(주기율의 이해) 2족 알칼리 토금속의 성질

 

주기율의 1족을 알칼리 금속이라고 부른다면, 2족은 알칼리 토금속이라고 부릅니다. 2족에 속한 칼슘, 스트롬툼, 바륨 원소의 산화물이 염기성(알칼리)이기 때문으로 예전에는 산화물을 흙이라고 불렀기 때문에 '토'금속이라는 이름을 사용합니다. 흔히 알칼리 토금속이라는 이름을 2족의 모든 원소를 지칭하는 데 통용되고 있습니다. 

 

2족 원소 중에서 마그네슘과 칼슘은 매우 중요한 원소입니다. 마그네슘은 엽록소 분자의 핵심 원소로 광합성을 가능하게 합니다. 광합성은 먹이사슬 가장 아래에 위치한 생산자의 가장 중요한 역할을 합니다. 칼슘은 양이온의 형태로 생명체의 골격을 구성하는 원소이며, 콘크리트나 회반죽, 석회석의 원소로 건축물의 뼈대를 세우는 데 반드시 필요한 원소입니다.  

 

2족 원소의 전자배치

2족 원소는 원자가껍질에 최외각 전자 두 개가 있습니다. 전자 두 개를 모두 제거하는 데 필요한 에너지는 크지 않습니다. 왜냐하면, 이차 이온화 에너지가 일차 이온화 에너지보다 크지만, 그 차이는 크지 않기 때문입니다. 따라서 2족 원소의 원자들은 모든 화합물에서 원자가전자를 둘 다 잃기 쉽습니다. 금속 양이온으로 존재하는 2족 원소들은 염기성 산화물 및 수산화물을 형성합니다. 단, 비금속적 특성을 보이는 베릴륨은 제외합니다. 

 

자연계에서 존재 형태

1족의 원소와 마찬가지로, 2족의 원소도 반응성이 매우 큽니다. 빠른 반응성 때문에 자연계에서 순수한 원소 상태로는 발견되지 않습니다. 2족 원소는 일반적으로 전자 두 개를 잃어 2가 양이온으로 존재하며, 다른 원소들과 퇴적물이나 암석을 형성하여 존재합니다. 

베릴륨은 녹주석에서 추출되는데, 녹주석 결정은 그 무게가 수 톤에 이를 정도로 큰 결정을 이루기도 합니다. 에메랄드는 대표적인 녹주석인데 불순물로 존재하는 크롬으로 인해 녹색을 띱니다. 

마그네슘은 보통 바닷물 속에 녹아 있으며, 백운석과 같은 광물에도 포함되어 있습니다. 

칼슘은 탄산칼슘의 형태로 단일 세포 유기체의 껍질이나 고대 생물의 화석 등에서 발견할 수 있습니다. 또한 척추동물의 뼈는 인산 칼슘으로 구성되어 있는데, 성인 한 사람의 몸 속에는 

 

2족 원소의 반응성

2족 원소들은 산소 또는 물과 쉽게 반응하며, 족의 아래쪽으로 갈수록 반응성이 증가합니다. 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬을 공기 중에 두면 표면에 산화물 막이 형성되는데, 이 산화물층은 고체 내부로 산화가 진행되는 것을 막아주어 내부가 부분적으로 보호됩니다. 마그네슘과 베릴륨은 표면의 산화물 막으로 인해 질산에서도 용해되지 않습니다. 특히 베릴륨의 산화물 막은 고온으로 달구어도 물과 반응하지 않을 정도로 견고합니다. 하지만 바륨은 보호 산화물막이 형성되지 않아서, 습기가 많은 공간에 두면 자연발화하고 맙니다.

 

비금속성 특징을 갖는 베릴륨을 제외하고는 나머지 2족 금속들은 물을 환원시키는데, 금속은 2가 양이온으로 바뀌고 생성된 전자가 수소이온을 환원시켜 수소 가스를 발생시킵니다. 

 

마그네슘은 공기 중에서 흰색의 밝은 빛을 내며 아주 격렬하게 연소합니다. 그 이유는 마그네슘이 산소뿐 아니라 이산화탄소와 질소와도 반응하기 때문입니다. 따라서 마그네슘에 의해 불이 났을 때는 물이나 이산화탄소 소화제로 끄면 안 된다는 것을 기억하고 있으면 좋겠습니다. 칼슘은 찬물과도 쉽게 반응합니다. 

 

알칼리 토금속은 연소할 때 각기 다른 불꽃색을 띠기 때문에 이들 존재 여부를 확인할 수 있습니다. 칼슘은 적황색, 스트론튬은 심홍색, 바륨은 연녹색을 내면서 연소합니다. 이러한 다양한 불꽃색 덕분에 이들 원소를 이용하여 불꽃놀이용 폭죽을 만들곤 하는데, 이들 원소의 질산염 또는 염소산염과 마그네슘 분말을 섞어서 만들어 냅니다. 

 

형형색색의 불꽃놀이에 이용되는 금속 화합물..

 

마그네슘의 화합물

누가 뭐래도 가장 중요한 마그네슘 화합물은 단연코 엽록소입니다. 이 커다란 유기 분자는 태양으로부터 빛에너지를 흡수하여 광합성을 할 수 있도록 전달하는 역할을 합니다. 마그네슘 이온은 엽록소의 고리 구조를 견고하게 유지하며, 광자로부터 얻은 에너지가 화학 반응 시 열로 유실되지 않도록 합니다. 또한 근육의 수축과정에 관여하는 등 세포에서 에너지를 생성하는 역할도 담당합니다.  

 

칼슘의 화합물

가장 흔하게 존재하는 칼슘 화합물은 탄산칼슘입니다. 칼슘 화합물의 구조는 매우 단단하여 생체의 골격과 건축물 자재의 구성 성분을 이룹니다. 이렇게 단단한 구조를 가지는 이유는 칼슘 이온이 크기는 작고 전하량이 크기 때문에 이웃 원자들과 강한 결합을 형성할 수 있기 때문입니다.