Кіріспе

Химиялық элементтер тобы

|
! colspan=2 style="text-align:left;" | ↓ Кезең
|
! 2
|
|
! 3
|
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|
|
! 7
|
|
| colspan="2"|

Түсіндірмелер
бастапқы элемент радиоактивті ыдырау арқылы алынған элемент атомдық нөмір түсі:қара=қатты

|}

Сілтілі жер металдары – периодтық кестедегі 2-топтағы алты химиялық элемент. Олар – бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) және радий (Ra). Бұл элементтердің қасиеттері өте ұқсас: олардың барлығы жылтыр, күміс түсті ақ, қалыпты температура мен қысымда белсенді металдар. Гелиймен бірге, бұл элементтердің ортақ сыртқы s орбиталы толық – яғни, бұл орбиталда екі электронның толық саны бар, сілтілі жер металдары оларды +2 зарядты катиондар және +2 тотығу күйімен оңай жоғалтады. Гелий асыл газдар тобына жатқызылады, сілтілі жер металдарына емес, бірақ оның бериллийге ұқсас екені айтылады, және мәжбүрлі түрде байланысқа түскенде 2-топқа жатуы мүмкін. Қазірге дейін табылған барлық сілтілі жер металдары табиғатта кездеседі, бірақ радий тек уран мен торийдің ыдырау тізбегі арқылы ғана пайда болады, бастапқы элемент ретінде емес. 120-шы элементті синтездеу бойынша тәжірибелер жүргізілді, бірақ барлығы сәтсіз аяқталды, бұл элемент топтың келесі мүмкін мүшесі болуы мүмкін.

Физикалық және атомдық

+Алькальді топырақты металдардың негізгі физикалық және атомдық қасиеттері Алькальді топырақты металл Стандартты атомдық массасы (u) Еріту температурасы (K) Еріту температурасы (°C) Қайнау температурасы (K) Жалын сынағының түсі Бериллий 9.012182(3) 1560 1287 2744 2471 1.848 1.57 899.5 105 Ақ Магний 24.3050(6) 923 650 1363 1090 1.738 1.31 737.7 150 топ=n

Ядролық тұрақтылық

Жер қыртысында және Күн жүйесінде барлық алты сілтілі жер металлының изотоптары нуклидтердің жартылай ыдырау мерзіміне және осыған байланысты ядролық тұрақтылығына қарай әртүрлі концентрацияларда кездеседі. Бірінші бесеуінің біреу, үшеу, бесеу, төртеу және алтеу тұрақты (немесе байқау бойынша тұрақты) изотоптары бар, барлығы 19 тұрақты нуклид: бериллий 9; магний 24, 25, 26; кальций 40, 42, 43, 44, 46; стронций 84, 86, 87, 88; барий 132, 134, 135, 136, 137, 138. Тізімдегі төрт сызылған изотоптың радионуклидтердің ыдырау энергетикасы бойынша тек байқау арқылы тұрақты болып келуі және қос бета ыдырауы арқылы өте ұзақ жартылай ыдырау мерзімімен ыдырауы болжанады, бірақ 2024 жылға дейін осы изотоптарға нақты жатқызылған ыдыраулар байқалған жоқ. Радийде тұрақты немесе бастапқы изотоптар жоқ. Тұрақты түрлерден басқа, кальций мен барийдің әрқайсысында өте ұзақ өмір сүретін және бастапқы радионуклидтер бар: кальций 48 және барий 130, олардың жартылай ыдырау мерзімі тиісінше 5,6 және 1,6 жылды құрайды. Екеуі де ғаламның қазіргі жасынан әлдеқайда ұзын (тиісінше 4,7× және 117× миллиард есе) және Жер пайда болғаннан бері он миллиардқа бір бөліктен де аз бөлініп кеткен. Екі изотоп та практикалық тұрғыдан тұрақты. 21 тұрақты немесе дерлік тұрақты изотоптан басқа, алтауындағы алты сілтілі элементтің әрқайсысында көптеген белгілі радиоизотоптар бар. Жоғарыда аталған 21-ден басқа изотоптардың ешқайсысы да бастапқы емес: олардың барлығының жартылай ыдырау мерзімі күн жүйесінің пайда болуынан бері тіпті бір атомның аман қалуына жетпейді, жақын маңдағы суперновалар мен нейтрондық жұлдыздардың соқтығысулары арқылы ауыр ядролар себілгеннен кейін. Бериллий 7, бериллий 10 және кальций 41 – атмосфералық немесе жер қыртысы атомдарымен ғарыш сәулелерінің әсерінен пайда болатын іздік, сондай-ақ космогендік нуклидтер. Олардың арасындағы ең ұзақ жартылай ыдырау мерзімі – бериллий үшін 1,387 миллион жыл, кальций үшін 99,4 мың жыл, радий үшін 226 жыл (радийдің ең ұзақ өмір сүретін изотопы), стронций үшін 28,90 жыл, барий үшін 10,51 жыл және 5,75 жыл. Қалғандарының жартылай ыдырау мерзімі жарты жылдан аз, көбінесе одан да қысқа. Кальций 48 және барий 130 – екі бастапқы және тұрақсыз изотоптар, олар тек қос бета-эмиссия арқылы ыдырайды және екі бета-ыдыраудың бір уақытта жүзеге асу ықтималдығы өте төмен болғандықтан, өте ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне ие. Радийдің барлық изотоптары жоғары радиоактивті және негізінен ауыр радионуклидтердің ыдырауы арқылы пайда болады. Олардың арасындағы ең ұзақ өмір сүретіні – радий 226, ол уран 238 ыдырау тізбегінің мүшесі. Стронций 90 және барий 140 – ядролық реакторларда уранның бөліну өнімдері, олар термиялық нейтрондармен бомбаланған кезде уран 235 бөліну өнімдерінің тиісінше 5,73% және 6,31% құрайды. Екі изотоптың жартылай ыдырау мерзімі 28,90 жыл және 12,7 күн. Стронций 90 уран-235 немесе плутоний-239 отынымен жұмыс істейтін ядролық реакторларда елеулі мөлшерде өндіріледі, сондай-ақ табиғи түрде кездесетін уранның сирек кездесетін спонтанды ыдырауынан пайда болған өте аз тұрақты тепе-теңдік концентрациясы да бар. Кальций-48 – қос бета ыдырауға ұшырайтын ең жеңіл нуклид, өйткені ол протондар мен нейтрондар саны жұп болатын нуклид және сондықтан бір бета ыдырауға ұшырауына тыйым салынған. Табиғи түрде кездесетін кальций мен барий өте әлсіз радиоактивті: кальцийде 0,1874% кальций 48, ал барийде 0,1062% барий 130 бар. Орташа есеппен, кальцийдің 48-іне қатысты секунд сайын әрбір 90 тонна табиғи кальцийге немесе 230 тонна әк тасына (кальций карбонатына) бір қос бета ыдырау болады. Осыған ұқсас ыдырау механизмі арқылы барий 130-ның бір ыдырауы әрбір 16000 тонна табиғи барийге немесе 27000 тонна баритке (барий сульфатына) секунд сайын бір рет болады. Радийдің ең ұзақ өмір сүретін изотопы – 1600 жыл жартылай ыдырау мерзіміне ие 226 радий; ол 223, 224 және 228 радиймен бірге бастапқы торий мен уранның ыдырау тізбектерінде табиғи түрде кездеседі. Бериллий 8 өзінің болмауымен ерекшеленеді, өйткені ол пайда болған кезде екі альфа бөлшегіне бірден екіге бөлінеді. Жұлдыздардағы үш еселенген альфа процесі тек бериллий 8 үшін үшінші альфа бөлшегімен бірігуге жеткілікті энергияда ғана пайда болуы мүмкін, ол ыдыраудан бұрын көміртек 12 құрайды. Термоядролық жылдамдықты шектейтін фактор – негізгі тізбекті жұлдыздардың көпшілігі ядроларындағы сутегін қорыту үшін миллиардтаған жыл жұмсайды, ал жұлдыздық қалдыққа құлаудан бұрын көміртекті қорытуды өте сирек жүзеге асырады, тіпті содан кейін ~1000 жыл уақыт аралығында ғана. Сілтілі жер металдарының радиоизотоптары, олардың химиялық қасиеттері кальцийге ұқсас болғандықтан, "сүйекке жиналады", ол ықшам сүйектегі гидроксиапатиттің маңызды құрауыш бөлігі болып табылады, және уақыт өте келе адам қаңқасында жиналады. Қосылған радионуклидтер ионизациялық сәулеленудің шығарылуы арқылы, негізінен альфа бөлшектері арқылы сүйек миына елеулі зиян келтіреді. Бұл қасиет белгілі бір сүйек қатерлі ісіктерін сәулемен емдеуде оңтайлы қолданылады, өйткені радионуклидтердің химиялық қасиеттері оларды сүйек тініндегі қатерлі өсулерге басымдықпен бағыттайды, ал организмнің қалған бөлігіне зиян келтірмейді. Периодтық жүйедегі көршілерімен салыстырғанда, сілтілі жер металдарында тұрақты изотоптардың саны көбірек болады, өйткені олардың барлығында протондардың жұп саны бар, олардың екінші кезең элементтері болуына байланысты. Олардың изотоптары нуклон жұптасуына байланысты әдетте тұрақтырақ болады. Егер изотопта нейтрондардың саны да жұп болса, бұл тұрақтылық одан да артады, өйткені екі түрлі нуклон да жұптасуға қатысып, ядроның тұрақтылығына үлес қоса алады.

Этимология

Алкалилік жер металдары оксидтерімен, алкалилік жерлермен аталады, олардың ескі атаулары бериллия, магний, әк, стронций және барий болған. Бұл оксидтер сумен қосылғанда негіздік (алкалилік) қасиет көрсетеді. "Жер" термині ертедегі химиктер суға ерімейтін және қыздыруға төзімді металл емес заттарды атау үшін қолданған. Осы жерлердің элементтер емес, қосылыстар екенін анықтау химик Антуан Лавуазьеге байланысты. 1789 жылы жарияланған "Химия элементтері" еңбегінде ол оларды тұз құраушы жер элементтері деп атады. Кейін ол алкалилік жерлер металл оксидтері болуы мүмкін деген пікір білдірді, бірақ бұл тек болжам екенін мойындады. 1808 жылы Лавуазьенің идеяларын дамыта отырып, Хамфри Дэви металдардың алғашқы үлгілерін олардың балқыған жерлерінің электролизі арқылы алды, осылайша Лавуазьенің гипотезасын растап, бұл топты алкалилік жер металдары деп атауға себеп болды.

Ашылу

Кальций қосылыстары – кальцит пен әк ежелгі заманнан бері белгілі және қолданылып келеді. Бериллийден басқа барлық элементтер балқыған қосылыстардың электролизі арқылы бөліп алынды. Магний, кальций және стронцийді алғаш рет 1808 жылы Хамфри Дэви өндірді, ал бериллийді 1828 жылы Фридрих Вёлер мен Антуан Бусси тәуелсіз түрде калиймен бериллий қосылыстарын реакцияға түсіріп бөліп алды. 1910 жылы радийді таза металл ретінде Кюри мен Андре Луи Дебиерн де электролиз арқылы бөліп алды. 1828 жылы Фридрих Вёлер мен Антуан Бусси осы әдіспен – бериллий хлориді мен металл калийдің реакциясы арқылы – жаңа элемент, бериллийді тәуелсіз түрде бөліп алды; алайда, бұл реакция үлкен бериллий қоймаларын жасауға мүмкіндік бермеді. Тек 1898 жылы Пауль Лебо бериллий фториді мен натрий фториді қоспасын электролизден өткізгенде ғана бериллийдің үлкен, таза үлгілері алынды.

Магний

Магнийді алғаш рет 1808 жылы Англияда Хамфри Дэви магний мен сынап оксиді қоспасының электролизі арқылы өндірді. Антуан Бусси оны 1831 жылы тұтас күйде дайындады. Дэвидің алғашқы ұсынған атауы «магний» болды, ал әк пісіруге арналған пештер 2500 ж.б.д. Хафаджада, Месопотамияда қолданылған. Кальций материалы кем дегенде бірінші ғасырдан бері белгілі, себебі ежелгі римдіктер әкпен дайындалған кальций оксидін пайдаланған. Кальций сульфатының сынған сүйектерді біріктіру қабілеті он бірінші ғасырдан бері белгілі. Дегенмен, кальцийдің өзі 1808 жылға дейін таза күйде алынбаған, ол кезде Англияда Хамфри Дэви, Йонс Якоб Берзелиус әк электролизінен кальций амальгамасын алғанын естігеннен кейін, әк пен сынап оксиді қоспасының электролизі арқылы кальцийді бөліп алды.

Стронций

1790 жылы дәрігер Адаир Кроуфорд ерекше қасиеттері бар кендерді тапты, оларды 1793 жылы Глазго университетінің химия профессоры Томас Чарльз Хоуп стронтиттер деп атады және Кроуфордтың ашылуын растады. Стронций 1808 жылы Хамфри Дэви стронций хлориді мен сынап оксиді қоспасын электролиз арқылы бөліп алды. Дэви бұл ашылуды 1808 жылдың 30 маусымында Корольдік қоғамға арналған лекциясында жариялады.

Барий

Барит, құрамында барий болатын минерал, алғаш рет 1774 жылы Карл Шеле жаңа элемент ретінде таныды, бірақ ол тек барий оксидін ғана бөліп алды. Барий оксидін екі жылдан кейін Иохан Готлиб Ган қайтадан бөліп алды. 18 ғасырдың соңында Уильям Уизерлинг Камберленд мыс кен орындарында салмағы ауыр минералға назар аударды, онда қазір барий бар екені белгілі. Барийдің өзі 1808 жылы Хамфри Дэви балқыған тұздарды электролиз арқылы пайдаланғанда бөліп алды, және Дэви элементті баританың атымен барий деп атады. Кейін Роберт Бунсен мен Август Маттиессен барий хлориді мен аммоний хлориді қоспасын электролиз арқылы таза барийді бөліп алды.

Радий

1898 жылы 21 желтоқсанда Мари мен Пьер Кюри ураннитті зерттеу барысында, уран ыдырағаннан кейін де пайда болған материалдың радиоактивті екенін тапты. Бұл материал барий қосылыстарына едәуір ұқсас болды, алайда жалын сынағының түсі және спектрлік сызықтары сияқты кейбір қасиеттері айқын түрде ерекшеленді. Олар 1898 жылы 26 желтоқсанда Француз ғылым академиясына жаңа элементтің ашылғанын хабарлады. Радий 1899 жылы «radius» сөзінен, яғни сәуле шығару қабілетінен аталды, себебі ол энергияны сәулелер түрінде бөліп шығарды.

Пайда болуы

Бериллий Жер қыртысында миллионға екіден алты бөлікке дейін концентрацияда кездеседі, оның көп бөлігі топырақта, онда ол алты бөлік/млн концентрациясында болады. Бериллий теңіз суындағы ең сирек элементтердің бірі, тіпті скандий сияқты элементтерден де сирек, концентрациясы 0,2 триллионнан бір бөлікке тең. Алайда, тұщы суда бериллийдің концентрациясы 0,1 миллиардтан бір бөлікке жетеді. Магний мен кальций Жер қыртысында өте көп таралған, тиісінше бесінші және сегізінші ең көп кездесетін элементтер. Сілтілік жер металдарының ешқайсысы табиғатта элементтік күйде табылмайды. Магний құрамындағы минералдар: карналлит, магнезит және доломит. Кальций құрамындағы минералдар: бор, әк тас, гипс және ангидрит. Барий аздап сирек кездеседі, оның көп бөлігі барит минералында болады. Радий – уранның ыдырау өнімі болғандықтан, барлық уран кендерінде кездеседі. Жердің ерте тарихындағы радийдің салыстырмалы түрде қысқа жартылай ыдырау мерзіміне байланысты ыдырауы жүрген, ал қазіргі кездегі үлгілер уранның өте баяу ыдырауынан алынған. Барий алу үшін барит (таза емес барий сульфаты) карботермиялық тотығу арқылы (мысалы, кокспен) барий сульфидіне айналдырылады. Сульфид суда жақсы ериді және таза барий сульфатын немесе барий нитратын сияқты басқа қосылыстар алу үшін оңай реакцияға түседі. Бұл қосылыстар өз кезегінде барий оксидіне айналады, ал алюминиймен тотығу арқылы таза барий алынады.

Қолданбалар

Бериллий негізінен әскери қолданыста пайдаланылады, бірақ әскери емес қолданыстары да бар. Электроникада бериллий кейбір жартылай өткізгіштерде p-типті қоспа ретінде, ал бериллий оксиді – жоғары берікті электр оқшаулағышы және жылу өткізгіші ретінде қолданылады. Бериллий қорытпалары механикалық бөлшектерде қатаңдық, жеңіл салмақ және кең температуралық диапазонды сақтай отырып, өлшемдік тұрақтылық қажет болғанда қолданылады. Бериллий-9 шағын көлемдегі нейтрон көздерінде қолданылады, олар 9Be + 4He (α) → 12C + 1n реакциясын пайдаланады – осы реакцияны Джеймс Чадвик нейтронды ашқанда қолданған. Оның төмен атомдық салмағы және нейтронды сіңірудің төмен қимасы бериллийді нейтронды баяулатушы ретінде пайдалануға мүмкіндік береді, бірақ оның жоғары бағасы және су, ауыр су және ядролық графит сияқты қолжетімді баламалары оның қолданылуын шектеген. Балқытылған тұз реакторларында қолданылатын FLiBe эвтектикасында бериллийдің баяулатушы рөлі, оны пайдалануға себеп болған қасиеттен гөрі көбірек кездейсоқ. Магнийдің көптеген қолданыстары бар. Ол алюминий сияқты басқа құрылымдық материалдарға қарағанда артықшылықтар ұсынады, бірақ оның тұтанғыштығы қолдануын қиындатады. Магний көбінесе алюминий, мырыш және марганецпен қорытылады, оның беріктігі мен коррозияға төзімділігін арттыру үшін. Магнийдің темір және болат өндірісінде, сондай-ақ титан өндіруге арналған Кролл процесінде сияқты көптеген өнеркәсіптік қолданыстары бар. Кальций басқа металдарды, мысалы, уранды кеннен бөлуде тотықтырғыш ретінде қолданылады. Ол көптеген қорытпалардың, әсіресе алюминий және мыс қорытпаларының маңызды құрауышы болып табылады, сондай-ақ қорытпаларды тотықсыздандыру үшін қолданылады. Кальций ірімшік, миномет және цемент жасауда маңызды рөл атқарады. Стронций мен барий жеңіл сілтілік жер металдарына қарағанда аз қолданылады. Стронций карбонаты қызыл фейерверктерді жасауда қолданылады. Таза стронций нейрондардағы нейротрансмиттерлердің босатылуын зерттеуде қолданылады. Радиоактивті стронций-90 жылуын пайдаланатын RTG-лерде қолданылады. Барий вакуумдық түтіктерде газдарды сіңіру үшін геттер ретінде қолданылады. Радийдің радиоактивтілігіне байланысты бұрын көптеген қолданыстары болды, бірақ денсаулыққа зиянды әсері мен ұзақ жартылай ыдырау кезеңіне байланысты оның қолданысы енді кең таралмаған. Радий жиі люминесценттік бояуларда қолданылған, бірақ жұмысшылар ауырғаннан кейін оның қолданысы тоқтатылды. Радийдің денсаулыққа пайдалы екендігі туралы ядролық шарлатандық бұрын оны ауыз суына, тіс пастасына және басқа да көптеген өнімдерге қосуға әкелді.