Sārmzemju metāli ir ķīmisko elementu kopa, kas atrodas ķīmisko elementu periodiskās tabulas 2. grupā. Grupā ietilpst šādi elementi: berilijs (Be), magnijs (Mg), kalcijs (Ca), stroncijs (Sr), bārijs (Ba) un rādijs (Ra). Šie metāli ir pazīstami ar savām līdzīgajām ķīmiskajām īpašībām. To reaktivitāte ir zemāka salīdzinājumā ar sārmu metāliem jeb 1. grupu.
sārmzemju metāli
pēc IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nomenklatūras 2. grupas ķīmiskie elementi
Saistītie šķirkļi
Satura rādītājs
Īsa vēsture
Par sārmzemju metālu atklāšanas sākumpunktu uzskatāms 19. gs. sākums. Lai gan līdz tam brīdim sārmzemju savienojumi bija zināmi un to īpašības apskatītas, neviens nebija spējis izdalīt šos elementus brīvā veidā. Hamfrijs Deivijs (Humphry Davy) bija pirmais pētnieks, kuram brīvā veidā izdevās iegūt lielu daļu no sārmzemju metāliem. Viņš, veicot dažādu kausētu sāļu elektrolīzi, 1808. gadā atklāja magniju, kalciju, stronciju un bāriju. Berilijs, lai gan senos laikos bija pazīstams kā berils un smaragds, kā elements tika izolēts daudz vēlāk, 1828. gadā, un to paveica Frīdrihs Vēlers (Friedrich Wöhler) un Antuāns Bisī (Antoine Alexandre Brutus Bussy). Rādijs, pēdējais elements grupā, tika atklāts visvēlāk, un to paveica Marija Sklodovska-Kirī (Maria Salomea Skłodowska-Curie) un Pjērs Kirī (Pierre Curie) 1898. gadā. Lai gan 1898. tiek uzskatīts par rādija atklāšanas gadu, tomēr kā brīvu vielu M. Sklodovskai-Kirī un Andrē Luijam Debjēram (André-Louis Debierne) to izdevās izdalīt tikai 1910. gadā pēc rādija hlorīda elektrolīzes.
Atrašanās dabā
Sārmzemju metāli relatīvi plaši ir pieejami Zemes garozā, lai gan tie nepastāv tīrā formā to reaktivitātes dēļ. Tos bieži sastop dažādos minerālos un rūdās. Berilijs ir sastopams vairāk nekā 100 minerālos, tomēr tā izplatība ir ļoti zema. Visbiežāk berilijs ir sastopams berilā, bertrandītā un fenakītā – berilija silikātā. Magnijs plaši ir sastopams magnezītā, dolomītā, talkā, brucītā un citos minerālos, tomēr salīdzinoši lielās koncentrācijās tas atrodams arī jūras ūdenī. Noteikti jāizceļ arī magnija svarīgā loma dabā, kur tas sastopams vairāku enzīmu sastāvā. Pazīstamākā magnija atrašanās vieta dzīvajā dabā ir hlorofila sastāvs. Kalcijs tipiski ir sastopams kaļķakmenī, kalcītā – kalcija karbonātā, aragonītā, ģipsī –, kalcija sulfāta dihidrātā un dažādos citos kalcija sāļos. Stroncijs ir sastopams celestītā un stroncianītā, kas attiecīgi ir stroncija sulfāts un stroncija karbonāts. Bārijs atrodas barīta, kas ir bārija sulfāta minerāls, un viterīta, kas ir bārija karbonāta minerāls, sastāvā, tomēr salīdzinoši augstas bārija koncentrācijas atrodamas arī jūras ūdenī. Rādijs ir sastopams urāna un torija rūdā, visplašāk to iegūst no uraninīta. Sārmzemju procentuālais saturs Zemes garozas iežos: 0,0002 % berilija, 2,1 % magnija, 3,6 % kalcija, 0,04 % stroncija, 0,00425 % bārija un 1∙10-11 % rādija.
Izotopi
Katram sārmzemju metālam ir vairāki izotopi ar dažādu neitronu skaitu. Daži izotopi ir stabili, savukārt citi ir radioaktīvi. Berilijam ir viens stabilais izotops, berilijs-9 (9Be), un daži radioaktīvi izotopi. Magnijam ir trīs stabilie izotopi: magnijs-24 (24Mg), kas ir sastopams visbiežāk un veido 79 % no kopējiem magnija izotopiem, magnijs-25 (25Mg) un magnijs-26 (26Mg). Magnijs-28 ir radioaktīvs, un to 20. gs. 50.–70. gados veidoja daži atomreaktori, lai veiktu eksperimentus. Kalcijam ir pieci stabilie izotopi: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca. Lielāko daļu no sastopamajiem izotopiem veido kalcijs-40 un kalcijs-44, kas atrodami 96,9 % un 2,1 % no visiem kalcija izotopiem. Kalcijam arī ir radioaktīvi izotopi: 41Ca, 45Ca, 47Ca un 48Ca. Stroncijam ir četri stabilie izotopi: 84Sr, 86Sr, 87Sr un 88Sr. Stroncijs-88 veido 82,6 % no dabā sastopamā stroncija. Stroncijam ir vairāki radioaktīvi izotopi, no kuriem jāizceļ 89Sr un 90Sr. Kopumā bārijam ir 40 izdalīti izotopi, tomēr septiņi no tiem ir stabilie izotopi: 130Ba, 132Ba, 134Ba, 135Ba, 136Ba, 137Ba un 138Ba. No stabilo bārija izotopu kopējiem atomiem 71,7 % veido tieši bārijs-138. Rādijs ir radioaktīvs elements, un stabilākais izotops ir 226Ra, kura pussabrukšanas laiks ir 1600 gadi.
Fizikālās īpašības
Sārmzemju metāliem ir tipiskas metāliskas īpašības. Tie ir spīdīgi un sudrabaini balta izskata, kad tie ir nesen griezti, kas norāda uz to augsto spēju atstarot redzamo gaismu. Šis spīdums rodas no brīvi plūstošo elektronu klātbūtnes metāla kristālrežģī, kas var absorbēt un atkal izstarot gaismu. Sārmzemju metālu blīvums parasti pieaug grupas lejupejošajā virzienā. Šī tendence ir saistīta ar atomu lieluma un masas pieaugumu, tomēr tā ne vienmēr īstenojas, pateicoties lādiņa blīvumam, kas veidojas no elektronu apvalka. Berilija blīvums ir apmēram 1,85 g/cm3, magnija – 1,74 g/cm3, kalcija – 1,55 g/cm3, stroncija – 2,64 g/cm3, bārija – 3,51 g/cm3, bet rādija – 5,5 g/cm3. Sārmzemju metāli ir lieliski elektrības vadītāji. Šī īpašība izriet no to metāliskās saistīšanās, kur ārējais elektronu apvalks tiek delokalizēts un brīvi pārvietojas pa metāla kristālrežģi. Kad piemēro potenciālo starpību, šie elektroni var plūst un nest elektrisko strāvu. Šo augsto elektrisko vadītspēju izmanto dažādās tehnoloģijās. Sārmzemju metāli ir elastīgi un plastiski, kas nozīmē, ka tie var veidot plānus vadus un izveidot plāksnes formas. Šī īpašība, līdzīgi kā citas iepriekš minētās īpašības, ir novērojama, pateicoties metālisko saišu esamībai, kur metāla režģa atomi var viegli slīdēt cits pār citu, nepārraujot saites. Šo metālu elastīgums un plastiskums noder dažādu formu detaļu veidošanai.
Ķīmiskās īpašības
Sārmzemju metāli ir mazāk aktīvi salīdzinājumā ar sārmu metāliem, tomēr tiem joprojām ir augsta reaktivitāte, jo tiem ir tieksme zaudēt divus valences elektronus un iegūt stabilu elektronu konfigurāciju. Šī reaktivitāte pieaug, aplūkojot grupu lejupejošā virzienā, kur berilijs ir vismazāk aktīvais, bet rādijs – aktīvākais. Sārmzemju metāli viegli reaģē ar skābekli, veidojot oksīdus. Sārmzemju metālu oksīdiem vispārējā formula ir MO, kur M apzīmē metāla katjonu. Šie oksīdi ir bāziska rakstura un var neitralizēt skābes, veidojot sāļus un ūdeni. Jāizceļ vienīgi berilija oksīds, kuram vairāk ir amfotēra nekā bāziska daba, proti, berilija oksīds spēj reaģēt arī ar bāzēm. Starp tipiskām reakcijām jāizceļ arī sārmzemju metālu spēja reaģēt ar halogēniem, tādējādi veidojot halogenīdus ar vispārējo formu MX2, kur X apzīmē halogēna anjonu. Sārmzemju metāli arī spēj reaģēt ar slāpekli paaugstinātā temperatūrā (jeb degot). Ja sārmzemju metāls tiek aizdedzināts gaisa atmosfērā, tad veidosies gan metālu oksīds, gan metālu nitrīdi ar vispārējo formulu M3N2. Lielākā daļa sārmzemju metālu spēj reaģēt ar ūdeni un veidot hidroksīdus ar vispārējo formulu M(OH)2, arī ūdeņradi. Berilijs ar ūdeni neveido hidroksīdu, bet veido berilija oksīdu. Tomēr berilija hidroksīdu ir iespējams iegūt, apstrādājot berilija sāls šķīdumu ar nātrija hidroksīdu. Iegūst nātrija sāli un berilija hidroksīdu. Līdzīgi kā berilija oksīds, arī berilija hidroksīds ir amfotērs un spēj reaģēt gan ar bāzēm, gan ar skābēm. Atlikušie sārmzemju metālu hidroksīdi ir bāziski un reaģē ar skābēm, lai veidotu to sāļus un ūdeni.
Izmantošana
Saistībā ar to, ka berilijs ir relatīvi toksisks, tas netiek plaši izmantots ikdienā, tomēr berilijam ir vairāki pielietojumi. Pateicoties tam, ka berilijs ir viegls un izturīgs materiāls, no tā mēdz izgatavot aviācijai nepieciešamās detaļas. Turklāt berilijs neabsorbē rentgenstarus, tāpēc no berilija izgatavo rentgenstaru iekārtu lodziņus. Magnijs ir viens no visplašāk izmantotajiem metāliem, galvenokārt, lai veidotu metālu sakausējumus. Tā kā magnijam ir zems blīvums, tā sakausējumus izmanto automašīnu, lidmašīnu un raķešu detaļu ražošanā. Magnija pulveri plaši izmanto arī pirotehnikā. Organiskajā ķīmijā magniju lieto, jo magnijorganiskajiem savienojumiem ir plašas izmantošanas iespējas. Kalciju kā metālu izmanto citu metālu (piemēram, torija) ražošanā. Tur tas darbojas kā reducētājs un ļauj iegūt vēlamo metālu brīvā formā. Ikdienā vairāk izmanto kalcija savienojumus nekā pašu kalciju. Kalcija sulfāts jeb ģipsis tiek izmantots celtniecībā, bet kalcija oksīds – kā piedeva stiklam, krāsai, keramikai. Stroncija alumināts (SrAl2O4) plaši tiek izmantots naktī spīdošu materiālu, piemēram, pulksteņu ciparnīcu un izejas zīmju, izveidē. Šie materiāli dienas laikā absorbēja redzamo gaismu un tumsā to ilgstoši izstaroja. Vēl stroncija savienojumi tiek izmantoti pirotehnikā, jo stroncija joni krāso liesmu spilgti sarkanā krāsā. Bārija sulfāts bieži tiek izmantots kā kontrasta līdzeklis, veicot rentgenus vai datortomogrāfiju. Bārija nitrātu un tā monohidrātu mēdz izmantot pirotehnikā, lai iegūtu gaiši zaļu vai zaļu liesmas krāsu. Tā kā rādijs ir radioaktīvs, to mūsdienās gandrīz nelieto, tomēr agrāk rādija savienojumi tika izmantoti naktī spīdošu pārklājumu un krāsu ražošanā. Atšķirībā no stroncija alumināta, kas uztvēra redzamo gaismu, lai to lēnām izstarotu tumsā, rādija savienojumi paši izstaroja gaismu, radioaktīvi sadaloties.