鹼土金屬全攻略：性質、趨勢與週期表對角規則解析 | 莫斯利自然科學
為什麼有些金屬的氧化物堅硬耐高熱、難以熔化，甚至被古代煉金術士稱為具有「土」的性質？在週期表的第 2 族中，這群隱身於礦石與地殼深處的鹼土金屬，究竟具備什麼樣獨特的物理特性與化學活性？
一、 鹼土金屬的存在與製備
存在狀態：
鹼土族元素的價電子組態為 nS²，容易失去兩個價電子變成帶 +2 電荷的陽極離子。
因為活性較大，在自然界中均以化合物型態存在（如碳酸鹽、硫酸鹽或矽酸鹽），其中鎂與鈣的含量較為豐富。
製備方法：
主要透過電解法來製取。
MgCl₂(l) ──(通電)──→ Mg(l) + Cl₂(g)↑
（工業上主要利用電解熔融態氯化物製取鹼土金屬，例如電解熔融氯化鎂製取金屬鎂。）
實務上通常先將礦石以鹽酸處理，使其轉變成氯化物，再以電解法電解此熔融態的氯化物來獲得金屬。
MgCO₃ + 2HCl → MgCl₂ + CO₂↑ + H₂O
二、 鹼土金屬物理性質與趨勢比較表
因其氧化物具有高熱不熔且不易分解的「土」性質，故稱為「鹼土金屬」。下表整理了鈹 (Be) 至鋇 (Ba) 的重要物理特性：
元素符號 | 鈹 (Be) | 鎂 (Mg) | 鈣 (Ca) | 鍶 (Sr) | 鋇 (Ba) | 趨勢與特性說明 |
熔點 (℃) | 1278 | 650 | 840 | 770 | 730 | 隨原子序增加，熔、沸點呈現不規則變化。 |
沸點 (℃) | 2970 | 1090 | 1485 | 1385 | 1637 | 數值高低交錯，無單純遞增或遞減趨勢。 |
鍵能 (kJ/mol) | 327 | 148 | 176 | 164 | 174 | 金屬晶格鍵能同樣呈不規則變化。 |
電負度 | 1.5 | 1.2 | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 隨原子序增加而逐漸減小。 |
焰色反應 | 無色 | 無色 | 紅橙 | 深紅 | 綠 | 燃燒時會發出獨特的燦爛焰色。 |
三、 鹼土金屬的化學性質
強還原劑：
鹼土金屬的化學活性相似，均為強還原劑，且還原力隨原子序增加而變大。
2Mg + O₂ → 2MgO
Ca + Cl₂ → CaCl
與水反應：
鹼土金屬或其氫化物與水反應會產生氫氣 (H₂)，反應活性隨原子序增加而增強。。
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂↑
CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑
氧化物製備：
可由金屬在氧氣中加熱，或將其碳酸鹽類熱分解製得。
2Mg + O₂ → 2MgO
2Ca + O₂ → 2CaO
MgCO₃ ──(加熱)──→ MgO + CO₂↑
CaCO₃ ──(加熱)──→ CaO + CO₂↑
氫氧化物鹼性強弱：
除 Be(OH)₂ 為兩性氫氧化物外，其餘氫氧化物的鹼性隨原子序增加而漸增；其中 Mg(OH)₂ 為弱鹼，其餘均為強鹼。
（1）氧化物與水反應生成氫氧化物：
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
BaO + H₂O → Ba(OH)₂
（2）氫氧化鈹具有兩性：
Be(OH)₂ + 2HCl → BeCl₂ + 2H₂O
Be(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Be(OH)₄]
（3）氫氧化鎂為弱鹼，難溶於水；其餘鹼土金屬氫氧化物的鹼性隨原子序增加而增強。
四、 講義精選例題解析
【題型一：鹼土金屬性質綜合判斷】
【題目】 下列關於鹼土金屬的敘述，何者正確？ (A) 鹼土金屬之氫氧化物為鹼性 (B) 鹼土金屬之第一游離能較同週期的鹼金屬高 (C) 鹼土金屬之晶體結構相似，所以熔、沸點隨原子序增加而增大 (D) 常利用還原法來得到鹼土金屬 (E) 鹼土金屬之化合物鍵結皆為離子鍵 (F) 氫氧化物的鹼性隨原子序增加而增大 (G) 鹼土金屬為強的還原劑 (H) 將鹼土金屬之碳酸鹽熱分解可得氧化物與二氧化碳 (I) Be 的化合物鍵結具有共價性 (J) 鹼土金屬在自然界有游離態存在者 (K) 鹼土金屬與水反應會產生氫氣 (L) Ca 是地球上存量最多的鹼土金屬 (M) Li 和 Mg 具有對角規則
【解析】
(A) 正確：多數鹼土金屬氫氧化物呈鹼性。
(B) 正確：同週期中，鹼土金屬（2A 族）的價電子數為 2 且半徑較小，其第一游離能 (IE₁) 確實高於同週期的鹼金屬（1A 族）。
(C) 錯誤：鹼土金屬的熔、沸點呈現不規則變化，並非隨原子序單純增大。
(D) 錯誤：工業上是利用電解熔融氯化物法製取，而非一般化學還原法。
(E) 錯誤：由於 Be 原子半徑小、電荷密度高，其化合物（如 BeCl₂）具有顯著的共價性。
(F) 正確：氫氧化物的鹼性隨原子序增加（向下）而增強。
(G) 正確：鹼土金屬易失電子，為強還原劑。
(H) 正確：碳酸鹽熱分解可得金屬氧化物與二氧化碳（例如 CaCO₃ ➔ CaO + CO₂）。
(I) 正確：鈹 (Be) 的化合物鍵結具有高度共價性質。
(J) 錯誤：鹼土金屬活性大，自然界中沒有游離態，全以化合物存在。
(K) 正確：與水反應會放出氫氣。
(L) 錯誤：地殼中含量最多的鹼土金屬是鈣 (Ca) 或鎂，但以總量而言鈣在地殼中名列前茅（地殼中含量最多金屬為鋁，鹼土金屬中鈣鎂最豐，但鈣含量略多於鎂）。
(M) 正確：週期表中同週期相鄰兩族斜對角的元素（如 Li 與 Mg）化學性質相似，稱為對角規則。
正確選項彙整：(A)、(B)、(F)、(G)、(H)、(I)、(K)、(M)
【題型二：同週期 1A 族與 2A 族性質比較】
【題目】 下列同週期之 1A 族與 2A 族元素性質的比較，何者正確？ (A) 原子半徑：1A > 2A (B) 熔點：1A > 2A (C) 化學活性：1A > 2A (D) 氧化物鹼性：1A > 2A (E) 化合物的水溶性：2A > 1A (F) 還原力：1A > 2A
【解析】
(A) 正確：同週期中，從左向右原子序增加，原子半徑遞減，因此 1A 族的原子半徑大於 2A 族。
(B) 錯誤：2A 族金屬每個原子可提供 2 個價電子參與金屬鍵，其金屬晶格鍵能與熔點通常高於同週期的 1A 族金屬。
(C) 正確：同週期中，1A 族（鹼金屬）只需失去 1 個電子即可達鈍氣態，其化學活性大於 2A 族。
(D) 正確：1A 族的金屬性較強，其氧化物溶於水形成的鹼性強度大於同週期的 2A 族氧化物。
(E) 錯誤：1A 族的鹽類（如 NaCl, Na₂CO₃ 等）溶解度普遍大於 2A 族的對應鹽類（如 CaCO₃, BaSO₄ 許多難溶），故化合物水溶性應以 1A 族較大。
(F) 正確：1A 族金屬極易失去唯一的價電子，其還原力大於同週期的 2A 族。
正確選項彙整：(A)、(C)、(D)、(F)
五、 莫斯利重點整理
名稱由來： 鹼土金屬氧化物耐高熱且難溶，具備古代認定的「土」之性質。
熔點異常： 鹼土金屬的熔、沸點與鍵能隨原子序增加呈不規則變化，別誤以為單純遞增或遞減。
氫氧化物特性：
Be(OH)₂ 是兩性氫氧化物。
Mg(OH)₂ 是弱鹼。
其餘均為強鹼，且鹼性隨原子序增加而增強。
與 1A 族比較： 2A 族比同週期 1A 族擁有更高的熔點、第一游離能 (IE₁)，但原子半徑較小、化學活性與還原力稍弱。