Chemie van beryllium atypisch voor groep 2

Wanneer beryllium een 2+ ion vormt, verliest het de 2 elektronen in de 2s orbitaal. Daardoor blijft het 2-vlak volledig leeg.

De banen van het 2-vlak reorganiseren zich (hybridiseren) tot vier gelijke banen, die elk een lone elektronenpaar van een watermolecuul kunnen accepteren. In het volgende diagram zijn de 1s elektronen weggelaten. Ze zijn niet relevant voor de binding.

Elk watermolecuul heeft natuurlijk twee eenzame elektronenparen. Om het diagram niet te onoverzichtelijk te maken, wordt er slechts één getoond.

Merk op dat zodra vier watermoleculen zich op deze manier hebben gebonden, er geen ruimte meer beschikbaar is op het bindingsniveau. Alle lege banen van het oorspronkelijke beryllium-ion worden gebruikt.

De watermoleculen schikken zich om zo ver mogelijk uit elkaar te komen – wat wijst naar de hoeken van een tetraëder. Het ion heeft dus een tetrahedrale vorm.

De hydratatie van magnesium

Je zou denken dat magnesium zich net zo zou gedragen, maar op het 3-niveau zijn er naast 3s en 3p ook 3d-banen beschikbaar.

Wanneer het magnesiumion wordt gevormd, laat het lege 3s, 3p en 3d-banen achter. Wanneer dat ion gehydrateerd is, gebruikt het de 3s-baan, alle drie de 3p-banen en twee van de 3d-banen. Deze worden gereorganiseerd, zodat er in totaal zes lege banen overblijven, die vervolgens worden gebruikt voor binding.

Waarom stopt magnesium bij het hechten van zes wateren? Waarom gebruikt het niet ook de resterende 3D-banen? Er passen fysiek niet meer dan zes watermoleculen om het magnesium heen – ze nemen te veel ruimte in.

Hoe zit het met de andere ionen in groep 2?

Als de ionen groter worden, is er minder neiging tot het vormen van de juiste coördinaatbindingen met watermoleculen. De ionen worden zo groot dat ze niet voldoende aantrekkelijk zijn voor de eenzame paren op de watermoleculen om formele bindingen te vormen – in plaats daarvan hebben de watermoleculen de neiging zich losser rond de positieve ionen te clusteren.

Wanneer ze echter wel coördinaatbindingen met het water vormen, zullen ze net als het magnesium 6-gecoördineerd zijn.

Berylliumhydroxide is amfoteer

Amfoteer betekent dat het zowel met zuren als met basen kan reageren om zouten te vormen.

De andere hydroxiden van groep 2

De andere hydroxiden van de metalen van groep 2 zijn alle basisch. Zij reageren met zuren om zouten te vormen. Bijvoorbeeld:

Calciumhydroxide reageert met verdund zoutzuur tot calciumchloride en water.

Berylliumhydroxide

Berylliumhydroxide reageert met zuren, waarbij oplossingen van berylliumzouten worden gevormd. Bijvoorbeeld:

Maar het reageert ook met basen, zoals natriumhydroxideoplossing. Berylliumhydroxide reageert met natriumhydroxide tot een kleurloze oplossing van natriumtetrahydroxoberyllaat.

Dit bevat het complex-ion, 2-. De naam beschrijft dit ion. Tetra betekent vier; hydroxo verwijst naar de OH-groepen; beryllaat geeft aan dat het beryllium aanwezig is in een negatief ion. De uitgang “at” geeft altijd aan dat het ion negatief is.

Laten we dit eens bekijken als een eenvoudig stroomschema, uitgaande van beryllium-ionen in oplossing:

Hieruit blijkt dat als je hydroxide-ionen toevoegt aan beryllium-ionen in oplossing, je eerst een neerslag van berylliumhydroxide krijgt. Maar als je meer hydroxide-ionen toevoegt, lost het neerslag weer op en krijg je een oplossing die tetrahydroxoberyllaat-ionen bevat.

Het berylliumhydroxide reageert met een base (hydroxide-ionen), en moet dus zure eigenschappen hebben.

Maar als je zuur toevoegt aan de tetrahydroxoberyllaat-ionen, krijg je het neerslag van berylliumhydroxide weer terug. En als je nog meer zuur toevoegt, ga je terug naar de oorspronkelijke berylliumionen in oplossing.

Omdat het berylliumhydroxide met zuur reageert, moet het zowel basische als zure eigenschappen hebben – het is amfoteer.

Een eenvoudige verklaring van wat er gebeurt

We moeten hier nog eens naar kijken, maar dan meer in detail denkend aan het berylliumion in oplossing – met andere woorden als Be(H2O)42+.

Het zeer kleine positief geladen berylliumion in het centrum van het complex trekt elektronen in de watermoleculen naar zich toe – we zeggen dat het een sterk polariserend effect op de watermoleculen heeft.

Het beryllium heeft zo’n sterk polariserend effect op de watermoleculen dat waterstofionen er zeer gemakkelijk uit worden verwijderd.

De natriumhydroxide-oplossing bevat hydroxide-ionen die krachtige basen zijn. Als je precies de juiste hoeveelheid natriumhydroxide-oplossing toevoegt, krijg je een neerslag van wat normaal “berylliumhydroxide” wordt genoemd – maar dat structureel iets ingewikkelder is dan dat!

Het product (behalve water) is een neutraal complex, en het is covalent gebonden. Het enige wat er met het oorspronkelijke complexion is gebeurd, is dat er twee waterstofionen uit de watermoleculen zijn verwijderd.

U krijgt een neerslag van het neutrale complex, omdat er geen lading op zit. Er is niet genoeg aantrekkingskracht tussen dit neutrale complex en de watermoleculen om het in oplossing te brengen.

Wat gebeurt er als je meer hydroxide-ionen toevoegt?

Als je meer hydroxide-ionen aan het neutrale complex toevoegt, trek je meer waterstofionen van de watermoleculen af, zodat het tetrahydroxoberyllaat-ion ontstaat:

Het berylliumhydroxide lost op omdat het neutrale complex wordt omgezet in een ion dat voldoende wordt aangetrokken door watermoleculen.

Wat gebeurt er als u een zuur toevoegt aan het berylliumhydroxideprecipitaat (het neutrale complex)?

De waterstofionen die oorspronkelijk waren verwijderd, worden eenvoudig vervangen. Het neerslag lost op doordat het oorspronkelijke gehydrateerde berylliumion weer wordt gevormd.

Laten we dit nog eens bekijken als een stroomschema, zodat u het kunt vergelijken met het schema hierboven:

Berylliumhydroxide (het neutrale complex) is amfoteer, omdat het kan reageren met een base en een zuur. In elk geval is het enige wat er gebeurt, dat u waterstofionen aan de watermoleculen onttrekt, of ze vervangt.

Waarom gebeurt dit niet met bijvoorbeeld calciumhydroxide?

Calciumhydroxide is echt ionisch – en bevat enkelvoudige hydroxide-ionen, OH-. Deze reageren met waterstofionen uit een zuur om water te vormen – en zo reageert het hydroxide met zuren.

Echter, er is geen equivalent voor het neutrale complex. Het toevoegen van meer hydroxide-ionen uit een base heeft geen effect omdat ze niets hebben om mee te reageren.