Logam alkali tanah
Logam alkali tanah adalah enam unsur kimia dalam kolom (golongan) 2 pada Tabel periodik. Mereka adalah berilium (Be), magnesium (Mg), kalsium (Ca), stronsium (Sr), barium (Ba), dan radium (Ra). Unsur-unsurnya memiliki sifat yang sangat mirip: mereka semua adalah logam berkilau, putih keperakan, agak reaktif pada suhu dan tekanan standar.
Secara struktural, mereka memiliki kesamaan yaitu kelopak elektron s terisi penuh; artinya, orbital ini lengkap berisi dua elektron, sehingga unsur-unsur ini mudah kehilangan kedua elektron terluarnya untuk membentuk kation dengan muatan +2, dan tingkat oksidasi (bilangan oksidasi) +2.
Semua logam alkali tanah yang ditemukan terdapat di alam. Percobaan telah dilakukan untuk mencoba mensintesis unsur 120, calon anggota berikutnya pada golongan ini, namun mereka semua mengalami kegagalan.
Seperti golongan lain, anggota keluarga golongan ini menunjukkan pola dalam konfigurasi elektron mereka, terutama kelopak terluar, yang mengakibatkan tren perilaku kimia:
Sebagian besar kimia telah diamati hanya untuk lima anggota pertama golongan. Kimia radium belum mapan karena radioaktivitasnya; sehingga, penyajian sifat-sifatnya di sini menjadi terbatas.
Logam alkali tanah berwarna perak dan lembut, dan memiliki densitas, titik lebur, dan titik didih yang relatif rendah. Dalam istilah kimia, semua logam alkali tanah bereaksi dengan halogen untuk membentuk halida logam alkali tanah, yang semuanya berupa senyawa kristal ionik (kecuali berilium klorida, yang berikatan kovalen). Semua logam alkali tanah, kecuali berilium, juga bereaksi dengan air untuk membentuk alkali hidroksida kuat, dan, karenanya, harus ditangani dengan sangat hati-hati. Logam alkali tanah yang lebih berat bereaksi lebih keras daripada yang ringan. Logam alkali tanah memiliki energi ionisasi terendah kedua pada periode masing-masing dalam tabel periodik karena muatan inti efektif mereka yang rendah dan kemampuan untuk mencapai konfigurasi kelopak terluar penuh dengan kehilangan hanya dua elektron. Energi ionisasi kedua semua logam alkali tanah juga relatif rendah.
Berilium adalah pengecualian: Ia tidak bereaksi dengan air atau uap air, dan halidanya berikatan kovalen. Jika berilium membentuk senyawa dengan tingkat ionisasi +2, ia akan memolarisasi awan elektron yang berada di dekatnya dengan sangat kuat dan akan menyebabkan tumpangsuh orbital, karena berilium memiliki kepadatan muatan yang tinggi. Semua senyawa yang mengandung berilium memiliki ikatan kovalen. Bahkan senyawa berilium fluorida, yang merupakan senyawa berilium paling ionik, memiliki titik leleh rendah dan konduktivitas listrik rendah saat meleleh.
Semua logam alkali tanah memiliki dua elektron dalam kelopak valensi mereka, jadi keadaan yang disukai secara energik untuk mencapai kelopak elektron terisi penuh adalah kehilangan dua elektron untuk membentuk ion positif bermuatan ganda.
Semua logam alkali tanah bereaksi dengan halogen membentuk halida ionik, seperti kalsium klorida (), serta bereaksi dengan oksigen untuk oksida seperti stronsium oksida (). Kalsium, stronsium, dan barium bereaksi dengan air menghasilkan gas hidrogen dan hidroksidanya, dan juga mengalami reaksi transmetalasi untuk pertukaran ligan.
Tabel di bawah ini adalah ringkasan sifat fisika dan atom utama logam alkali tanah.
Semua logam alkali tanah, kecuali magnesium dan strontium, memiliki paling sedikit satu radioisotop alami: berilium-7, berilium-10, dan kalsium-41 adalah radioisotop renik, Kalsium-48 dan barium-130 memiliki waktu paruh yang sangat lama dan, dengan demikian, terjadi secara alami, dan semua isotop radium adalah radioaktif. Kalsium-48 adalah nuklida teringan yang dapat mengalami peluruhan beta ganda.
Radioisotop alami kalsium, kalsium-48, menyusun sekitar 0,1874% kalsium alami, sehingga, dengan demikian, kalsium alami adalah radioaktif lemah. Barium-130 menyusun sekitar 0,1062% barium alami, dan, karenanya, barium juga radioaktif lemah.
Logam alkali tanah dinamai sesuai dengan oksidanya, "tanah alkali", yang nama kunonya adalah berilia, magnesia, kapur, stronsia, dan barita. Oksida ini bersifat basa (alkalis) bila bereaksi dengan air. "Tanah" adalah istilah lama yang diterapkan oleh kimiawan awal terhadap zat nonmetalik yang tidak larut dalam air dan tahan terhadap pemanasan—sifat yang dimiliki oleh oksida ini. Kenyataan bahwa tanah ini bukan unsur tapi senyawa diungkap oleh kimiawan Antoine Lavoisier. Dalam karyanya "Traité Élémentaire de Chimie" ("Unsur Kimia") pada tahun 1789 dia menyebutnya unsur tanah pembentuk garam. Kemudian, ia menyarankan agar alkali tanah bisa berupa oksida logam, namun ia mengakui bahwa ini hanyalah dugaan belaka. Pada tahun 1808 Humphry Davy, yang bertindak berdasarkan gagasan Lavoisier, menjadi orang pertama yang memperoleh sampel logam melalui elektrolisis lelehan tanahnya, sehingga mendukung hipotesis Lavoisier dan menyebabkan golongan tersebut diberi nama "logam alkali tanah".
Senyawa kalsium kalsit dan kapur telah dikenal dan digunakan sejak zaman prasejarah. Hal yang sama berlaku untuk senyawa berilium beril dan zamrud. Senyawa logam alkali tanah lainnya ditemukan mulai awal abad ke-15. Senyawa magnesium magnesium sulfat pertama kali ditemukan pada tahun 1618 oleh seorang petani di Epsom, Inggris. Stronsium karbonat ditemukan pada mineral di desa Strontian, Skotlandia pada tahun 1790. Unsur terakhir adalah yang paling tidak melimpah: radioaktif radium, yang diekstraksi dari uraninit pada tahun 1898.
Semua unsur, kecuali berilium, diisolasi melalui elektrolisis lelehan senyawanya. Magnesium, kalsium, dan stronsium pertama kali diproduksi oleh Humphry Davy pada tahun 1808, sedangkan berilium diisolasi secara terpisah oleh Friedrich Wöhler dan Antoine Bussy pada tahun 1828 dengan mereaksikan senyawa berilium dengan kalium. Pada tahun 1910, radium diisolasi sebagai logam murni oleh Marie Curie dan André-Louis Debierne juga dengan elektrolisis.
Beril, mineral yang mengandung berilium, telah dikenal sejak zaman Kerajaan Ptolemeus di Mesir. Meskipun pada awalnya dianggap bahwa beril adalah aluminium silikat, beril kemudian ditemukan mengandung unsur yang tidak diketahui, saat tahun 1797, Louis-Nicolas Vauquelin melarutkan aluminium hidroksida dari beryl dalam alkali. Pada tahun 1828, Friedrich Wöhler dan Antoine Bussy secara terpisah mengisolasi unsur baru ini, berilium, dengan metode yang sama, yang melibatkan reaksi berilium klorida dengan logam kalium; reaksi ini tidak mampu menghasilkan ingot berilium yang besar. Baru pada tahun 1898, ketika Paul Lebeau melakukan elektrolisis campuran berilium fluorida dan natrium fluorida, sampel berilium murni yang besar dihasilkan.
Magnesium pertama kali diproduksi oleh Sir Humphry Davy di Inggris pada tahun 1808 dengan menggunakan elektrolisis campuran magnesia dan merkuri oksida. Antoine Bussy mempersiapkannya dalam bentuk yang koheren pada tahun 1831. Saran pertama Davy untuk sebuah nama adalah magnium, tetapi sekarang digunakan nama magnesium.
Kapur telah digunakan sebagai bahan untuk bangunan sejak 7000 sampai 14000 SM, dan tanur kapur telah ada sejak 2500 SM di Khafaja, Mesopotamia. Kalsium sebagai bahan telah dikenal sejak setidaknya abad pertama, karena Romawi Kuno diketahui telah menggunakan kalsium oksida yang disiapkan dari kapur. Kalsium sulfat telah dikenal mampu memperbaiki tulang patah sejak abad kesepuluh. Bagaimanapun, kalsium itu sendiri tidak diisolasi sampai tahun 1808, ketika Humphry Davy, di Inggris, melakukan elektrolisis pada campuran kapur dan merkuri oksida, setelah mendengar bahwa Jöns Jakob Berzelius telah menyiapkan amalgam kalsium dari elektrolisis kapur dalam raksa.
Pada tahun 1790, dokter Adair Crawford, yang telah bekerja dengan barium, menyadari bahwa bijih Strontian menunjukkan sifat yang berbeda dari bijih lain yang dianggap sebagai barium. Oleh karena itu, dia menyimpulkan bahwa bijih ini mengandung mineral baru, yang diberi nama "strontites" pada tahun 1793 oleh Thomas Charles Hope, seorang guru besar kimia di University of Glasgow, yang mengkonfirmasi penemuan Crawford. Stronsium akhirnya diisolasi pada tahun 1808 oleh Sir Humphry Davy dengan elektrolisis campuran stronsium klorida dan merkuri oksida. Penemuan tersebut diumumkan oleh Davy pada tanggal 30 Juni 1808 di sebuah kuliah kepada "Royal Society".
Barit, mineral yang mengandung barium, pertama kali dikenali mengandung unsur baru pada tahun 1774 oleh Carl Scheele, meskipun ia hanya dapat mengisolasi barium oksida. Barium oksida diisolasi kembali dua tahun kemudian oleh Johan Gottlieb Gahn. Kemudian pada abad ke-18, William Withering menengarai mineral berat di tambang timbal Cumberland, yang sekarang diketahui mengandung barium. Barium sendiri akhirnya diisolasi pada tahun 1808 ketika Sir Humphry Davy menggunakan elektrolisis dengan lelehan garam, dan Davy menamai unsur tersebut "barium", sesuai nama barita. Kemudian, Robert Bunsen dan Augustus Matthiessen mengisolasi barium murni dengan elektrolisis campuran barium klorida dan amonium klorida.
Saat mempelajari uraninit, pada tanggal 21 Desember 1898, Marie dan Pierre Curie menemukan bahwa, bahkan setelah uranium meluruh, materi yang dibuat masih bersifat radioaktif. Bahannya berperilaku agak mirip dengan senyawa barium, meskipun beberapa sifat, seperti warna uji nyala dan garis spektral, jauh berbeda. Mereka mengumumkan penemuan sebuah unsur baru pada tanggal 26 Desember 1898 di "French Academy of Sciences". Nama radium diberikan pada tahun 1899 dari kata "radius", yang berarti "sinar", karena radium memancarkan tenaga dalam bentuk sinar.
Berilium terdapat di kerak bumi dengan konsentrasi dua sampai enam bagian per juta (ppm), sebagian besar ada di tanah, dengan konsentrasi enam ppm. Berilium adalah salah satu unsur yang paling langka dalam air laut, bahkan lebih langka daripada unsur seperti skandium, dengan konsentrasi 0,2 bagian per triliun. Namun, di air tawar, berilium agak lebih melimpah, dengan konsentrasi 0,1 bagian per miliar.
Magnesium dan kalsium sangat banyak ditemukan di kerak bumi, dengan kalsium merupakan unsur kelima yang paling melimpah, dan magnesium kedelapan. Tak satu pun logam alkali tanah ditemukan sebagai unsur bebas, tapi magnesium dan kalsium banyak ditemukan dalam batuan dan mineral: magnesium dalam karnallit, magnesit, dan dolomit; dan kalsium dalam kapur, batu gamping, gipsum, dan anhidrit.
Stronsium adalah unsur kelima belas yang paling melimpah dalam kerak bumi. Kebanyakan stronsium ditemukan dalam mineral selestit dan stronsianit. Barium sedikit kurang umum, sebagian besar dalam mineral barit.
Radium, yang merupakan produk peluruhan uranium, ditemukan di semua bijih uranium. Oleh karena waktu paruhnya yang relatif singkat, radium dari awal sejarah Bumi telah meluruh, dan sampel hari ini semuanya berasal dari peluruhan uranium yang jauh lebih lambat.
Sebagian besar berilium diekstraksi dari berilium hidroksida. Salah satu metode produksi adalah sintering, dilakukan dengan mencampur beril, natrium fluorosilikat, dan soda pada suhu tinggi untuk membentuk natrium fluoroberilat, aluminium oksida, dan silikon dioksida. Larutan natrium fluoroberilat dan natrium hidroksida dalam air kemudian digunakan untuk membentuk berilium hidroksida dengan cara presipitasi. Sebagai alternatif, dalam metode lelehan, bubuk beril dipanaskan sampai suhu tinggi, didinginkan dengan air, kemudian dipanaskan sedikit lagi dalam asam sulfat, menghasilkan berilium hidroksida. Berilium hidroksida dari kedua metode tersebut kemudian menghasilkan berilium fluorida dan berilium klorida melalui proses yang agak panjang. Elektrolisis atau pemanasan senyawa ini kemudian dapat menghasilkan berilium.
Secara umum, stronsium karbonat diekstraksi dari mineral selestit melalui dua metode: dengan cara melindi selestit dengan natrium karbonat, atau dengan cara yang lebih rumit yang melibatkan batubara.
Untuk menghasilkan barium, bijih barit dipisahkan dari kuarsa, terkadang dengan metode flotasi buih, sehingga menghasilkan barit yang relatif murni. Karbon kemudian digunakan untuk mereduksi barit menjadi barium sulfida, yang dilarutkan dengan unsur lain untuk membentuk senyawa lain, seperti barium nitrat. Ini pada gilirannya didekompresi termal menjadi barium oksida, yang akhirnya menghasilkan barium murni setelah bereaksi dengan aluminium. Pemasok barium yang paling penting adalah China, yang memproduksi lebih dari 50% pasokan dunia.
Berilium digunakan terutama untuk aplikasi militer, tapi ada juga kegunaan lain dari berilium. Dalam elektronika, berilium digunakan sebagai dopan tipe p dalam beberapa semikonduktor, dan berilium oksida digunakan sebagai isolator listrik dan konduktor panas berkekuatan tinggi. Karena sifatnya yang ringan dan sifat lainnya, berilium juga digunakan dalam mekanika yang memerlukan kekakuan, ringan, dan stabilitas dimensi pada rentang suhu yang lebar.
Magnesium memiliki banyak kegunaan yang berbeda. Salah satu kegunaannya yang paling umum adalah di industri, di mana ia memiliki banyak keunggulan struktural dibandingkan bahan lain seperti aluminium, walaupun penggunaan ini telah menurun akhir-akhir ini karena sifat magnesium yang mudah terbakar. Magnesium juga sering dipadu dengan aluminium atau seng untuk membentuk bahan dengan sifat yang lebih diinginkan daripada logam murni apapun. Magnesium memiliki banyak kegunaan lain dalam aplikasi industri, seperti dalam produksi besi dan baja, serta produksi titanium.
Kalsium juga memiliki banyak kegunaan. Salah satu kegunaannya adalah sebagai reduktor dalam pemisahan logam lain dari bijih, seperti uranium. Ia juga digunakan dalam produksi paduan banyak logam, seperti paduan aluminium dan tembaga, dan juga digunakan untuk deoksidasi paduan. Kalsium juga memiliki peran dalam pembuatan keju, mortar, dan semen.
Strontium dan barium tidak memiliki banyak aplikasi seperti logam alkali tanah yang ringan, namun tetap ada manfaatnya. Stronsium karbonat sering digunakan dalam pemberi warna merah pada kembang api, dan stronsium murni digunakan dalam studi pelepasan neurotransmiter di dalam neuron. Barium memiliki beberapa kegunaan dalam tabung vakum untuk menghilangkan gas, dan barium sulfat memiliki banyak kegunaan dalam industri petroleum, serta industri lainnya.
Karena radioaktivitasnya, radium tidak lagi memiliki banyak aplikasi seperti dulu. Radium dulu sering digunakan dalam cat bercahaya, meskipun penggunaan ini dihentikan setelah membuat sakit para pekerja. Karena orang pernah berpikir bahwa radioaktivitas adalah hal yang baik, radium pernah ditambahkan ke dalam air minum, pasta gigi, dan banyak produk lainnya, meskipun juga tidak digunakan lagi mengingat dampak kesehatannya. Radium bahkan tidak lagi digunakan sifat radioaktifnya, karena ada bahan yang lebih kuat dan lebih aman daripada radium.
Magnesium dan kalsium ada di mana-mana dan penting bagi semua makhluk hidup. Mereka terlibat dalam lebih dari satu peran, misalnya, pompa ion magnesium atau kalsium berperan dalam beberapa proses seluler, magnesium berfungsi sebagai pusat aktif di beberapa enzim, dan garam kalsium mengambil peran struktural, terutama di dalam tulang.
Stronsium memainkan peran penting dalam kehidupan akuatik laut, terutama koral keras, yang menggunakan stronsium untuk membangun eksoskeleton mereka. Stronsium dan barium memiliki beberapa kegunaan dalam pengobatan, misalnya "makanan barium dalam pencitraan radiografi, sementara senyawa stronsium digunakan di beberapa pasta gigi. Kelebihan stronsium-90 adalah beracun karena radioaktivitasnya dan stronsium-90 dapat meniru kalsium dan kemudian bisa membunuh.
Berilium dan radium beracun. Kelarutan berilium dalam air rendah, berarti jarang tersedia untuk sistem biologis; ia tidak memiliki peran yang diketahui dalam organisme hidup dan, jika ditemui oleh mereka, biasanya sangat beracun. Radium memiliki kelimpahan rendah dan sangat radioaktif, sehingga beracun bagi kehidupan.
Logam alkali tanah berikutnya setelah radium diperkirakan unsur 120, meskipun ini mungkin tidak benar karena efek relativistik. Sintesis unsur 120 pertama kali dilakukan pada bulan Maret 2007, ketika sebuah tim di "Flerov Laboratory of Nuclear Reactions" di Dubna membombardir plutonium-244 dengan ion besi-58; namun, tidak ada atom yang diproduksi, yang mengarah ke batas penampang 400 fb pada energi yang dipelajari. Pada bulan April 2007, sebuah tim di GSI berusaha menciptakan unsur 120 dengan cara membombardir uranium-238 dengan nikel-64, meskipun tidak ada atom yang terdeteksi, yang mengarah ke batas reaksi 1,6 pb. Sintesis kembali diupayakan pada sensitivitas yang lebih tinggi, walaupun tidak ada atom yang terdeteksi. Reaksi lainnya telah dicoba, meski semua menemui kegagalan.
Sifat limia unsur 120 diperkirakan mendekati kalsium atau stronsium bukan barium atau radium. Ini tidak biasa karena tren periodik memprediksi unsur 120 lebih reaktif daripada barium dan radium. Hal ini menurunkan reaktivitas disebabkan oleh energi yang diharapkan dari elektron valensi unsur 120, meningkatkan energi ionisasi unsur 120 dan menurunkan jari-jari logam dan jari-jari ion.
Meskipun ekstrapolasi sederhana akan menempatkan unsur 170 sebagai anggota berikutnya dari deret ini, perhitungan menunjukkan bahwa unsur berikutnya dari rangkaian ini sebenarnya adalah unsur 166.