🗂️ بطاقة المجموعة
| رقم المجموعة | 2 (IIA) |
| اسم المجموعة | الفلزات القلوية الترابية |
| الفئة | الفئة s |
| إلكترونات التكافؤ | ns² |
| حالة الأكسدة الشائعة | +2 |
| عدد العناصر | 6 |
ما هي الفلزات القلوية الترابية؟
تضم المجموعة الثانية (2A) في الجدول الدوري ستة عناصر تُعرف بالفلزات القلوية الترابية (وتُسمى أيضاً الفلزات القلوية الأرضية)، وهي: البيريليوم (Be)، والمغنيسيوم (Mg)، والكالسيوم (Ca)، والسترونشيوم (Sr)، والباريوم (Ba)، والراديوم (Ra). تشترك هذه العناصر في امتلاك إلكترونين في غلاف التكافؤ (ns²)، ولذلك تتشابه في كثير من خواصها الكيميائية والفيزيائية.
موقعها في الجدول الدوري
تشغل عناصر المجموعة الثانية العمود الثاني من يسار الجدول الدوري. تقع ضمن عناصر الفئة s، وتمتلك جميعها إلكتروني تكافؤ في الغلاف الخارجي. تبدأ المجموعة من الأعلى بالبيريليوم (Be) وتنتهي بالراديوم (Ra).
عناصر المجموعة الثانية
الجدول التالي يوضح أسماء عناصر المجموعة الثانية ورموزها وبياناتها الأساسية.
| العنصر | الرمز | العدد الذري | التوزيع الإلكتروني الخارجي |
|---|---|---|---|
| البيريليوم | Be | 4 | [He] 2s² |
| المغنيسيوم | Mg | 12 | [Ne] 3s² |
| الكالسيوم | Ca | 20 | [Ar] 4s² |
| السترونشيوم | Sr | 38 | [Kr] 5s² |
| الباريوم | Ba | 56 | [Xe] 6s² |
| الراديوم | Ra | 88 | [Rn] 7s² |
لماذا سُميت بالفلزات القلوية الترابية؟
يعود أصل التسمية إلى أن أكاسيد هذه الفلزات كانت تُعرف قديماً باسم "الأتربة" لعدم قابليتها للذوبان في الماء، بينما تُنتج هيدروكسيداتها محاليل قاعدية (قلوية). ومن هنا جاء المسمى المركب "الفلزات القلوية الترابية".
التركيب الإلكتروني وعلاقته بالنشاط الكيميائي
تمتلك جميع عناصر المجموعة الثانية التركيب الإلكتروني العام ns²، حيث يمثل n رقم الدورة. يعني ذلك وجود إلكترونين في الغلاف الخارجي، تفقدهما الفلزات لتصل إلى التوزيع الإلكتروني المستقر لأقرب غاز نبيل، مكوّنة أيونات موجبة ثنائية التكافؤ (+2). بالمقارنة مع الفلزات القلوية (المجموعة الأولى) التي تمتلك إلكتروناً واحداً فقط، فإن طاقة التأين للفلزات القلوية الترابية أعلى، مما يجعلها أقل نشاطاً من نظيراتها في المجموعة الأولى.
الخواص الفيزيائية للفلزات القلوية الترابية
تتميز الفلزات القلوية الترابية بمظهر فلزي لامع عند قصها حديثاً، وتتفاوت صلابتها بين العناصر. أبرز خواصها:
- فلزات صلبة عند درجة حرارة الغرفة (البيريليوم صلد جداً، بينما بقية العناصر أطرى نسبياً).
- كثافة منخفضة إلى متوسطة تزداد تدريجياً نزولاً في المجموعة (باستثناء بعض التذبذبات).
- درجات انصهار وغليان مرتفعة مقارنة بالفلزات القلوية، ولكنها لا تتبع اتجاهاً منتظماً بسيطاً نزولاً في المجموعة.
- موصلية كهربائية وحرارية جيدة.
- ألوان لهب مميزة عند تسخينها: الكالسيوم (أحمر طوبي)، السترونشيوم (أحمر قرمزي)، الباريوم (أخضر مصفر)، المغنيسيوم (أبيض ساطع).
ألوان اللهب المميزة لبعض الفلزات القلوية الترابية في اختبار اللهب؛ إذ يعطي الكالسيوم لهبًا أحمر طوبي، والسترونشيوم أحمر قرمزي، والباريوم أخضر مصفر، بينما ينتج المغنيسيوم ضوءًا أبيض ساطعًا عند احتراقه.
| العنصر | الكثافة (غ/سم³) | درجة الانصهار (°م) | درجة الغليان (°م) |
|---|---|---|---|
| بيريليوم | 1.85 | 1287 | 2970 |
| مغنيسيوم | 1.74 | 650 | 1090 |
| كالسيوم | 1.55 | 842 | 1484 |
| سترونشيوم | 2.64 | 769 | 1384 |
| باريوم | 3.51 | 727 | 1897 |
| راديوم | 5.5 | 700 | 1737 |
اتجاهات الخواص الدورية في المجموعة الثانية
يوضح الجدول التالي كيف تتغير الخواص الفيزيائية والكيميائية لعناصر المجموعة الثانية عند الانتقال من الأعلى إلى الأسفل.
| الخاصية | الاتجاه عند النزول في المجموعة |
|---|---|
| نصف القطر الذري | يزداد ⬆️ |
| طاقة التأين | تقل ⬇️ |
| الكهرسالبية | تقل ⬇️ |
| النشاط الكيميائي | يزداد ⬆️ |
| درجة الانصهار | لا تتبع اتجاهاً منتظماً (تنخفض ثم تتباين) |
| الكثافة (عامة) | تزداد ⬆️ |
يرجع هذا التغير المنتظم في أغلب الخواص إلى زيادة عدد مستويات الطاقة الرئيسية عند النزول في المجموعة، مما يزيد من حجم الذرة ويُضعف جذب النواة لإلكترونات التكافؤ.
لماذا الفلزات القلوية الترابية أقل نشاطاً من الفلزات القلوية؟
تعود الفروق في النشاط الكيميائي بين المجموعتين إلى عاملين رئيسيين: طاقة التأين الأعلى في عناصر المجموعة الثانية (لوجود إلكترونين في الغلاف الخارجي بدلاً من واحد)، وحجم الذرة الأصغر نسبياً. فالجهد المطلوب لإزالة إلكترونين أكبر من الجهد اللازم لإزالة إلكترون واحد، مما يجعل التفاعلات أقل عنفاً. ومع ذلك، تزداد النشاطية نزولاً في المجموعة، حيث يُصبح فقد الإلكترونين أسهل بسبب كبر نصف القطر الذري.
الخواص الكيميائية وأهم التفاعلات
الفلزات القلوية الترابية أقل نشاطاً من الفلزات القلوية، لكنها تظل عوامل مختزلة قوية. تزداد نشاطيتها نزولاً في المجموعة، ويتصدر البيريليوم قائمة الشذوذ بعدم تفاعله مع الماء.
أ. التفاعل مع الماء
يختلف تفاعل الفلزات القلوية الترابية مع الماء بشكل كبير بين عناصر المجموعة: البيريليوم لا يتفاعل مع الماء حتى عند التسخين، والمغنيسيوم يكاد لا يتفاعل مع الماء البارد بسبب طبقة الأكسيد الواقية، لكنه يتفاعل بسهولة مع الماء الساخن وبخار الماء، بينما الكالسيوم والسترونشيوم والباريوم تتفاعل بسهولة متزايدة مع الماء البارد. المعادلة العامة:
\[\ce{M + 2H2O -> M(OH)2 + H2 \uparrow}\]
- المغنيسيوم مع البخار: \[\ce{Mg + H2O (steam) -> MgO + H2}\]
- الكالسيوم مع الماء البارد: \[\ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2}\]
ب. التفاعل مع الأكسجين
تتفاعل الفلزات القلوية الترابية مع الأكسجين لتكوين أكاسيد الفلز. ويكوّن الباريوم أيضاً فوق أكسيد الباريوم (BaO₂) عند الاحتراق في وفرة من الأكسجين. المعادلة العامة:
\[\ce{2M + O2 -> 2MO}\]
ج. التفاعل مع الهالوجينات
تتفاعل الفلزات القلوية الترابية مع الهالوجينات لتكوين هاليدات الفلز. المعادلة العامة:
\[\ce{M + X2 -> MX2}\]
حيث X = F, Cl, Br, I.
د. التفاعل مع الأحماض
تتفاعل الفلزات القلوية الترابية مع الأحماض المعدنية المخففة لإنتاج ملح الفلز وغاز الهيدروجين. المعادلة العامة:
\[\ce{M + 2HCl -> MCl2 + H2 \uparrow}\]
لماذا يُعتبر البريليوم عنصراً شاذاً في المجموعة الثانية؟
يُظهر البيريليوم خواصاً شاذة مقارنة ببقية الفلزات القلوية الترابية، ترجع أساساً إلى:
- صغر حجمه الذري مقارنة ببقية المجموعة.
- ارتفاع طاقة التأين والكهروسالبية لديه.
- قدرته العالية على استقطاب الأيونات (نسبة الشحنة إلى نصف القطر الذري).
أبرز مظاهر هذا الشذوذ:
- العدد التناسقي: لا يتجاوز 4، بينما بقية المجموعة تصل إلى 6.
- تكوين الروابط: يميل إلى تكوين روابط تساهمية، بينما تشكل بقية المجموعة روابط أيونية غالباً.
- التفاعل مع الماء: لا يتفاعل مع الماء حتى عند التسخين، بخلاف بقية المجموعة.
- درجة الانصهار والغليان: أعلى بكثير من بقية عناصر المجموعة.
لماذا لا توجد الفلزات القلوية الترابية منفردة في الطبيعة؟
لا توجد الفلزات القلوية الترابية حرة (منفردة) في الطبيعة بسبب نشاطها الكيميائي، بل توجد دائماً على شكل مركبات في المعادن المختلفة. من أمثلتها: الكالسيوم في الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم CaCO₃)، والمغنيسيوم في معدن الدولوميت (CaMg(CO₃)₂)، والبريليوم في معدن البيريل (Be₃Al₂Si₆O₁₈).
التحضير والاستخلاص
تُحضّر الفلزات القلوية الترابية صناعياً بطرق تختلف باختلاف العنصر ونشاطه الكيميائي. الطرق الرئيسية:
- التحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة: الطريقة الأساسية لتحضير المغنيسيوم والكالسيوم والسترونشيوم والباريوم. يُستخدم كلوريد الفلز المنصهر (مثل MgCl₂) وتُختزل أيونات الفلز عند المهبط.
- الاختزال الكيميائي: يُحضّر البيريليوم عادة باختزال فلوريد البيريليوم (BeF₂) باستخدام المغنيسيوم عند درجات حرارة عالية.
طرق الحفظ والتخزين
تختلف طرق حفظ الفلزات القلوية الترابية حسب نشاطها: الكالسيوم والباريوم (وأحياناً السترونشيوم) تُحفظ تحت الزيت أو في جو خامل لمنع تأكسدها، بينما المغنيسيوم يحمي نفسه بطبقة أكسيد واقية تمنع استمرار التفاعل. يُوصى بحفظها جميعاً في عبوات محكمة الإغلاق بعيداً عن الرطوبة.
أهم الاستخدامات العملية
| العنصر | أبرز الاستخدامات |
|---|---|
| البيريليوم | سبائك الطائرات والصواريخ لخفة وزنه وصلابته، نوافذ أنابيب الأشعة السينية، مكونات المفاعلات النووية. |
| المغنيسيوم | سبائك خفيفة الوزن للسيارات والطائرات، الألعاب النارية (لهب أبيض ساطع)، عامل مختزل في اختزال التيتانيوم من TiCl₄، مكمل غذائي وأدوية. |
| الكالسيوم | صناعة الأسمنت والجير والجبس، عامل مختزل لتحضير فلزات أخرى، مكمل غذائي لصحة العظام، مكون في الأدوية. |
| السترونشيوم | الألعاب النارية (لهب أحمر قرمزي)، صناعة الزجاج الملون وأنابيب الأشعة المهبطية، معاجين الأسنان الحساسة. |
| الباريوم | سوائل التباين الطبية (عصيدة الباريوم)، الألعاب النارية (لهب أخضر)، صناعة الزجاج والمطاط. |
| الراديوم | استخدامات تاريخية محدودة (دهانات مضيئة، أبحاث علمية). يُتوقع أن تكون خواصه مشابهة للباريوم، لكن نشاطه الإشعاعي يجعل دراسته واستخدامه محدودين. |
كيف يمكن تمييز الفلزات القلوية عن الفلزات القلوية الترابية؟
يمكن التمييز بين المجموعتين بعدة طرق:
- عدد إلكترونات التكافؤ: واحد في القلوية (ns¹) مقابل اثنين في القلوية الترابية (ns²).
- شدة التفاعل مع الماء: القلوية تتفاعل بعنف أكبر.
- ألوان اللهب: لكل عنصر لون مميز، لكنها تختلف بين المجموعتين.
- صلابة الفلز: القلوية الترابية أصلب عموماً من القلوية.
- درجات الانصهار: القلوية الترابية أعلى بكثير.
مقارنة سريعة مع الفلزات القلوية (المجموعة الأولى)
تمتلك الفلزات القلوية إلكترون تكافؤ واحداً، بينما تمتلك الفلزات القلوية الترابية إلكتروني تكافؤ، ولذلك تكون أقل نشاطاً وأكثر صلابة وذات درجات انصهار أعلى. تزداد قاعدية الأكاسيد والهيدروكسيدات نزولاً في المجموعة، لكنها تبقى أقل قاعدية من نظيراتها في المجموعة الأولى.
ملخص سريع
- تضم المجموعة الثانية ستة فلزات قلوية ترابية: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra.
- تمتلك جميعها إلكتروني تكافؤ (ns²)، وتفقدها لتكوين أيونات +2.
- تزداد النشاطية الكيميائية ونصف القطر الذري من الأعلى إلى الأسفل، بينما تقل طاقة التأين والكهرسالبية.
- أقل نشاطاً من الفلزات القلوية وأكثر صلابة وذات درجات انصهار أعلى.
- لا توجد حرة في الطبيعة، وتحضر بالتحليل الكهربائي لأملاحها المنصهرة.
- البيريليوم عنصر شاذ: لا يتفاعل مع الماء، ويميل للروابط التساهمية، وله عدد تناسقي 4.
- استخداماتها تشمل السبائك، الألعاب النارية، مواد البناء، والتطبيقات الطبية.
الأسئلة الشائعة (FAQ)
لماذا لا توجد الفلزات القلوية الترابية منفردة في الطبيعة؟
لأنها نشطة كيميائياً وتتفاعل مع الأكسجين والماء، لذا توجد فقط على شكل مركبات في المعادن المختلفة مثل الحجر الجيري والدولوميت.
لماذا يظهر البريليوم شذوذاً عن باقي عناصر المجموعة الثانية؟
بسبب صغر حجمه الذري، وارتفاع طاقة التأين والكهروسالبية لديه، وقدرته العالية على استقطاب الأيونات. هذا يجعله يكون روابط تساهمية ولا يتفاعل مع الماء.
لماذا الفلزات القلوية الترابية أقل نشاطاً من الفلزات القلوية؟
لأنها تحتاج إلى فقد إلكترونين (وليس إلكتروناً واحداً) للوصول إلى التوزيع المستقر، مما يتطلب طاقة تأين أعلى، بالإضافة إلى صغر نصف القطر الذري نسبياً.
لماذا تمتلك عناصر المجموعة الثانية حالة أكسدة +2؟
لأنها تحتوي على إلكترونين في غلاف التكافؤ (ns²)، وتفقدهما معاً للوصول إلى التوزيع الإلكتروني المستقر لأقرب غاز نبيل، مما ينتج أيوناً موجباً ثنائي التكافؤ (+2).
لماذا يزداد النشاط الكيميائي نزولاً في المجموعة الثانية؟
بسبب زيادة نصف القطر الذري وزيادة عدد مستويات الطاقة، مما يُضعف جذب النواة لإلكترونات التكافؤ، فتصبح طاقة التأين أقل ويسهل فقد الإلكترونين والتفاعل.
كيف تُحضر الفلزات القلوية الترابية صناعياً؟
الطريقة الرئيسية هي التحليل الكهربائي لأملاحها المنصهرة (مثل كلوريد المغنيسيوم أو كلوريد الكالسيوم)، حيث تختزل أيونات الفلز عند المهبط.
هل تحفظ الفلزات القلوية الترابية تحت الزيت مثل الفلزات القلوية؟
الكالسيوم والباريوم (وأحياناً السترونشيوم) تُحفظ تحت الزيت أو في جو خامل، بينما المغنيسيوم يحمي نفسه بطبقة أكسيد واقية. البيريليوم أقل عرضة للأكسدة ولا يحتاج لحفظ خاص.
- البيريليوم صلد جداً لدرجة أنه يخدش الزجاج، ويُستخدم في نوافذ أنابيب الأشعة السينية لشفافيته العالية للأشعة.
- المغنيسيوم يحترق بلهب أبيض ساطع لدرجة أنه كان يُستخدم في فلاشات الكاميرات القديمة.
- الراديوم عنصر مشع، اكتشفته ماري كوري، وكان يُستخدم تاريخياً في الدهانات المضيئة قبل معرفة مخاطره.
- الكالسيوم هو خامس أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، ويُشكل حوالي 3.5% من وزنها.
