Przeczytaj

Do berylowcówberylowceberylowców zaliczamy pierwiastki znajdujące się w drugiej grupie układu okresowego, takie jak: beryl, magnez, wapń, stront, bar i rad. Tradycyjnie nazywane są metalami ziem alkalicznych. Nie pomyl ich z metalami alkalicznymi, których nazwa przypisana jest do litowców.

bg‑cyan

Występowanie

W większości są to pierwiastki często występujące w przyrodzie, ale nigdy w stanie wolnym. Beryl wchodzi w skład minerałów i niektórych kamieni szlachetnych. Wapń i magnez tworzą skorupę ziemską, wchodząc w skład skał osadowych. Wapń tworzy m.in. kalcyt ( ${CaCO}_{3}$ ), gips ( ${CaSO}_{4} \cdot 2 H_{2} O$ ) oraz anhydryt ( ${CaSO}_{4}$ ). Magnez znajduje się w składzie magnezytu ( ${MgCO}_{3}$ ), a wraz z solą wapnia tworzy dolomit
( ${CaCO}_{3} \cdot {MgCO}_{3}$ ). Rad można znaleźć w rudach uranu.

R1VMq4jcz4jn71

Zdjęcie przedstawia skalisty szczyt górski. Skały są szare i jasnożółte. Tworzą warstwy i uskoki. U podnóża góry część zbocza jest porośnięta roślinnością. — Włoskie Dolomity
Źródło: Llez, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Właściwości fizyczne

Polecenie 1

Jakie informacje na temat budowy atomów berylowców możemy odczytać z układu okresowego?

Jakie informacje na temat berylowców są zawarte w układzie okresowym pierwiastków? Zapoznaj się z opisem grafiki.

RBlD5XrQQDVaF

Ilustracja przedstawia układ okresowy pierwiastków. Znajdują się w nim nazwy oraz symbole pierwiastków, ich liczba atomowa, masa atomowa, bloki, w których leżą, a także okresy i grupy. 1. Beryl Symbol:

Be

Liczba atomowa:

4

Średnia liczba masowa:

9,01218

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

1551

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

3243

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

1,85

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[He] 2 s^{2}

, 2. Magnez Symbol:

Mg

Liczba atomowa:

12

Średnia liczba masowa:

24,305

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

922,0

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

1380

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

1,74

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[Ne] 3 s^{2}

, 3. Wapń Symbol:

Ca

Liczba atomowa:

20

Średnia liczba masowa:

40,08

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

1112

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

1757

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

1,54

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[Ar] 4 s^{2}

, 4. Stront Symbol:

Sr

Liczba atomowa:

38

Średnia liczba masowa:

87,62

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

1042

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

1657

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

2,6

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[Kr] 5 s^{2}

, 5. Bar Symbol:

Ba

Liczba atomowa:

56

Średnia liczba masowa:

137,33

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

998

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

1913

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

3,51

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[Xe] 6 s^{2}

, 6. Rad Symbol:

Ra

Liczba atomowa:

88

Średnia liczba masowa:

226,0254

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia:

II

Temperatura wrzenia [ $K$ ]:

973

Temperatura topnienia [ $K$ ]:

1413

Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ] w temp. $20 ° C$ :

5,0

Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona (zawierająca rdzeń gazu szlachetnego) w stanie podstawowym:

[Rn] 7 s^{2}

Pierwiastek promieniotwórczy!

Układ okresowy pierwiastków, podzielony na bloki energetyczne

Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Konfiguracja elektronów walencyjnych atomów berylowców w stanie podstawowym to $n s^{2}$ .

Na ogół berylowce mają stosunkowo duży promień atomowy i małą elektroujemność. W związku z tym, pierwiastki te, tworząc związki, oddają dwa elektrony walencyjne. Powstają związki o budowie jonowej.

Wyjątkiem jest jednak beryl. Pośród berylowców ma największą wartość elektroujemności i najmniejszy promień atomowy. Przekłada się to na jego aktywność chemiczną – nie oddaje elektronów, ale je uwspólnia, tworząc w związkach wiązania kowalencyjne.

Właściwości fizyczne berylowców

Metal	Masa Atomowa $[u]$	Promień atomowy $[pm]$	Elektroujemność	Temperatura topnienia $[° C]$	Temperatura wrzenia $[° C]$	Gęstość $[\frac{g}{{cm}^{3}}]$	Kolor płomienia
Beryl	$9,01$	$105$	$1,57$	$1287$	$2469$	$1,85$	biały
Magnez	$24,31$	$150$	$1,31$	$650$	$1090$	$1,738$	oślepiający biały
Wapń	$40,08$	$180$	$1,00$	$842$	$1484$	$1,54$	ceglastoczerwony
Stront	$87,62$	$200$	$0,95$	$777$	$1382$	$2,64$	karmazynowy
Bar	$137,33$	$215$	$0,89$	$727$	$1897$	$3,594$	żółto--‑zielony
Rad	$226$	$221$	$0,9$	$700$	$1737$	$5,5$	karmazynowy

Polecenie 2

Patrząc na zamieszczone zdjęcie kryształu magnezu, co możesz o nim powiedzieć?

Zapoznaj się z opisem zdjęcia przedstawiającego kryształ magnezu.

RDPVPKBPK0qtI

Ilustracja przedstawia kryształ magnezu. Ma srebrną barwę. Jego powierzchnia jest urozmaicona licznymi wgłębieniami, bruzdami, warstwami, blaszkami. — Kryształ magnezu
Źródło: Mark Fergus, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 3.0.

Berylowce, metale znajdujące się w drugiej grupie układu okresowego, charakteryzują się typowymi właściwościami fizycznymi, wynikającymi z obecności wiązania metalicznego. Berylowce w stanie wolnym to srebrzystobiałe ciała stałe z charakterystycznym metalicznym połyskiem. Natomiast związki chemiczne berylowców w stanie stałym mają na ogół barwę białą, a w roztworach są bezbarwne. Większość pierwiastków ziem alkalicznych można stosunkowo łatwo od siebie rozróżnić, wykorzystując barwienie płomienia palnika przez ich związki.

Polecenie 3

R1TL8UQhgB7dh1

Na zdjęciu na ludzkiej dłoni leży mała, metalowa kulka. — Kawałek berylu na dłoni
Źródło: Duga3, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Weź do ręki kryształ berylowca, np. magnezu. Zbadaj, jak odczuwasz jego temperaturę. Sprawdź, czy możesz zarysować go paznokciem.

Kryształ magnezu, w chwili wzięcia go do ręki, wydaje się zimny, lecz po chwili ogrzewa się. Świadczy to o jego dobrym przewodnictwie cieplnym. Kryształ ulega również zarysowaniu, gdy podrapiemy go paznokciem.

bg‑gray1

Badanie przewodnictwa ciepła

Aby stwierdzić, czy dany metal przewodzi ciepło, można wykonać następujące doświadczenie.

Blaszkę wykonaną z badanego metalu umieszcza się na statywie. Następnie na jednym końcu blaszki należy umieścić kostkę lodu, natomiast drugi koniec ogrzewa się w płomieniu palnika. Jeżeli badany materiał jest przewodnikiem ciepła, kostka lodu po jakimś czasie zacznie się topić. Im metal lepiej przewodzi ciepło, tym szybciej roztopi się lód.

bg‑gray1

Badanie twardości metali

Do wyznaczenia twardości metali wykorzystuje się sklerometr. Składa się on z diamentu obciążonego stalową kulką o znanej masie, który upuszczany jest z określonej wysokości na badaną próbkę. Wysokość odbicia rejestrowana jest za pomocą podziałki umieszczonej w rurce sklerometrycznej. Wynik porównuje się ze standardem twardości – próbką odniesienia o znanej twardości.

RMMQjPUk2YL2E

Ilustracja przedstawia schemat urządzenia. Urządzenie umieszczone jest na podstawie. Główna część sklerometru jest pionowa, podłużna. Znajduje się w niej diament ze stalowym obciążnikiem. Uderza w znajdującą się na dole próbkę. W górnej części jest wybijak oraz rurka. — Schemat sklerometru
1. Wybijak; 2. Badana próbka; 3. Rurka sklerometryczna zamontowana na statywie; 4. Diament ze stalowym obciążnikiem

Sód można ciąć nożem, natomiast z berylowcami nie jest to tak łatwe. Można je zarysować, są stosunkowo miękkimi metalami, ale twardszymi od litowców.

Polecenie 4

Berylowce to metale – przypomnij sobie, jakie cechy posiadają substancje z wiązaniem metalicznymwiązanie metalicznewiązaniem metalicznym?

Metale posiadają niewielkie wartości elektroujemności, dlatego też chętnie oddają elektrony. W kryształach metali dodatnie rdzenia atomowe oddziałują elektrostatycznie ze swobodnymi elektronami walencyjnymi. Powstaje tzw. gaz elektronowy, który znacząco wpływa na właściwości tych substancji.

bg‑gray1

Kowalność i ciągliwość

Mechaniczna obróbka metali pozwala sprawdzić, czy dany materiał nadaje się do plastycznego formowania, np. przez kucie. W tym celu wystarczy spłaszczyć metal przy użyciu młotka – jeśli materiał popęka, oznacza to, że ma on słabe właściwości kowalne.

R1LvTLH6e5Hru

Ilustracja przedstawia mężczyznę na ulicy, który za pomocą młota i kowadła obrabia metalowy drut. — Kowal wykorzystujący młot i kowadło do obróbki metalowego pręta
Źródło: By Jacek Rużyczka, Own work, commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Co typowe, dla większości metali, berylowce są kowalne i ciągliwe. Można je stosunkowo łatwo formować lub spłaszczać. W wyniku takich czynności na powierzchni metalu nie powinny pojawić się żadne pęknięcia. Z tego względu magnez jest najlżejszym metalem użytkowym. Charakteryzują się też dobrym przewodnictwem elektrycznym i, jak wykazaliśmy wcześniej, dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto berylowce posiadają stosunkowo niskie temperatury topnienia, przez co mogą znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle.

bg‑gray1

Gęstość metali

Do wyznaczania gęstości metali ( $ρ$ ) wykorzystuje się siłę wyporu, czyli prawo Archimedesa. Badanie przebiega następująco:

Na wadze umieszcza się zlewkę z płynem o znanej gęstości. Następnie należy wykonać $2$ pomiary:

z próbką metalu umieszczoną nad zlewką – w ten sposób wyznacza się wagę metalu na powietrzu (A);
z próbką metalu zanurzoną w cieczy (B).

Dzięki temu można wyznaczyć gęstość próbki z następującego wzoru:

ρ = \frac{A}{A - B} \cdot (ρ_{0} - ρ_{L}) + ρ_{L}

gdzie $ρ_{0}$ to gęstość cieczy, a $ρ_{L}$ to gęstość powietrza.

R2ZPTKjeajskO1

Ilustracja przedstawia schemat doświadczenia. Na początku ilustracji są trzy zielone walce. Strzałka w prawo. Na wadze umieszczono zlewkę z płynem. Szalka wagi jest zanurzona w zlewce. Walec umieszczono nad zlewką. Strzałka w prawo. Walec umieszczono na szalce wagi znajdującej się w zlewce - w wodzie. Strzałka w prawo. Kalkulator. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Temperatura topnienia

RUKbcrSZS22jL

Ilustracja przedstawia cienkie blaszki. Są metalowe, srebrne. Znajdują się w szklanym naczyniu. — Berylowce mają niskie temperatury topnienia, $T_{topnienia}$ magnezu wynosi $650 ° C$ .
Źródło: dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.

Temperaturę topnienia, czyli temperaturę, w której ciało stałe zmienia stan skupienia na ciekły, można wyznaczyć, wykorzystując aparat Thielego.

Dawniej, w zatopionej na jednym końcu kapilarze, umieszczano niewielką ilość badanego związku. Następnie kapilarę przyczepiano do termomentru i całość umieszczano w tubie aparatu Thielego, który wypełniony był olejem. Bok aparatu ogrzewano w płomieniu palnika, co powodowało ogrzanie oleju, który z kolei topił zawartość kapilary. Temperaturę, w której badany związek uległ stopieniu, odczytywano z termometru.

RY2Hb29DiN6Ps1

Ilustracja przedstawia okno pomiarowe w aparacie do wyznaczania temperatur topnienia. W okrągłym oknie widać kapilarę ze związkiem, która położona jest po środku, między 2 czujnikami temperatur. W oknie widać rozżarzone kawałki próbki. — Obserwacja stapiania próbki
Źródło: By IreBerte, Own work, commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Obecnie wykorzystuje się zautomatyzowaną wersję aparatu Thielego, w której kapilarę ze związkiem umieszcza się bezpośrednio w urządzeniu, gdzie jest ona ogrzewana. Obok kapilary znajduje sie czujnik temperatury, która wyświetlana jest na ekranie aparatu. W oknie pomiarowym można obserwować postęp stapiania próbki.

Rru7IUxIU2OKa1

Ilustracja przedstawia budowę aparatu Thielego. Kształt aparatu jest zbliżony do tradycyjnej probówki z boczną szklaną rurką tworzącą kształt trójkąta. Aparat zatkany jest korkiem. Przez korek przechodzi termometr. W górnej części szyjki aparatu znajduje się łapa połączona ze statywem. Badaną substancję, której temperatura topnienia ma zostać oznaczona, wprowadza się do szklanej kapilarki zatopionej na jednym końcu. Kapilara jest przymocowana do termometru, tak aby badana substancja znajdowała się na wysokości jego zbiorniczka. Termometr połączony jest z kapilarą za pomocą gumki. Termometr wraz z kapilarą zanurza się w cieczy wypełniającej aparat. W dolnej części zestawu znajduje się zapalony palnik. Kierunek przepływu gorącego oleju odbywa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Na dno opada schłodzony olej. — Schemat budowy aparatu Thielego
Źródło: GroMar Sp. z o.o. Opracowano na podstawie: http://bc.pollub.pl/Content/4866/PDF/BN_75_6026_68.pdf, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

Odkryty przez Marię Skłodowską–Curie i Piotra Curie rad jest pierwiastkiem silnie promieniotwórczym. Posiada $33$ niestabilne izotopy.

Ciekawostka

Berylowce znajdują zastosowanie w produkcji fajerwerków – odpowiadają za niektóre kolory sztucznych ogni. Jony magnezu sprawiają, że obserwujemy białe fajerwerki, jony wapnia – pomarańczowe, strontu – czerwone, a jony baru – zielone.

REb0co0zR5ZUX

Zdjęcie przedstawia palnik z wysokim czerwonawym płomieniem. Palnik stoi na podłodze w pomieszczeniu. W tle są jest statyw na probówki, wiaderka z naczyniami laboratoryjnymi. — Barwienie płomienia jonami wapnia
Źródło: Roman Kynčl, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Słownik

berylowce

inaczej metale ziem alkalicznych, pierwiastki znajdujące się w drugiej grupie układu okresowego

wiązanie metaliczne

wiązanie występujące w metalach, polega na elektrostatycznym oddziaływaniu kationów metalu i elektronów walencyjnych, tworzących tzw. gaz elektronowy

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa $2013$ .

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., To jest chemia. Podręcznik dla szkół ponadgimnazjalnych. Zakres podstawowy, Warszawa $2012$ .

Beryl, online: https://www.naukowiec.org/wiedza/chemia/beryl_443.html, dostęp: $04.03.2022$ .

Gwóźdź E., Stront (Sr) – właściwości, działanie i występowanie strontu, online: https://www.ekologia.pl/zdrowie/pierwiastki/stront-sr-wlasciwosci-dzialanie-i-wystepowanie-strontu,23092.html, dostęp: $04.03.2022$ .

Magnez, online: https://www.naukowiec.org/wiedza/chemia/magnez_525.html, dostęp: $04.03.2022$ .

Wapń, online: https://www.naukowiec.org/wiedza/chemia/wapn_3170.html, dostęp: $04.03.2022$ .

Wprowadzenie

Film edukacyjny

Występowanie

Właściwości fizyczne

Badanie przewodnictwa ciepła

Badanie twardości metali

Kowalność i ciągliwość

Gęstość metali

Temperatura topnienia

Słownik

Bibliografia