وتكون القساوة دائمة عندما يكون الملح المنحل CaSO₄ أو CaC_l2. وتُزال هذه القساوة إما بإضافة Na₂CO₃ لترسيب CaCO₃، وإما بالتبادل الشاردي الذي يخلص الماء من شوارد الكلسيوم، وإما بالتقطير.

درجات انصهار المعادن القلوية الترابية أعلى من درجات انصهار المعادن القلوية.

 الخواص الفيزيائية

وتتصف المعادن القلوية الترابية بلون أبيض فضي، وهي أكثر قساوة من المعادن القلوية. فالباريوم وهو أقل المعادن القلوية الترابية قساوة يتميز بقساوة معدن الرصاص.

ويبين الجدول (1) بعض الثوابت الفيزيائية لعناصر الكلسيوم والسترنسيوم والباريوم. ويلاحظ من هذا الجدول أن كهرجابية المعادن القلوية الترابية تماثل تقريباً كهرجابية المعادن القلوية، ويلاحظ أن تغير الكمون النظامي يتفق مع تغير طاقة التشرد.

الجدول (1) الصفات الفيزيائية للكلسيوم والسترنسيوم والباريوم

	Ca	Sr	Ba
العدد الذري	20	38	56
الكتلة الحجمية (غ/سم3)	1.54	2.60	3.65
الناقلية الكهربائية (الزئبق =1)	21	4	-
نقطة الانصهار، سْ	843	769	725
نقطة الغليان، سْ	1439	1366	1696
نصف القطر الذري، أنغستروم	1.97	2.13	2.17
نصف القطر الشاردي، أنغستروم	1.06	1.27	1.43
طاقة التشرد الأول (كيلو جول/ مول -1)	590	549	503
طاقة التشرد الثاني (كيلو جول /مول -1)	1146	1064	965
الكمون النظامي (فولط) من أجل: M2+(aq)+2e=M(s)	-2.87 -2.89	-2.90

 مواد أخرى مشابهة للفلزات القلوية الترابية

وكما في حالة المعادن القلوية فإن ذرات المعادن القلوية الترابية تفقد إلكترونيها بسهولة ولكن بدرجة أقل، كما أنها لاتميل إلى الاتحاد بإلكترونات إضافية، لذا فإن المعادن القلوية الترابية تتصف بخواص كيمياوية معدنية نموذجية أيضاً. وتزداد هذه الخواص شدة من البريليوم حتى الراديوم. وتكون هذه الخواص ضعيفة نسبياً في حالة البريليوم الذي يشبه الألمنيوم في كثير من الخواص فيلازمه في معظم فلزاته، وهو مثله معدن مذبذب. كما أن المغنسيوم يشبه بخواصه الزنك، خاصة بسهولة انحلال كبريتاته بخلاف كبريتات الكلسيوم والسترونسيوم والباريوم. وتؤلف هذه العناصر الثلاثة الأخيرة فئة المعادن القلوية الترابية بالمفهوم الضيق لهذه التسمية التي أُطلقت عليها لتشابه خواص ماءاتها مع خواص ماءات المعادن القلوية.

وبصورة عامة يمكن تعليل تناقص الخاصة القلوية وتعاظم الخاصة الحمضية عند الانتقال من فئة المعادن القلوية إلى المعادن القلوية الترابية بتناقص أنصاف أقطار الذرات والشوارد.

إن العنصر الأخير في هذه الفصيلة هو الراديوم عنصر مشع نادر. وهو معدن قلوي ترابي بخواصه العامة، وينتج من تفكك العناصر الأثقل منه وخصوصاً اليورانيوم؛ ولذلك يصادف مع خامات اليورانيوم خاصة البتش بلند (pitch blend U₃O₈ غير النقي) ويعد الخام الحاوي على 0.25غ من الراديوم في الطن من الخامات الغنية.

 التواجد

Emerald is a naturally occurring compound of beryllium.

المغنزيوم والكلسيوم المعدنان الوحيدان بين المعادن القلوية الترابية اللذان ينتشران انتشاراً واسعاً في القشرة الأرضية، فتبلغ النسبة الوزنية المئوية للمغنيزيوم 2.35%. وتوجد أملاحه في مياه المحيطات أيضاً. كما تبلغ النسبة المئوية للكلسيوم في القشرة الأرضية 25.3% وزناً. أما في حالة السترنسيوم والباريوم فتساوي هذه النسبة 0.35% و0.05% بالترتيب، وتوجد هذه العناصر الثلاثة الأخيرة في الطبيعة بشكل كربونات وكبريتات خاصة.

وكان الإنكليزي السير همفري ديڤي (1778ـ1829) Sir Humphry Davy أول من عزل المغنزيوم بطريقة التحليل الكهربائي بكميات صغيرة وأطلق عليه اسم مغْنيوم magnium وذلك حتى لايحصل التباس بينه وبين المنغنيز، إلا أن اسمه بقي مغنزيوم. كما عزل ديڤي الكلسيوم والسترنسيوم والباريوم بالطريقة نفسها عام 1808.

يحصل على عناصر هذه الفصيلة بالحالة المعدنية الحرة بتحليل أملاحها المصهورة تحليلاً كهربائياً.

 التطبيقات

أما من حيث استعمالات عناصر هذه الفصيلة فإن المغنزيوم هو المعدن الوحيد الذي يستعمل بالحالة الحرة بصورة واسعة لتحضير المواد النارية بسبب الضوء الشديد المتولد عن احتراقه، ويدخل البريليوم والمغنزيوم والكلسيوم مع المعادن الأخرى في تركيب كثير من الخلائط المعدنية فتكسبها قساوة عظيمة.

وتستعمل مركبات عناصر هذه الفصيلة في الصناعة، خاصة مركبات الكلسيوم والمغنزيوم في صناعة الإسمنت والزجاج وبعض المواد الأخرى كالأميانت والتلك. وللمغنزيوم أهمية خاصة في التحضيرات العضوية (تفاعل غرينيار).

 الهوامش

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المصادر

• Group 2 - Alkaline Earth Metals, Royal Chemistry Society.
• Group 1 Alkali Metals and Group 2 Alkaline Earth Metals, Doc Brown's Chemistry Clinic.
• Science aid: Group 2 Metals Study aid for teens
• Hogan, C.Michael. 2010. Calcium. eds. A.Jorgensen, C. Cleveland. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment.
• Maguire, Michael E. "Alkaline Earth Metals." Chemistry: Foundations and Applications. Ed. J. J. Lagowski. Vol. 1. New York: Macmillan Reference USA, 2004. 33-34. 4 vols. Gale Virtual Reference Library. Thomson Gale.
• Silberberg, M.S., Chemistry: The molecular nature of Matter and Change (3e édition, McGraw-Hill 2009)
• Petrucci R.H., Harwood W.S. et Herring F.G., General Chemistry (8e édition, Prentice-Hall 2002)

شرج للجدول الدوري أعلاه:

الفلزات القلوية الترابية

Atomic numbers in black indicate solids

Solid borders indicate primordial elements (older than the Earth)

Dashed borders indicate natural radioactive elements with no isotopes older than the Earth

 مراجع للإستزادة

• موفق شخاشيرو، الكيمياء العامة واللاعضوية (المطبعة الجديدة، دمشق 1981ـ 1982).
• JAMES E. BRADY & JOHN R. HOLUM, Fundamentals of Chemistry (John Wiley & Sons, Inc. 1981).