Berylliums kemi är otypisk för grupp 2
När beryllium bildar en 2+-jon förlorar den de två elektronerna i 2s-bitalet. Det lämnar 2-nivån helt tom.
2-nivåns orbitaler omorganiserar sig själva (hybridiseras) för att bilda fyra lika stora orbitaler, som var och en kan ta emot ett ensamt elektronpar från en vattenmolekyl. I nästa diagram har 1s elektronerna utelämnats. De är inte relevanta för bindningen.
Varje vattenmolekyl har naturligtvis två ensamma elektronpar. Endast en av dem visas för att undvika att diagrammet blir rörigt.
Bemärk att när fyra vattenmolekyler har bundits på detta sätt finns det inte längre något utrymme på bindningsnivån. Alla tomma orbitaler från den ursprungliga berylliumjonen används.
Vattenmolekylerna arrangerar sig för att komma så långt ifrån varandra som möjligt – vilket pekar mot hörnen på en tetraeder. Jonen har därför en tetraederform.
Hydrering av magnesium
Man skulle kunna tro att magnesium skulle bete sig precis likadant, men på 3-nivån finns det 3d-orbitaler tillgängliga såväl som 3s och 3p.
När magnesiumjonen bildas lämnar den tomma 3s-, 3p- och 3d-orbitaler kvar. När den jonen hydreras använder den 3s orbital, alla tre 3p orbitaler och två av 3d orbitaler. Dessa omorganiseras för att lämna totalt sex tomma orbitaler som sedan används för bindning.
Varför stannar magnesium vid att binda sex vatten? Varför använder det inte de återstående 3d-orbitalerna också? Du kan inte fysiskt få plats med mer än sex vattenmolekyler runt magnesiumet – de tar för mycket plats.
Hur är det med de andra jonerna i grupp 2?
När jonerna blir större finns det mindre tendens för dem att bilda riktiga koordinatbindningar med vattenmolekyler. Jonerna blir så stora att de inte är tillräckligt attraktiva för de ensamma paren på vattenmolekylerna för att bilda formella bindningar – istället tenderar vattenmolekylerna att klumpa sig mer löst kring de positiva jonerna.
När de bildar koordinatbindningar med vattnet kommer de dock att vara 6-koordinerade precis som magnesiumet.
Berylliumhydroxid är amfoterisk
Ampfoterisk innebär att den kan reagera med både syror och baser för att bilda salter.
De övriga hydroxiderna i grupp 2
De övriga hydroxiderna av metallerna i grupp 2 är alla basiska. De reagerar med syror och bildar salter. Till exempel:
Kalciumhydroxid reagerar med utspädd saltsyra och ger kalciumklorid och vatten.
Berylliumhydroxid
Berylliumhydroxid reagerar med syror och bildar lösningar av berylliumsalter. Till exempel:
Men den reagerar också med baser såsom natriumhydroxidlösning. Berylliumhydroxid reagerar med natriumhydroxid och ger en färglös lösning av natriumtetrahydroxoberyllat.
Denna innehåller komplexjonen 2-. Namnet beskriver denna jon. Tetra betyder fyra, hydroxo hänvisar till OH-grupperna och beryllat visar att beryllium finns i en negativ jon. ”ate”-ändelsen visar alltid att jonen är negativ.
Låt oss titta på detta som ett enkelt flödesschema, med utgångspunkt från berylliumjoner i lösning:
Detta visar att om man tillsätter hydroxidjoner till berylliumjoner i lösning får man först en utfällning av berylliumhydroxid. Men om man tillsätter fler hydroxidjoner löses utfällningen upp igen och ger en lösning som innehåller tetrahydroxoberyllatjoner.
Berylliumhydroxiden reagerar med en bas (hydroxidjoner) och måste därför ha sura egenskaper.
Men om man tillsätter syra till tetrahydroxoberyllatjonerna får man utfällningen av berylliumhydroxid tillbaka igen. Och om du tillsätter ännu mer syra går du tillbaka till de ursprungliga berylliumjonerna i lösning.
Om berylliumhydroxiden reagerar med syra måste den ha både basiska och sura egenskaper – den är amfoterisk.
En enkel förklaring till vad som händer
Vi måste titta på detta igen, men då genom att tänka på berylliumjonen i lösning mer detaljerat – med andra ord som Be(H2O)42+.
Den mycket lilla positivt laddade berylliumjonen i centrum av komplexet drar elektroner i vattenmolekylerna mot sig själv – vi säger att den har en starkt polariserande effekt på vattenmolekylerna.
Berylliumet har en så starkt polariserande effekt på vattenmolekylerna att vätejoner mycket lätt avlägsnas från dem.
Natriumhydroxidlösningen innehåller hydroxidjoner, som är starka baser. Om man tillsätter precis rätt mängd natriumhydroxidlösning får man en utfällning av det som normalt kallas ”berylliumhydroxid” – men som strukturellt sett är lite mer komplicerat än så!
Produkten (förutom vatten) är ett neutralt komplex, och det är kovalent bundet. Allt som har hänt med den ursprungliga komplexjonen är att två vätejoner har avlägsnats från vattenmolekylerna.
Du får en utfällning av det neutrala komplexet på grund av bristen på laddning på det. Det finns inte tillräckligt med attraktion mellan detta neutrala komplex och vattenmolekylerna för att få det i lösning.
Vad händer om du tillsätter fler hydroxidjoner?
Om man lägger till fler hydroxidjoner till det neutrala komplexet dras fler vätejoner från vattenmolekylerna för att ge tetrahydroxoberyllatjonen:
Berylliumhydroxiden löses upp eftersom det neutrala komplexet omvandlas till en jon som kommer att attraheras tillräckligt mycket av vattenmolekylerna.
Vad händer om man tillsätter en syra till berylliumhydroxidutfällningen (det neutrala komplexet)?
De vätejoner som ursprungligen avlägsnades ersätts helt enkelt. Utfällningen löses upp eftersom den ursprungliga hydrerade berylliumjonen återbildas.
Låt oss titta på detta igen som ett flödesschema så att du kan jämföra det med det ovan:
Berylliumhydroxid (det neutrala komplexet) är amfoterisk eftersom den kan reagera med en bas och en syra. I varje fall är det enda som händer att man antingen tar bort vätejoner från vattenmolekylerna eller ersätter dem.
Varför händer inte detta med till exempel kalciumhydroxid?
Kalciumhydroxid är verkligen jonisk – och innehåller enkla hydroxidjoner, OH-. Dessa reagerar med vätejoner från en syra för att bilda vatten – och så reagerar hydroxiden med syror.
Det finns dock ingen motsvarighet till det neutrala komplexet. Att tillsätta fler hydroxidjoner från en bas har ingen effekt eftersom de inte har något att reagera med.