Dlaczego berylowce są mniej reaktywne niż litowce?

Berylowce, a więc: beryl, magnez, wapń, stront, bar i rad, są, podobnie jak litowce, metalami lekkimi. W porównaniu do metali grupy pierwszej układu okresowego pierwiastków, berylowce charakteryzują się większymi gęstościami, większą twardością oraz wyższymi temperaturami topnienia i wrzenia.

Obserwacje te wskazują jednoznacznie na to, że między atomami berylowców, w stanie stałym i ciekłym, występuje znacznie silniejsze oddziaływanie niż między atomami litowców. Wzrost siły wiązania metalicznego między atomami berylowców w stosunku do litowców można wyjaśnić odnosząc się do natury wiązania metalicznego. Chodzi bowiem o oddziaływanie elektrostatyczne między dodatnio naładowanymi rdzeniami atomowymi a zdelokalizowanymi elektronami walencyjnymi atomów, które tworzą tak zwaną chmurę elektronową. Jest więc ono tym silniejsze, im większa jest wartość ładunku rdzeni atomowych (oddziałujących z chmurą elektronową o większej gęstości) oraz im mniejsza jest odległość między oddziałującymi ładunkami, czyli im mniejszy rozmiar mają rdzenie atomowe w krysztale metalu. Analizując struktury atomów litowców i berylowców z łatwością zauważymy, że atomy berylowców posiadają w ramach swojej najbardziej zewnętrznej powłoki dwa elektrony, zwane elektronami walencyjnymi, w przeciwieństwie do atomów litowców o jednym elektronie walencyjnym. Ponadto atomy berylowców, ze względu na większy ładunek jądra w porównaniu z ładunkiem jąder atomów litowców przy takiej samej liczbie powłok elektronowych, charakteryzują się mniejszymi wymiarami ze względu na silniejsze przyciąganie elektronów walencyjnych przez jądro atomowe. Kationy berylowców są więc odpowiednio mniejsze względem kationów litowców, które leżą w tym samym okresie układu okresowego. Mniejszy promień kationów berylowców, w połączeniu z dwa razy większą gęstością elektronową chmury zdelokalizowanych elektronów walencyjnych względem kationów litowców, powoduje występowanie znacznie silniejszego wiązania metalicznego między atomami.

Mniejsze promienie atomowe berylowców względem litowców wpływają także na wartości energii jonizacji tych metali. Litowce stanowią w układzie okresowym grupę najbardziej elektrododatnich metali. Jest to związane z tym, że na ostatniej powłoce walencyjnej litowce posiadają tylko jeden elektron walencyjny, który dodatkowo jest silnie oddalony od jądra atomowego z powodu dużych rozmiarów atomów. Skutkuje to stosunkowo niewielkimi energiami jonizacji tych atomów – to znaczy, że aby wyrwać elektron walencyjny z atomu litowca, potrzebny jest niewielki nakład energetyczny. Atomy berylowców, w porównaniu do atomów litowców leżących w tym samym okresie układu okresowego, mają mniejsze rozmiary, a więc elektrony walencyjne znajdują się bliżej jądra, są silniej przez nie przyciągane, dlatego do ich wyrwania z atomu potrzeba większych nakładów energetycznych. Stąd pierwsza energia jonizacji dla atomów berylowców jest większa niż pierwsza energia jonizacji dla atomów litowców (zestawiając ze sobą pierwiastki tego samego okresu układu okresowego)

Warto także zwrócić uwagę na to, że sumaryczna energia, konieczna do odszczepienia dwóch elektronów od atomu berylowców, jest znacznie większa niż pierwsza energia jonizacji. W związku z tym, w stanie gazowym jednododatnie jony berylowców są trwalsze od jonów dwudodatnich. Zarówno znacznie większa dla jonów dwudodatnich energia sieci krystalicznej związków jonowych, jak i entalpia hydratacji stabilizują jednak jony M²⁺ w stanie stałym i w roztworze wodnym. To z kolei wskazuje na to, że związki chemiczne o jednododatnich kationach berylowców M⁺ nie są trwałe.

Opisane zależności tłumaczą mniejszą reaktywność berylowców w porównaniu z litowcami. Wszystkie litowce chętnie reagują z tlenem oraz parą wodną zawartą w powietrzu, w związku z tym przetrzymuje się je w nafcie. Wszystkie litowce gwałtownie reagują z wodą, niektóre z nich nawet w sposób wybuchowy. W przypadku berylowców podobną, lecz i tak mniejszą reaktywność względem tlenu oraz wody wykazują jedynie metale leżące w dolnej części układu okresowego. Za to beryl i magnez pasywują w obecności tlenu, pokrywając się cienką warstwą tlenków, co skutecznie zabezpiecza je przed dalszą reakcją. Z tego względu nie ma potrzeby przechowywania berylu ani magnezu pod warstwą nafty. Metale te reagują z tlenem i wodą dopiero po podgrzaniu. Wapń, stront i bar, przez swoje większe promienie atomowe, a tym samym mniejsze energie jonizacji, wchodzą w reakcje z tlenem i wodą o wiele łatwiej. Sproszkowany stront i bar mogą nawet ulec samozapłonowi w kontakcie z tlenem.

Podsumowując: berylowce, tak jak litowce, są metalami o niskich elektroujemnościach oraz o niskich wartościach energii jonizacji. To spowodowane jest dużymi rozmiarami ich atomów (w porównaniu z atomami innych pierwiastków w danym okresie układu okresowego) oraz małą liczbą elektronów walencyjnych (dla litowców: 1, dla berylowców: 2), które znajdują się daleko od jądra atomowego, a co za tym idzie – są słabo przyciągane przez jądro. Atomy berylowców są jednak nieco mniejsze od atomów litowców (leżących w tym samym okresie) i posiadają dwa elektrony walencyjne. Przekłada się to na silniejsze wiązanie metaliczne, które musi ulec zerwaniu w momencie reakcji atomów berylowców z atomami niemetali, oraz na większy sumaryczny nakład energetyczny jaki trzeba ponieść, by z atomów berylowców wyrwać dwa elektrony walencyjne i utworzyć dwudodatnie jony. Oczywiście ta energia jest odzyskiwana z rekompensatą w momencie utworzenia kryształu jonowego, gdzie powstałe kationy berylowców silnie oddziałują elektrostatycznie z anionami niemetali. Sumaryczny zysk energetyczny jest jednak mniejszy niż w przypadku reakcji z udziałem atomów litowców. Właśnie dlatego berylowce są mniej reaktywne niż litowce.