Berylliumin kemia epätyypillistä ryhmälle 2

Kun beryllium muodostaa 2+-ionin, se menettää 2 elektronia 2s-orbitaalissa. Tämä jättää 2-tason täysin tyhjäksi.

2-tason orbitaalit järjestäytyvät uudelleen (hybridisoituvat) muodostaen neljä yhtä suurta orbitaalia, joista jokainen voi ottaa vastaan yksinäisen elektroniparin vesimolekyyliltä. Seuraavassa kuvassa 1s:n elektronit on jätetty pois. Niillä ei ole merkitystä sidoksen kannalta.

Kullakin vesimolekyylillä on tietenkin kaksi yksinäistä elektroniparia. Niistä on esitetty vain toinen, jotta kaavio ei menisi sekaisin.

Huomaa, että kun neljä vesimolekyyliä on sitoutunut tällä tavalla, sidostasolla ei ole enää tilaa. Kaikki alkuperäisen berylliumionin tyhjät orbitaalit ovat käytössä.

Vesimolekyylit järjestäytyvät niin, että ne ovat mahdollisimman kaukana toisistaan – mikä osoittaa kohti tetraedrin kulmia. Ioni on siis tetraedrin muotoinen.

Magnesiumin hydrataatio

Voisit ajatella, että magnesium käyttäytyisi aivan samoin, mutta 3-tasolla on käytettävissä 3d-orbitaaleja sekä 3s ja 3p.

Magnesiumionin muodostuessa siitä jää tyhjiä 3s-, 3p- ja 3d-orbitaaleja. Kun tuo ioni hydratoituu, se käyttää 3s:n orbitaalia, kaikkia kolmea 3p-orbitaalia ja kahta 3d-orbitaalia. Nämä järjestäytyvät uudelleen niin, että jäljelle jää yhteensä kuusi tyhjää orbitaalia, joita sitten käytetään sitoutumiseen.

Miksi magnesium pysähtyy kuuteen vesiliitokseen? Miksi se ei käytä myös loput 3d-orbitaalit? Fyysisesti magnesiumin ympärille ei mahdu enempää kuin kuusi vesimolekyyliä – ne vievät liikaa tilaa.

Miten on muiden ryhmän 2 ionien laita?

Kun ionit kasvavat suuremmiksi, niillä on vähemmän taipumusta muodostaa kunnollisia koordinaattisidoksia vesimolekyylien kanssa. Ioneista tulee niin suuria, että ne eivät ole riittävän houkuttelevia vesimolekyylien yksinäisille pareille muodollisten sidosten muodostamiseksi – sen sijaan vesimolekyylit pyrkivät ryhmittymään löysemmin positiivisten ionien ympärille.

Mikäli ne kuitenkin muodostavat koordinaattisidoksia veden kanssa, ne ovat 6-koordinoivia aivan kuten magnesium.

Berylliumhydroksidi on amfoteerinen

Amfoteerinen tarkoittaa, että se voi reagoida sekä happojen että emästen kanssa muodostaen suoloja.

Muut ryhmän 2 hydroksidit

Muut ryhmän 2 metallien hydroksidit ovat kaikki emäksisiä. Ne reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja. Esimerkiksi:

Kalsiumhydroksidi reagoi laimean suolahapon kanssa muodostaen kalsiumkloridia ja vettä.

Berylliumhydroksidi

Berylliumhydroksidi reagoi happojen kanssa muodostaen berylliumsuolaliuoksia. Esimerkiksi:

Mutta se reagoi myös emästen, kuten natriumhydroksidiliuoksen kanssa. Berylliumhydroksidi reagoi natriumhydroksidin kanssa antaen värittömän natriumtetrahydroksoberylaattiliuoksen.

Tämä sisältää kompleksi-ionin, 2-. Nimi kuvaa tätä ionia. Tetra tarkoittaa neljää; hydrokso viittaa OH-ryhmiin; berylaatti osoittaa, että beryllium on läsnä negatiivisena ionina. ”ate”-päätteellä osoitetaan aina, että ioni on negatiivinen.

Katsotaan tätä yksinkertaisena virtauskaaviona alkaen berylliumioneista liuoksessa:

Tästä nähdään, että jos liuoksessa oleviin berylliumioneihin lisätään hydroksidi-ioneja, saadaan ensin berylliumhydroksidin sakka. Mutta jos lisätään lisää hydroksidi-ioneja, saostuma liukenee uudelleen ja saadaan liuos, joka sisältää tetrahydroksoberylaatti-ioneja.

Berylliumhydroksidi reagoi emäksen (hydroksidi-ionien) kanssa, joten sillä on oltava happamia ominaisuuksia.

Mutta jos tetrahydroksoberylaatti-ioneihin lisätään happoa, saadaan berylliumhydroksidin saostuma takaisin. Ja jos lisäät vielä enemmän happoa, palaat takaisin alkuperäisiin berylliumioneihin liuoksessa.

Koska berylliumhydroksidi reagoi hapon kanssa, sillä täytyy olla emäksisiä ominaisuuksia sekä happamia ominaisuuksia – se on amfoteerinen.

Yksinkertainen selitys sille, mitä on tapahtumassa

Tarvitaan tarkastella tätä uudestaan, mutta ajattelemalla berylliumionia liuoksessa yksityiskohtaisemmin – toisin sanoen Be(H2O)42+:na.

Kompleksin keskellä oleva hyvin pieni positiivisesti varautunut berylliumioni vetää vesimolekyyleissä olevia elektroneja itseensä – sanomme, että sillä on voimakas polarisoiva vaikutus vesimolekyyleihin.

Berylliumilla on niin voimakkaasti polarisoiva vaikutus vesimolekyyleihin, että vetyionit irtoavat niistä hyvin helposti.

Natriumhydroksidiliuos sisältää hydroksidi-ioneja, jotka ovat voimakkaita emäksiä. Jos lisätään juuri oikea määrä natriumhydroksidiliuosta, saadaan saostuma, jota tavallisesti kutsutaan ”berylliumhydroksidiksi” – mutta joka on rakenteellisesti hieman monimutkaisempi!

Tuote (vettä lukuun ottamatta) on neutraali kompleksi, ja se on kovalenttisesti sitoutunut. Alkuperäiselle kompleksi-ionille on tapahtunut vain se, että vesimolekyyleistä on poistettu kaksi vetyionia.

Neutraalista kompleksista muodostuu saostuma, koska sillä ei ole varausta. Tämän neutraalin kompleksin ja vesimolekyylien välillä ei ole tarpeeksi vetovoimaa, jotta se saataisiin liuokseen.

Mitä tapahtuu, jos lisätään lisää hydroksidi-ioneja?

Lisäämällä neutraaliin kompleksiin lisää hydroksidi-ioneja vedetään vesimolekyyleistä lisää vetyioneja, jolloin syntyy tetrahydroksoberylaatti-ioni:

Berylliumhydroksidi liukenee, koska neutraali kompleksi muuttuu ioniksi, jolla on riittävästi vetovoimaa vesimolekyyleihin.

Mitä tapahtuu, jos berylliumhydroksidisakkaan (neutraaliin kompleksiin) lisätään happoa?

Alun perin poistetut vetyionit yksinkertaisesti korvataan. Sakka liukenee, kun alkuperäinen hydratoitu berylliumioni muodostuu uudelleen.

Katsotaan tätä vielä kerran virtauskaaviona, jotta voit verrata sitä yllä olevaan:

Berylliumhydroksidi (neutraali kompleksi) on amfoteerinen, koska se voi reagoida emäksen ja hapon kanssa. Kummassakin tapauksessa tapahtuu vain se, että vesimolekyyleistä joko poistetaan vetyioneja tai korvataan niitä.

Miksi näin ei tapahdu esimerkiksi kalsiumhydroksidin kanssa?

Kalsiumhydroksidi on aidosti ioninen – ja sisältää yksinkertaisia hydroksidi-ioneja, OH-. Nämä reagoivat hapon vetyionien kanssa muodostaen vettä – ja näin hydroksidi reagoi happojen kanssa.

Neutraalia kompleksia vastaavaa ei kuitenkaan ole. Lisäämällä emäksen hydroksidi-ioneja ei ole vaikutusta, koska niillä ei ole mitään reagoitavaa.