Métaux alcalino-terreux

Caractéristiques des métaux alcalino-terreux

Symbole : Be, Mg, Ca, Sr, Ba et Ra
Masse atomique : –
Numéro CAS : –
Configuration électronique : –
Numéro atomique : 12, 20, 38, 56,88
Groupe : 2
Bloc : –
Famille d’éléments : Métal alcalino-terreux
Conductivité thermique : –
Point d’ébullition : –

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Les métaux alcalino-terreux : propriétés, apparences, applications et rôle biologique.

Les métaux alcalino-terreux sont constitués de six éléments chimiques situés dans le deuxième groupe du tableau périodique tels que le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum et le radium. Ils ont tous une couleur blanche argentée ainsi qu’un éclat brillant. À pression et température normales, leur réactivité chimique est assez élevée. Cette propriété est liée à la présence de deux électrons dans leur sous-couche électronique s, qui sont facilement perdus pour former un cation divalent ayant un état d’oxydation de +2. Les métaux alcalino-terreux ont été nommés ainsi en référence au terme « métaux de terre » utilisé en alchimie, qui résistent au feu, les oxydes de métaux alcalino-terreux restant solides à des températures élevées.

Propriétés des métaux alcalino-terreux

Les métaux alcalino-terreux ont un aspect argenté et sont très souples. Ils fondent facilement et leur densité est faible. Ils réagissent avec les halogènes et l’eau pour créer des composés tels que des sels ioniques et des hydroxydes. Cependant, leur réactivité avec l’eau est moins importante que celle des métaux alcalins. Ils deviennent plus réactifs au fur et à mesure que leur numéro atomique augmente. Notons que le chlorure de béryllium est un cas spécial, car il est covalent et que le béryllium ne réagit pas facilement avec l’eau.

Apparence des six métaux alcalino-terreux

Le béryllium et le magnésium ont une apparence plutôt grise en raison de l’existence d’une fine couche d’oxyde protectrice passivant BeO et MgO, respectivement. En revanche, le calcium, le strontium, le baryum et le radium sont plus brillants et plus mous. Toutefois, la surface de ces métaux s’oxyde rapidement lorsqu’elle est exposée à l’air libre.

Par exemple, le calcium ne réagit qu’avec de l’eau chaude, tandis que le magnésium ne réagit qu’avec de la vapeur d’eau : Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂.

Le béryllium est un cas particulier dans ce groupe de métaux. Il ne réagit ni avec l’eau liquide ni avec la vapeur d’eau et ses halogénures sont covalents. Même le fluorure de béryllium, qui est censé être le plus ionique des halogénures de béryllium, est essentiellement covalent avec une basse température de fusion à 553,85 °C et une faible conductivité électrique à l’état liquide.

Il est possible de caractériser les ions M2+ provenant des éléments alcalino-terreux tels que le Ca, le Sr et le Ba de manière qualitative en utilisant un test de flamme. Pour effectuer ce test, il faut traiter un sel alcalino-terreux avec de l’acide chlorhydrique concentré pour obtenir un chlorure métallique volatil. Ensuite, en chauffant ce dernier dans la flamme réductrice d’un bec Bunsen, on peut observer une couleur spécifique pour chaque ion M2+. Par exemple, la flamme est rouge orangé pour le Ca (mais vert pâle à travers du verre bleu), pourpre pour le Sr (mais violette à travers du verre bleu) et vert pomme pour le Ba.

Élément	Masse atomique	Température de fusion	Température d’ébullition	Masse volumique	Rayon atomique	Configuration électronique²	Énergie d’ionisation	Électronégativité (Pauling)
Béryllium	9,012 183 1 u	1 287 °C	2 469 °C	1,85 g·cm^-3	112 pm	[He] 2s²	899,5 kJ·mol^-1	1,57
Magnésium	24,305 5 u	650 °C	1 091 °C	1,738 g·cm^-3	160 pm	[Ne] 3s²	737,7 kJ·mol^-1	1,31
Calcium	40,078(4) u	842 °C	1 484 °C	1,55 g·cm^-3	197 pm	[Ar] 4s²	589,8 kJ·mol^-1	1,00
Strontium	87,62(1) u	777 °C	1 377 °C	2,64 g·cm^-3	215 pm	[Kr] 5s²	549,5 kJ·mol^-1	0,95
Baryum	137,327(7) u	727 °C	1 845 °C	3,51 g·cm^-3	222 pm	[Xe] 6s²	502,9 kJ·mol^-1	0,89
Radium	[226]	700 °C	1 737 °C	5,5 g·cm^-3	—	[Rn] 7s²	509,3 kJ·mol^-1	0,9

Applications

Les barres de combustible nucléaire destinées au réacteur CANDU sont fabriquées à l’aide de brasage à induction impliquant l’utilisation de béryllium.

Le béryllium est principalement utilisé dans des applications militaires. En tant que dopant de type p, il est également utilisé dans certains semi-conducteurs. L’oxyde de béryllium (BeO) est employé comme isolant électrique et conducteur thermique résistant. Grâce à ses propriétés générales, le béryllium est couramment utilisé dans des applications nécessitant une rigidité, une légèreté et une stabilité tridimensionnelle dans une plage de température étendue.

Le magnésium était souvent employé dans l’industrie pour son rôle structurel, car il possède des caractéristiques supérieures à celles de l’aluminium dans ce domaine. Néanmoins, son utilisation a été limitée à cause de son risque d’inflammation. Il est fréquemment allié à l’aluminium ou au zinc pour créer des matériaux présentant des propriétés attrayantes. Il est utilisé dans l’élaboration d’autres métaux, tels que le fer, l’acier et le titane.

Le calcium joue un rôle de réducteur dans la fragmentation de certains métaux de leurs minerais, tels que l’uranium. Il est couramment combiné avec d’autres métaux, comme l’aluminium et le cuivre, pour former des alliages, et est également utilisé pour désoxyder certains types de combinaison. Il est impliqué dans la fabrication de mortier et de ciment.

Les métaux alcalino-terreux plus légers ont une plus grande variété d’applications que le strontium et le baryum. Par exemple, le carbonate de strontium SrCO3 est utilisé dans la production de feux d’artifice rouges et le strontium pur est employé pour étudier la libération des neurotransmetteurs par les neurones 4,5. Quant au baryum, il est sollicité pour le pompage du vide dans les tubes électroniques et le sulfate de baryum BaSO4 a des applications dans l’industrie pétrolière ainsi que dans d’autres domaines. Le radium était fréquemment employé dans le passé dans de nombreux domaines, mais il a été substitué par d’autres matériaux plus sûrs à cause de sa radioactivité, d’où une utilisation risquée. On l’exploitait notamment pour fabriquer des peintures luminescentes ; dans les années 30, il était ajouté à l’eau de table, aux dentifrices et aux produits cosmétiques, en raison de ses supposées propriétés rajeunissantes et bénéfiques liées à la radioactivité. Toutefois, due à sa dangerosité, le radium n’est plus utilisé de nos jours, même en radiologie où des sources radioactives plus intenses et plus sûres sont préférées.

Rôle biologique des métaux alcalino-terreux

Les éléments métalliques de la famille des alcalino-terreux présentent une grande diversité de fonctions biochimiques. Certains d’entre eux sont essentiels, tandis que d’autres sont fortement toxiques.

Le béryllium est peu soluble dans l’eau, ce qui explique sa rare présence dans les cellules vivantes. Bien qu’il n’ait pas de rôle biologique connu, il est généralement considéré comme très toxique pour les organismes vivants.

Le magnésium et le calcium sont des éléments essentiels dans les organismes vivants et ont des rôles importants. Par exemple, le magnésium agit comme cofacteur pour de nombreuses enzymes, tandis que les sels de calcium sont importants pour la structure osseuse chez les vertébrés et les coquilles chez les mollusques. Pour maintenir les gradients de concentration des ions Mg2+ et Ca2+ à travers les membranes cellulaires ou intracellulaires, qui sont impliqués dans de nombreux processus biochimiques fondamentaux, des pompes ioniques régulent leur transport.
Les éléments chimiques strontium et baryum sont considérés comme rares dans la biosphère, ce qui limite leur rôle biologique. Toutefois, chez les animaux marins tels que les coraux, le strontium est essentiel dans la synthèse de l’exosquelette. Ces éléments ont également des applications médicales. Le strontium est utilisé dans certains dentifrices, tandis que le baryum est utilisé comme agent de contraste dans l’imagerie médicale aux rayons X pour améliorer la visibilité des tissus internes. Ce dernier est administré aux patients sous forme de préparations barytées.
L’isotope 90Sr est un élément qui se forme lorsque de l’uranium se fissure. En cas d’un événement nucléaire imprévu tel qu’une fuite de déchets ou une explosion nucléaire, il se peut que cet élément pollue l’environnement et finisse par se fixer dans les os en se liant au phosphate de calcium.
En raison de sa rareté dans le milieu naturel et de sa forte radioactivité, le radium n’est pas présent dans les organismes vivants et peut leur être nocif en raison de sa toxicité radioactive.

Étymologie des métaux alcalino-terreux

Les termes utilisés pour nommer ces éléments sont basés sur leurs oxydes, communément appelés terres alcalines. Les oxydes en question étaient autrefois connus sous les noms de béryllia (oxyde de béryllium), magnésia, chaux vive, strontia et baryta.

La dénomination “alcalino-terreux” est attribuée aux métaux dont les oxydes se situent entre ceux des métaux alcalins et ceux des terres rares. Depuis l’Antiquité, les substances ayant une apparence inerte ont été classées comme “terreuses”. Le premier système connu remonte à la Grèce antique, où quatre éléments classiques ont été identifiés, dont la terre en fait partie. Par la suite, ce système a été développé par des philosophes et des alchimistes tels qu’Aristote, Paracelse, John Becher et George Stahl.

En 1789, Antoine Lavoisier a observé que les terres étaient en réalité des composés chimiques dans son Traité élémentaire de chimie. Il les a alors nommé substances simples salifiables terreuses. Il a également suggéré que les terres alcalines pourraient être des oxydes de métaux, mais il a admis que cela n’était qu’une hypothèse. Humphry Davy a poursuivi le travail de Lavoisier et en 1808, il a été le premier à avoir des fragments de métal en utilisant la technique de l’électrolyse des terres fondues.

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