알칼리 토금속

|}

알칼리 토금속(- 土金屬, Alkaline earth metal)은 주기율표의 2족에 속하는 여섯 화학 원소이다. 베릴륨 (Be), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 라듐 (Ra)이 알칼리 토금속에 속한다. 이 원소는 매우 유사한 특성을 가지고 있는데, 모두 표준 온도 압력에서 광택이 나고 은백색을 띠며, 다소 반응성이 있는 금속이다.

헬륨과 함께 이들 원소는 공통적으로 가득 찬 바깥쪽 s 궤도를 가지고 있다. 즉, 이 궤도에는 두 개의 전자가 모두 채워져 있으며, 알칼리 토금속은 이 전자들을 쉽게 잃어 +2 전하를 가진 양이온을 형성하고 +2의 산화수를 갖는다. 헬륨은 비활성 기체에 속하며 알칼리 토금속에 속하지 않지만, 결합을 강제로 형성할 때 베릴륨과 일부 유사성을 가질 것으로 이론화되었으며 때때로 2족에 속할 것으로 제안되기도 했다.

발견된 모든 알칼리 토금속은 자연에서 발견되지만, 라듐은 우라늄과 토륨의 붕괴 사슬을 통해서만 존재하며 원시 원소는 아니다. 이 족의 다음 추정 원소인 120번 원소를 합성하려는 모든 시도는 성공하지 못했다.

 특성 

 화학적 특성 
다른 족과 마찬가지로, 이 족의 원소는 전자 배열, 특히 최외각 껍질에서 일정한 패턴을 보여 화학적 행동의 경향성을 나타낸다.

대부분의 화학은 이 족의 첫 다섯 원소에서만 관측되었다. 라듐의 화학은 방사성 때문에 잘 확립되어 있지 않다. 따라서 여기에 제시된 라듐의 특성은 제한적이다.

알칼리 토금속은 모두 은색을 띠고 부드러우며, 비교적 낮은 밀도, 녹는점, 끓는점을 가진다. 화학적으로 모든 알칼리 토금속은 할로젠과 반응하여 알칼리 토금속 할로젠화물을 형성하며, 이들은 모두 이온 결정 화합물이다(단, 염화 베릴륨, 베릴륨 브로민화물, 베릴륨 아이오딘화물은 공유 결합성이다). 베릴륨을 제외한 모든 알칼리 토금속은 물과 반응하여 강한 알칼리성 수산화물을 형성하므로, 매우 주의해서 다루어야 한다. 무거운 알칼리 토금속은 가벼운 것보다 더 격렬하게 반응한다. 알칼리 토금속은 유효 핵전하가 다소 낮고 단 두 개의 전자를 잃으면 꽉 찬 최외각 껍질 배열을 이룰 수 있기 때문에 주기율표의 해당 주기에서 두 번째로 낮은 첫 번째 이온화 에너지를 갖는다. 모든 알칼리 토금속의 두 번째 이온화 에너지도 다소 낮다.

베릴륨은 예외이다. 베릴륨은 매우 높은 온도가 아니면 물이나 수증기와 반응하지 않으며, 그 할로젠화물은 공유 결합성이다. 베릴륨이 +2의 이온화 상태를 가진 화합물을 형성한다면, 높은 전하 밀도를 가지고 있어 주변의 전자 구름을 매우 강하게 편극시키고 광범위한 궤도 겹침을 이끌 것이다. 베릴륨을 포함하는 모든 화합물은 공유 결합을 가진다. 가장 이온성인 베릴륨 화합물인 플루오린화 베릴륨조차도 낮은 녹는점과 낮은 용융 시 전기 전도도를 가진다.

모든 알칼리 토금속은 최외각 껍질에 두 개의 전자를 가지고 있으므로, 채워진 전자 껍질을 만들기 위한 에너지적으로 선호되는 상태는 두 전자를 잃어 이중으로 전하를 띤 양의 이온을 형성하는 것이다.

 화합물과 반응 
알칼리 토금속은 모두 할로젠과 반응하여 염화 칼슘()과 같은 이온성 할로젠화물을 형성하며, 산소와 반응하여 산화 스트론튬()과 같은 산화물을 형성한다. 칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 반응하여 수소 가스와 해당 수산화물을 생성하며(마그네슘도 반응하지만 훨씬 느리게), 또한 금속 교환 반응을 통해 리간드를 교환한다.

 물리적 및 원자적 특성 

 핵 안정성 
여섯 알칼리 토금속의 동위 원소는 모두 지구 지각과 태양계에 다양한 농도로 존재하며, 이는 핵종의 반감기와 핵 안정성에 따라 달라진다. 처음 다섯 원소는 각각 하나, 세 개, 다섯 개, 네 개, 여섯 개의 안정(또는 관찰적으로 안정) 동위 원소를 가지며, 총 19개의 안정 핵종은 각각 베릴륨-9, 마그네슘-24, -25, -26, 칼슘-40, -42, -43, -44, -46, 스트론튬-84, -86, -87, -88, 바륨-132, -134, -135, -136, -137, -138이다. 이 목록에서 밑줄 친 네 동위 원소는 방사성 핵종 붕괴 에너지에 의해 관측적으로만 안정하며 극도로 긴 반감기를 통해 이중 베타 붕괴할 것으로 예측되지만, 2024년 기준으로 이들 동위 원소의 붕괴라고 명확히 보이는 현상이 관측되지 않았다. 라듐은 안정하거나 원시 핵종 동위 원소가 없다.

안정 종 외에도 칼슘과 바륨은 각각 매우 긴 반감기를 가진 원시 방사성 핵종을 하나씩 가지고 있다. 칼슘-48과 바륨-130은 각각 년과 년의 반감기를 가진다. 두 반감기는 현재 우주의 나이보다 훨씬 길며 (각각 4.7×와 117× 억 배 길다), 지구 형성 이후 100억분의 1 미만만이 붕괴했다. 이 두 동위 원소는 현실적으로 사실상 안정하다.

21개의 안정 또는 거의 안정적인 동위 원소 외에도, 여섯 알칼리 토금속 원소는 각각 다수의 알려진 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 앞서 언급된 21개 외의 어떤 동위 원소도 원시 핵종이 아니다. 모두 태양계 형성 이후 근처 초신성과 중성자별 충돌로 무거운 핵이 퍼진 후에도 단 하나의 원자도 살아남기에는 반감기가 너무 짧으며, 현재 존재하는 것은 모두 진행 중인 다른 자연 과정에서 유래한다. 베릴륨-7, 베릴륨-10, 칼슘-41은 대기 또는 지각 원자와 우주선의 충돌로 형성되는 미량이자 우주 기원 핵종이다. 이들 중 가장 긴 반감기는 베릴륨-10의 138만 7천 년, 칼슘-41의 9만 9천 4백 년, 라듐-226 (라듐의 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소)의 1599년, 스트론튬-90의 28.90년, 바륨-133의 10.51년, 라듐-228의 5.75년이다. 나머지 모든 원소는 반감기가 0.5년 미만이며, 대부분은 훨씬 짧다.

칼슘-48과 바륨-130, 즉 두 개의 원시적이고 불안정한 동위 원소는 이중 베타 방출을 통해서만 붕괴하며 두 베타 붕괴가 동시에 일어날 확률이 극도로 낮기 때문에 극도로 긴 반감기를 가진다. 라듐의 모든 동위 원소는 높은 방사성을 띠며 주로 더 무거운 방사성 핵종의 붕괴를 통해 생성된다. 이들 중 가장 수명이 긴 것은 우라늄-238의 붕괴 사슬에 속하는 라듐-226이다. 스트론튬-90과 바륨-140은 원자로에서 우라늄의 흔한 핵분열 생성물이며, 열중성자에 충돌할 때 우라늄-235의 핵분열 생성물의 각각 5.73%와 6.31%를 차지한다. 두 동위 원소는 각각 28.90년과 12.7일의 반감기를 가진다. 스트론튬-90은 우라늄-235 또는 플루토늄-239 연료로 작동하는 원자로에서 상당량 생산되며, 자연 발생 우라늄의 드문 자발 핵분열 붕괴로 인해 미량의 영년 평형 농도도 존재한다.

칼슘-48은 이중 베타 붕괴를 겪는 것으로 알려진 가장 가벼운 핵종이다. 자연적으로 발생하는 칼슘과 바륨은 매우 약하게 방사성을 띠는데, 칼슘은 약 0.1874%의 칼슘-48을 포함하고 바륨은 약 0.1062%의 바륨-130을 포함한다. 평균적으로 90톤의 천연 칼슘, 또는 230톤의 석회암(탄산 칼슘)당 1초에 하나의 칼슘-48 이중 베타 붕괴가 발생한다. 같은 붕괴 메커니즘을 통해 16,000톤의 천연 바륨, 또는 27,000톤의 중정석 (황산 바륨)당 1초에 하나의 바륨-130 붕괴가 발생한다.

라듐의 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 1600년의 반감기를 가진 라듐-226이다. 이는 라듐-223, -224, -228과 함께 원시 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서 자연적으로 발생한다. 베릴륨-8은 형성될 때마다 거의 즉시 두 개의 알파 입자로 분열된다는 점에서 주목할 만하다. 별 내부의 삼중 알파 과정은 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째 알파 입자와 융합하여 탄소-12를 형성할 수 있을 만큼 충분히 높은 에너지에서만 발생할 수 있다. 이 열핵 속도 제한 병목 현상은 대부분의 주계열성이 핵에서 수십억 년 동안 수소 융합에 시간을 보내고, 드물게만 별 잔해로 붕괴하기 전에 탄소를 융합하며, 그마저도 겨우 약 1000년의 시간 규모에 불과한 이유이다. 알칼리 토금속의 방사성 동위 원소는 칼슘과 화학적으로 유사하게 작용하여 뼈의 조밀한 수산화인회석의 필수 성분으로 작용하므로 "뼈 추적자"가 되는 경향이 있으며, 시간이 지남에 따라 인체 골격에 점진적으로 축적된다. 체내에 통합된 방사성 핵종은 주로 알파 입자 방출을 통해 시간이 지남에 따라 골수에 상당한 손상을 입힌다. 이 특성은 특정 골종양의 방사선 요법에서 긍정적인 방식으로 활용되는데, 방사성 핵종의 화학적 특성으로 인해 뼈 조직의 암성 성장을 선택적으로 표적으로 삼아 나머지 신체는 비교적 손상되지 않기 때문이다.

주기율표의 이웃 원소에 비해 알칼리 토금속은 모두 2족 원소로서 짝수 양성자 수를 가지고 있기 때문에 더 많은 수의 안정 동위 원소를 가지는 경향이 있다. 이들의 동위 원소는 일반적으로 핵자 쌍 형성으로 인해 더 안정적이다. 이러한 안정성은 동위 원소가 짝수 중성자 수도 가질 경우 더욱 향상되는데, 이 경우 두 종류의 핵자가 모두 쌍 형성에 참여하고 핵 안정성에 기여할 수 있기 때문이다.

 역사 

 어원 
알칼리 토금속은 그 산화물인 알칼리토(alkaline earths)에서 이름을 따왔는데, 이들의 옛 이름은 베릴리아, 마그네시아, 석회, 스트론티아, 바리아였다. 이 산화물은 물과 결합하면 염기성(알칼리성)을 띤다. "토(earth)"는 초기 화학자들이 물에 불용성이며 가열에 강한 비금속 물질에 적용했던 용어였는데, 이 산화물들도 이러한 특성을 공유한다. 이 토들이 원소가 아니라 화합물이라는 사실을 깨달은 공로는 화학자 앙투안 라부아지에에게 있다. 그는 1789년 저서 Traité Élémentaire de Chimie에서 이들을 염 형성 토 원소라고 불렀다. 나중에 그는 알칼리 토가 금속 산화물일 수도 있다고 제안했지만, 이는 단순한 추측이라고 인정했다. 1808년, 라부아지에의 생각에 따라 험프리 데이비는 이들 용융된 토의 전기 분해를 통해 금속 시료를 처음으로 얻어냈고, 이로써 라부아지에의 가설을 지지하고 이 그룹이 알칼리 토금속이라는 이름을 얻게 되었다.

 발견 
칼슘 화합물인 방해석과 석회는 선사시대부터 알려지고 사용되어 왔다. 녹주석과 에메랄드 같은 베릴륨 화합물도 마찬가지이다. 다른 알칼리 토금속 화합물은 15세기 초부터 발견되기 시작했다. 마그네슘 화합물인 황산 마그네슘은 1618년 엡섬의 한 농부가 처음 발견했다. 탄산 스트론튬은 1790년 스코틀랜드 스트론티안 마을의 광물에서 발견되었다. 마지막 원소는 가장 희귀한 라듐으로, 1898년에 우라니나이트에서 추출되었다.

베릴륨을 제외한 모든 원소는 용융된 화합물의 전기 분해를 통해 분리되었다. 마그네슘, 칼슘, 스트론튬은 1808년 험프리 데이비가 처음 생산했고, 베릴륨은 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시가 베릴륨 화합물을 칼륨과 반응시켜 독립적으로 분리했다. 1910년, 라듐은 퀴리와 앙드레-루이 드비에른이 전기 분해를 통해 순수 금속으로 분리했다.

 베릴륨 
섬네일|right|200px|에메랄드는 베릴륨의 주요 광물인 녹주석의 일종이다.

베릴륨을 함유한 광물인 녹주석은 이집트의 프톨레마이오스 왕국 시대부터 알려져 있었다. 처음에는 녹주석이 알루미늄 규산염으로 생각되었지만, 1797년 루이-니콜라 보클랭이 녹주석에서 수산화 알루미늄을 알칼리에 녹였을 때 당시 알려지지 않은 원소를 함유하고 있음이 밝혀졌다. 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시는 염화 베릴륨과 금속 칼륨의 반응을 통해 이 새로운 원소인 베릴륨을 같은 방법으로 독립적으로 분리해냈지만, 이 반응으로는 큰 베릴륨 덩어리를 생산할 수 없었다. 1898년에 폴 르보가 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 나트륨 혼합물을 전기 분해하여 대량의 순수한 베릴륨 시료를 생산할 때까지는 대량 생산이 불가능했다.

 마그네슘 
마그네슘은 1808년 험프리 데이비가 마그네시아와 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 잉글랜드에서 처음 생산했다. 앙투안 뷔시는 1831년에 이를 응집된 형태로 만들었다. 데이비의 첫 번째 이름 제안은 마그늄이었지만, 현재는 마그네슘이라는 이름이 사용된다.

 칼슘 
석회는 기원전 7000~14000년부터 건축 자재로 사용되었으며, 석회 가마는 기원전 2500년 메소포타미아의 카파자에서부터 존재했다. 칼슘 자체는 적어도 1세기부터 알려져 있었는데, 고대 로마인이 석회로부터 산화 칼슘을 제조하여 사용했던 것으로 알려져 있다. 황산 칼슘은 10세기부터 부러진 뼈를 고정하는 데 사용될 수 있음이 알려졌다. 그러나 칼슘 자체는 1808년에 험프리 데이비가 옌스 야코브 베르셀리우스가 수은에 석회를 전기 분해하여 칼슘 아말감을 만들었다는 소식을 듣고 잉글랜드에서 석회와 산화 수은 혼합물을 전기 분해하여 분리할 때까지는 홑원소로 분리되지 않았다.

 스트론튬 
1790년, 의사 아데어 크로퍼드는 독특한 특성을 가진 광석을 발견했고, 이는 1793년 글래스고 대학교의 화학 교수인 토마스 찰스 호프가 스트론타이트로 명명했으며, 그가 크로퍼드의 발견을 확인했다. 스트론튬은 마침내 1808년 험프리 데이비가 염화 스트론튬과 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 분리했다. 이 발견은 1808년 6월 30일 데이비가 왕립 학회 강연에서 발표했다.

 바륨 
섬네일|right|150px|바륨을 처음 함유한 물질로 발견된 중정석.

바륨을 함유한 광물인 중정석은 1774년 칼 빌헬름 셸레가 새로운 원소를 함유하고 있음을 처음 알아냈지만, 그는 산화 바륨만을 분리할 수 있었다. 산화 바륨은 2년 후 요한 고틀리브 간이 다시 분리했다. 18세기 후반, 윌리엄 위더링은 컴벌랜드 납 광산에서 바륨을 함유하고 있다고 알려진 무거운 광물을 발견했다. 바륨 자체는 1808년 험프리 데이비가 용융 염을 이용한 전기 분해를 통해 최종적으로 분리되었고, 데이비는 바라이트의 이름을 따서 이 원소를 바륨이라고 명명했다. 나중에 로베르트 분젠과 아우구스투스 마티센은 염화 바륨과 염화 암모늄 혼합물의 전기 분해를 통해 순수한 바륨을 분리했다.

 라듐 
우라니나이트를 연구하던 중, 1898년 12월 21일 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 우라늄이 붕괴한 후에도 생성된 물질이 여전히 방사성을 띤다는 것을 발견했다. 이 물질은 바륨 화합물과 어느 정도 유사하게 행동했지만, 불꽃 반응의 색이나 스펙트럼 선과 같은 일부 특성은 훨씬 달랐다. 그들은 1898년 12월 26일 프랑스 과학 아카데미에 새로운 원소의 발견을 발표했다. 라듐은 1899년에 광선을 의미하는 'radius'라는 단어에서 이름을 따왔는데, 라듐이 광선 형태로 에너지를 방출했기 때문이다.

 존재 
섬네일|알칼리 토금속 모임

베릴륨은 지구 지각에 2~6 ppm의 농도로 존재하며, 대부분은 토양에 6 ppm의 농도로 존재한다. 베릴륨은 해수에서 가장 희귀한 원소 중 하나로, 스칸듐과 같은 원소보다도 희귀하여 0.2 ppt의 농도를 가진다. 그러나 담수에서는 베릴륨이 다소 더 흔하며, 0.1 ppb의 농도를 가진다.

마그네슘과 칼슘은 지구 지각에서 매우 흔하며, 각각 다섯 번째와 여덟 번째로 풍부한 원소이다. 알칼리 토금속 중 원소 상태로 발견되는 것은 없다. 흔한 마그네슘 함유 광물은 카날라이트, 마그네사이트, 백운석이다. 흔한 칼슘 함유 광물은 백악, 석회암, 석고, 경석고이다.

스트론튬은 지구 지각에서 15번째로 풍부한 원소이다. 주요 광물은 셀레스틴과 스트론티아나이트이다. 바륨은 약간 덜 흔하며, 대부분은 중정석 광물에 존재한다.

라듐은 우라늄의 붕괴 생성물이므로, 모든 우라늄 함유 광석에서 발견된다. 상대적으로 짧은 반감기 때문에 지구 초기에 생성되었던 라듐은 모두 붕괴했으며, 오늘날 볼 수 있는 샘플은 모두 훨씬 느린 우라늄 붕괴에서 비롯된 것이다.

 생산 
섬네일|upright=0.56|크로뮴 미량으로 녹색을 띠는 에메랄드는 베릴륨 알루미늄 규산염 광물인 녹주석의 일종이다.

여섯 알칼리 토금속의 생산은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.

 베릴륨 

대부분의 베릴륨은 수산화 베릴륨에서 추출된다. 한 가지 생산 방법은 소결인데, 녹주석, 플루오린화 규산 나트륨, 소다를 고온에서 혼합하여 플루오린화 베릴륨 나트륨, 산화 알루미늄, 이산화 규소를 형성한다. 그런 다음 플루오린화 베릴륨 나트륨과 수산화 나트륨의 물 용액을 사용하여 침전을 통해 수산화 베릴륨을 형성한다. 대안으로, 용융 방법에서는 분말 녹주석을 고온으로 가열하고 물로 냉각한 다음 황산에서 다시 약간 가열하여 결국 수산화 베릴륨을 얻는다. 두 방법 중 하나로 얻은 수산화 베릴륨은 다소 긴 과정을 통해 플루오린화 베릴륨과 염화 베릴륨을 생성한다. 이들 화합물의 전기 분해 또는 가열을 통해 베릴륨을 생산할 수 있다.

 스트론튬 

일반적으로 탄산 스트론튬은 셀레스틴 광물에서 두 가지 방법으로 추출된다. 하나는 탄산 나트륨으로 셀레스틴을 침출하는 것이고, 다른 하나는 석탄을 포함하는 더 복잡한 방법이다.

 바륨 

바륨을 생산하기 위해 바라이트 (불순한 황산 바륨)는 탄소열 환원 (예: 코크스)을 통해 황화 바륨으로 전환된다. 황화물은 수용성이며 쉽게 반응하여 상업용 안료로 사용되는 순수 황산 바륨이나 질산 바륨과 같은 다른 화합물을 형성한다. 이들은 차례로 소성되어 산화 바륨이 되고, 이는 알루미늄으로 환원된 후 최종적으로 순수 바륨을 생성한다. 가장 중요한 바륨 공급국은 중화인민공화국이며, 전 세계 공급량의 50% 이상을 생산한다.

 마그네슘 

마그네슘은 주로 마그네사이트 광석과 고회암에서 생산된다. 고회암을 분쇄하고, 구운 다음, 대형 탱크에 해수와 섞으면 수산화 마그네슘이 바닥에 침전된다. 가열하고 코크스를 섞고 염소와 반응시키면 용융 염화 마그네슘이 생성된다. 이를 전기 분해하면 마그네슘이 방출되어 표면으로 떠오른다.

 칼슘 

 라듐 

 응용 
베릴륨은 주로 군사 응용 분야에 사용되지만, 비군사적 용도도 존재한다. 전자 공학에서는 베릴륨이 일부 반도체에서 p형 도펀트로 사용되며, 산화 베릴륨은 고강도 전기 절연체 및 열전도체로 사용된다. 베릴륨 합금은 넓은 온도 범위에서 강성, 경량, 치수 안정성이 요구되는 기계 부품에 사용된다. 베릴륨-9는 반응을 이용하는 소규모 중성자원에 사용되며, 이 반응은 제임스 채드윅이 중성자를 발견했을 때 사용한 반응이다. 낮은 원자량과 낮은 중성자 흡수 단면적 때문에 베릴륨은 중성자 감속재로 적합하지만, 높은 가격과 물, 중수 및 핵흑연과 같은 쉽게 구할 수 있는 대안 때문에 틈새 시장 응용 분야로 제한되어 왔다. 용융염 원자로에 사용되는 FLiBe 공융 혼합물에서 베릴륨의 감속재 역할은 사용을 이끄는 바람직한 특성이라기보다는 부수적인 것이다.

마그네슘은 많은 용도를 가진다. 알루미늄과 같은 다른 구조 재료에 비해 장점이 있지만, 마그네슘의 사용은 가연성으로 인해 방해를 받는다. 마그네슘은 강도와 내식성을 높이기 위해 알루미늄, 아연, 망가니즈와 자주 합금된다. 마그네슘은 철과 강철 생산, 티타늄 생산을 위한 크롤 공정에서의 역할과 같이 다른 많은 산업 응용 분야를 가지고 있다.

칼슘은 광석에서 우라늄과 같은 다른 금속을 분리하는 데 환원제로 사용된다. 칼슘은 많은 합금, 특히 알루미늄 및 구리 합금의 주요 구성 요소이며, 합금을 탈산하는 데도 사용된다. 칼슘은 치즈, 모르타르, 시멘트 제조에 중요한 역할을 한다.

스트론튬과 바륨은 가벼운 알칼리 토금속보다 응용 분야가 적다. 탄산 스트론튬은 붉은색 불꽃놀이 제조에 사용된다. 순수 스트론튬은 신경세포에서 신경전달물질 방출 연구에 사용된다. 방사성 스트론튬-90은 RTG에서 붕괴열을 이용하여 일부 사용된다. 바륨은 진공관에서 기체를 제거하기 위한 게터로 사용된다. 황산 바륨은 석유 산업 및 기타 산업에서 다양한 용도로 사용된다.

라듐은 방사능을 기반으로 하는 많은 과거 응용 분야가 있었지만, 건강에 미치는 악영향과 긴 반감기로 인해 더 이상 일반적으로 쓰지 않는다. 라듐은 야광 페인트에 자주 사용되었지만, 작업자를 병들게 한 후 이 사용은 중단되었다. 라듐의 건강상의 이점을 주장하는 핵사기는 한때 식수, 치약 및 기타 여러 제품에 라듐을 첨가하게 만들었다. 라듐은 긴 반감기로 인해 안전한 폐기가 어렵기 때문에 방사성 특성이 필요한 경우에도 더 이상 사용되지 않는다. 예를 들어, 근접 치료에서는 일반적으로 이리듐-192와 같이 반감기가 더 짧은 대안이 대신 사용된다.

 알칼리 토금속의 대표적인 반응 
할로젠과의 반응
Ca + Cl2 → CaCl2
무수 염화 칼슘은 흡습성 물질로, 건조제로 사용된다. 공기에 노출되면 공기 중의 수증기를 흡수하여 용액을 형성한다. 이 특성은 조해성으로 알려져 있다.

산소와의 반응
Ca + 1/2O2 → CaO
Mg + 1/2O2 → MgO

황과의 반응
Ca + 1/8S8 → CaS

탄소와의 반응

탄소와 직접적으로 반응하여 아세틸리드를 형성한다. 베릴륨은 탄화물을 형성한다.

2Be + C → Be2C
CaO + 3C → CaC2 + CO (용광로에서 2500 °C)
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2
Mg2C3 + 4H2O → 2Mg(OH)2 + C3H4

질소와의 반응

베릴륨과 마그네슘만 질화물을 직접 형성한다.
3Be + N2 → Be3N2
3Mg + N2 → Mg3N2

수소와의 반응

알칼리 토금속은 수소와 반응하여 물에서 불안정한 염기성 수소화물을 생성한다.
Ca + H2 → CaH2

물과의 반응

칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 쉽게 반응하여 수산화물과 수소 가스를 생성한다. 베릴륨과 마그네슘은 불투과성 산화물 층으로 인해 부동태화된다. 그러나 아말감 마그네슘은 수증기와 반응한다.
Mg + H2O → MgO + H2

산성 산화물과의 반응

알칼리 토금속은 산화물에서 비금속을 환원시킨다.
2Mg + SiO2 → 2MgO + Si
2Mg + CO2 → 2MgO + C (고체 이산화 탄소에서)

산과의 반응
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
Be + 2HCl → BeCl2 + H2

염기와의 반응

베릴륨은 양쪽성 특성을 나타낸다. 농축된 수산화 나트륨에 용해된다.
Be + NaOH + 2H2O → Na[Be(OH)3] + H2

알킬 할로젠화물과의 반응

마그네슘은 삽입 반응을 통해 알킬 할로젠화물과 반응하여 그리냐르 시약을 생성한다.
RX + Mg → RMgX (무수 에테르에서)

 알칼리 토금속 양이온의 식별 
불꽃 반응

아래 표는 알칼리 토금속 염이 분젠 버너의 불꽃에 노출될 때 관찰되는 색상을 보여준다. 베릴륨과 마그네슘은 크기가 작아 불꽃에 색을 부여하지 않는다.

용액 내에서

Mg2+

인산이수소 나트륨은 마그네슘 이온에 대해 매우 선택적인 시약이며, 암모늄 염과 암모니아가 존재할 때 인산 암모늄 마그네슘의 흰색 침전을 형성한다.
Mg2+ + NH3 + Na2HPO4 → (NH4)MgPO4 + 2Na+

Ca2+

Ca2+는 옥살산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다. 옥살산 칼슘은 물에 불용성이지만, 광산에 용해된다.
Ca2+ + (COO)2(NH4)2 → (COO)2Ca + NH4+

Sr2+

스트론튬 이온은 가용성 황산염 염과 함께 침전된다.
Sr2+ + Na2SO4 → SrSO4 + 2Na+

모든 알칼리 토금속 이온은 염화 암모늄과 암모니아가 존재하는 조건에서 탄산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다.

 알칼리 토금속 화합물 
산화물

알칼리 토금속 산화물은 해당 탄산염의 열분해를 통해 형성된다.
CaCO3 → CaO + CO2 (약 900°C)
실험실에서는 수산화물로부터 얻어진다.
Mg(OH)2 → MgO + H2O
또는 질산염으로부터:
Ca(NO3)2 → CaO + 2NO2 + 1/2O2
산화물은 염기성 특성을 나타낸다: 페놀프탈레인을 붉게, 리트머스를 푸르게 만든다. 물과 반응하여 발열 반응을 통해 수산화물을 형성한다.
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q
산화 칼슘은 탄소와 반응하여 아세틸리드를 형성한다.
CaO + 3C → CaC2 + CO (2500°C에서)
CaC2 + N2 → CaCN2 + C
CaCN2 + H2SO4 → CaSO4 + H2N—CN
H2N—CN + H2O → (H2N)2CO (요소)
CaCN2 + 2H2O → CaCO3 + NH3

수산화물

이들은 해당 산화물과 물의 반응을 통해 생성된다. 염기성 특성을 나타내며, 페놀프탈레인을 분홍색으로, 리트머스를 파란색으로 만든다. 수산화 베릴륨은 양쪽성 특성을 나타내는 예외이다.
Be(OH)2 + 2HCl → BeCl2 + 2 H2O
Be(OH)2 + NaOH → Na[Be(OH)3]

염

칼슘과 마그네슘은 백운석, 아라고나이트, 마그네사이트 (탄산염 암석)와 같은 많은 화합물 형태로 자연에서 발견된다. 칼슘 및 마그네슘 이온은 센물에서 발견된다. 센물은 여러 가지 문제를 일으킨다. 이러한 이온을 제거하여 물을 연화하는 것은 매우 중요하다. 이 과정은 수산화 칼슘, 탄산 나트륨 또는 인산 나트륨과 같은 시약을 사용하여 수행될 수 있다. 더 일반적인 방법은 Ca2+와 Mg2+를 포획하고 대신 Na+를 방출하는 이온 교환 알루미노실리케이트 또는 이온 교환 수지를 사용하는 것이다.
Na2O·Al2O3·6SiO2 + Ca2+ → CaO·Al2O3·6SiO2 + 2Na+

 생물학적 역할 및 주의사항 
마그네슘과 칼슘은 보편적으로 존재하며 알려진 모든 생명체에 필수적이다. 이들은 여러 역할에 관여하는데, 예를 들어 마그네슘 또는 칼슘 이온 펌프는 일부 세포 과정에서 역할을 하고, 마그네슘은 일부 효소의 활성 중심 역할을 하며, 칼슘 염은 특히 뼈에서 구조적 역할을 한다.

스트론튬은 해양 수생 생물, 특히 딱딱한 산호가 외골격을 형성하는 데 스트론튬을 사용하기 때문에 중요한 역할을 한다. 스트론튬과 바륨은 의학에서 일부 용도로 사용되는데, 예를 들어 방사선 촬영 영상에서 "바륨 식사"가 사용되며, 스트론튬 화합물은 일부 치약에 사용된다. 과도한 양의 스트론튬-90은 방사능으로 인해 독성이 있으며, 스트론튬-90은 칼슘을 모방하여("뼈 추적자"처럼 행동) 생물 축적되어 상당한 생물학적 반감기를 가진다. 뼈 자체는 다른 조직보다 높은 방사선 내성을 가지지만, 빠르게 분열하는 골수는 그렇지 않으므로 스트론튬-90에 의해 심각하게 손상될 수 있다. 이온화 방사선이 골수에 미치는 영향은 급성방사선증후군이 빈혈과 유사한 증상을 보이는 이유이자, 적혈구 기증이 생존율을 높일 수 있는 이유이기도 하다.

그러나 베릴륨과 라듐은 독성이 있다. 베릴륨의 낮은 수용성은 생물학적 체계에 거의 이용될 수 없음을 의미한다. 베릴륨은 알려진 생물학적 역할이 없으며, 생명체에 노출될 경우 일반적으로 매우 독성이 강하다. 라듐은 가용성이 낮고 방사능이 강하여 생명에 독성이 있다.

 확장 
라듐 다음의 알칼리 토금속은 120번 원소로 생각되지만, 상대론적 효과 때문에 이는 사실이 아닐 수도 있다. 120번 원소의 합성은 2007년 3월 두브나의 플레로프 핵반응 연구소 팀이 플루토늄-244에 철-58 이온을 충격시켰을 때 처음 시도되었지만, 원자는 생성되지 않아 연구된 에너지에서 단면적 400 fb의 한계로 이어졌다. 2007년 4월, GSI 팀은 우라늄-238에 니켈-64를 충격시켜 120번 원소를 만들려고 시도했지만, 원자는 감지되지 않아 반응에 대해 1.6 pb의 한계로 이어졌다. 더 높은 감도로 합성 시도가 다시 이루어졌지만, 원자는 감지되지 않았다. 다른 반응들도 시도되었지만, 모두 실패로 끝났다.

120번 원소의 화학적 특성은 바륨이나 라듐보다는 칼슘이나 스트론튬과 더 가깝다고 예측된다. 이는 주기적 경향에 따르면 120번 원소가 바륨과 라듐보다 더 반응성이 높을 것이라고 예측하는 것과는 눈에 띄게 대조된다. 이러한 반응성 감소는 120번 원소의 이온화 에너지를 증가시키고 금속 및 이온 반지름을 감소시키는 예상되는 120번 원소의 원자가 전자 에너지 때문이다.

120번 원소 다음의 알칼리 토금속은 아직 명확하게 예측되지 않았다. 쌓음 원리를 이용한 간단한 외삽법은 170번 원소가 120번 원소의 동족체라고 제안하지만, 상대론적 효과는 이러한 외삽법을 무효화할 수 있다. 알칼리 토금속과 유사한 특성을 가진 다음 원소는 166번 원소로 예측되었지만, 겹치는 궤도와 9s 부껍질 아래의 낮은 에너지 간격 때문에 166번 원소는 대신 12족에 코페르니슘 아래에 위치할 수도 있다.

 같이 보기 
 알칼리 토금속 옥타카르보닐 착물

 내용주 

 각주 

 참고 문헌 

 

 더 읽어보기 
 2족 – 알칼리 토금속, 왕립화학회.
 Hogan, C. Michael. 2010. "칼슘". A. Jorgensen, C. Cleveland, eds. Encyclopedia of Earth. 국립과학환경협의회.
 Maguire, Michael E. "알칼리 토금속". Chemistry: Foundations and Applications. Ed. J. J. Lagowski. Vol. 1. New York: Macmillan Reference USA, 2004. 33–34. 4 vols. Gale Virtual Reference Library. Thomson Gale.
 Petrucci R.H., Harwood W.S., and Herring F.G., General Chemistry (8th edition, Prentice-Hall, 2002)
 Silberberg, M.S., Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change (3rd edition, McGraw-Hill, 2009)

분류:주기율표
 
분류:주기율표 족