Přeskočit na obsah

Kovy alkalických zemin

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - chemická skupina

Kovy alkalických zemin je skupina šesti chemických prvků ve 2. skupině periodické tabulky. Do této skupiny patří beryllium (Be), hořčík (Mg), vápník (Ca), stroncium (Sr), baryum (Ba) a radium (Ra). Všechny tyto prvky jsou stříbrolesklé, měkké (i když tvrdší než alkalické kovy) a reaktivní kovy s nízkou hustotou.

Název skupiny pochází z historického označení jejich oxidů jako "zemin" (termín používaný alchymisty pro látky nerozpustné ve vodě a stálé při zahřívání) a faktu, že jejich hydroxidy tvoří zásadité (alkalické) roztoky.

Ve své valenční elektronové slupce mají dva elektrony, které snadno ztrácejí za vzniku kationtů s nábojem +2. Jejich reaktivita stoupá s rostoucím protonovým číslem. V přírodě se kvůli své reaktivitě vyskytují pouze ve formě sloučenin.

📜 Historie

Názvosloví této skupiny odráží ranou historii chemie. Termín "zemina" byl alchymisty a ranými chemiky používán pro látky, které byly nestálé při vysokých teplotách a nerozpustné ve vodě. Byly známy zeminy jako vápno (oxid vápenatý), magnezie (oxid hořečnatý) nebo baryt (oxid barnatý). Protože vodné roztoky těchto "zemin" byly zásadité (alkalické), dostaly název "alkalické zeminy" a kovy z nich izolované pak "kovy alkalických zemin".

🧪 Fyzikální a chemické vlastnosti

⚛️ Fyzikální vlastnosti

Kovy alkalických zemin jsou stříbrobílé, lesklé a poměrně měkké kovy, i když jsou výrazně tvrdší a mají vyšší teploty tání a varu než sousední alkalické kovy. Jejich hustota je nízká, ale roste s protonovým číslem (s výjimkou vápníku, který je lehčí než hořčík). Jsou dobrými vodiči elektrického proudu a tepla.

Charakteristickou vlastností některých prvků této skupiny je barvení plamene. Při vnesení jejich solí do plamene emitují elektrony při návratu z excitovaného stavu světlo o specifické vlnové délce:

  • Vápník: Cihlově červená
  • Stroncium: Karmínově červená
  • Baryum: Zelená
  • Radium: Karmínová

Beryllium a hořčík plamen nebarví, protože jejich valenční elektrony jsou vázány příliš pevně a energie plamene nestačí k jejich excitaci.

⚗️ Chemické vlastnosti

Chemické chování kovů alkalických zemin je dáno přítomností dvou valenčních elektronů v orbitalu s. Tyto elektrony snadno odštěpují za vzniku stabilních dvojmocných kationtů (Be2+, Mg2+, atd.). Jejich oxidační číslo ve sloučeninách je téměř výhradně +2.

Reaktivita prvků ve skupině roste s klesající ionizační energií, tedy směrem dolů v periodické tabulce.

  • Reakce s vodou: Reagují s vodou za vzniku hydroxidu a uvolnění vodíku. Reaktivita se stupňuje: Beryllium nereaguje, hořčík reaguje jen s horkou vodou nebo párou, zatímco vápník, stroncium a baryum reagují s vodou již za studena.
M + 2 H₂O → M(OH)₂ + H₂
  • Reakce s kyslíkem: Na vzduchu se pokrývají vrstvou oxidu, která je chrání před další korozí (pasivace). Při zahřátí hoří na vzduchu za vzniku oxidů (MO) a nitridů (M₃N₂).
  • Reakce s halogeny: Reagují velmi ochotně se všemi halogeny za vzniku solí – halogenidů (MX₂).
  • Reakce s kyselinami: Snadno se rozpouštějí ve zředěných kyselinách za vývoje vodíku.

Beryllium se od ostatních členů skupiny výrazně odlišuje. Má vysokou elektronegativitu a malý atomový poloměr, což způsobuje, že jeho vazby mají výrazně kovalentní charakter. Jeho oxid i hydroxid jsou amfoterní, což znamená, že reagují jak s kyselinami, tak se zásadami.

🔬 Přehled prvků

Beryllium (Be)

  • Lehký, pevný, ale křehký kov ocelově šedé barvy.
  • Má vysokou teplotu tání a je velmi toxické, zejména při vdechování prachu.
  • Používá se ve slitinách (např. s mědí) pro výrobu pevných a lehkých materiálů pro letectví a kosmonautiku.
  • Je propustné pro rentgenové záření, proto se z něj vyrábějí okénka rentgenových lamp.

Hořčík (Mg)

  • Velmi lehký stříbrobílý kov.
  • Je osmým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře.
  • Je nezbytný pro život, je centrálním atomem v molekule chlorofylu.
  • Hoří oslnivým bílým plamenem, čehož se využívá v pyrotechnice a blescích.
  • Jeho slitiny s hliníkem jsou lehké a pevné (např. dural), používají se v automobilovém a leteckém průmyslu.

Vápník (Ca)

  • Pátý nejrozšířenější prvek v zemské kůře.
  • Je klíčovým prvkem pro živé organismy, tvoří základ kostí a zubů, je důležitý pro svalovou kontrakci a přenos nervových vzruchů.
  • Vyskytuje se v přírodě masivně jako vápenec (CaCO₃), sádrovec (CaSO₄·2H₂O) a apatit.
  • Má obrovské využití ve stavebnictví (cement, vápno, sádra).

Stroncium (Sr)

  • Měkký, stříbrolesklý kov, který na vzduchu rychle žloutne.
  • Jeho sloučeniny barví plamen intenzivně červeně, což se využívá v pyrotechnice pro výrobu červených světlic a ohňostrojů.
  • Dříve se používal ve sklech pro katodové trubice (staré televizory a monitory) k pohlcování rentgenového záření.
  • Radioaktivní izotop stroncium-90 je nebezpečným produktem jaderného štěpení.

Baryum (Ba)

  • Měkký, reaktivní kov, který se musí uchovávat pod petrolejem.
  • Všechny jeho rozpustné sloučeniny jsou jedovaté.
  • Síran barnatý (BaSO₄) je nerozpustný a netoxický. Používá se jako kontrastní látka v radiologii pro rentgenové vyšetření trávicího traktu.
  • Sloučeniny barya barví plamen zeleně a používají se v pyrotechnice.

Radium (Ra)

  • Extrémně vzácný, silně radioaktivní prvek.
  • Všechny jeho izotopy jsou nestabilní.
  • Dříve se používalo v radioterapii k léčbě rakoviny a ve svítících nátěrech na ciferníky hodinek a přístrojů.
  • Kvůli své vysoké radiotoxicitě bylo ve většině aplikací nahrazeno bezpečnějšími radionuklidy.

🌍 Výskyt v přírodě

Kovy alkalických zemin jsou příliš reaktivní na to, aby se v přírodě vyskytovaly v elementární formě. Nacházejí se vázané v mnoha minerálech a horninách.

  • **Beryllium:** Hlavním zdrojem je beryl (Al₂Be₃(Si₆O₁₈)) a jeho odrůdy smaragd a akvamarín.
  • **Hořčík:** Vyskytuje se v minerálech jako magnezit (MgCO₃), dolomit (CaMg(CO₃)₂) a karnalit (KCl·MgCl₂·6H₂O). Je také hojně přítomen v mořské vodě.
  • **Vápník:** Velmi rozšířený, zejména jako vápenec, křída a mramor (vše CaCO₃), dále sádrovec (CaSO₄·2H₂O) a fluorit (CaF₂).
  • **Stroncium:** Hlavními minerály jsou celestin (SrSO₄) a stroncianit (SrCO₃).
  • **Baryum:** Nejčastěji se vyskytuje jako baryt (BaSO₄).
  • **Radium:** Vyskytuje se v nepatrných množstvích v uranových rudách jako produkt radioaktivního rozpadu uranu.

⚙️ Výroba

Kovy alkalických zemin se vyrábějí především elektrolýzou tavenin jejich bezvodých chloridů nebo fluoridů. Například hořčík se vyrábí elektrolýzou taveniny chloridu hořečnatého (MgCl₂), který se získává z mořské vody nebo z minerálu dolomitu. Podobně se vyrábí i vápník z taveniny chloridu vápenatého (CaCl₂). Beryllium se vyrábí redukcí fluoridu berylnatého hořčíkem při vysoké teplotě.

💡 Využití

Využití kovů alkalických zemin je velmi široké a rozmanité:

  • **Slitiny:** Beryllium a hořčík se používají k výrobě lehkých a pevných slitin pro letecký a automobilový průmysl.
  • **Stavebnictví:** Vápník ve formě vápence, vápna a cementu je základním stavebním materiálem.
  • **Pyrotechnika:** Stroncium (červená) a baryum (zelená) jsou nezbytné pro výrobu barevných ohňostrojů.
  • **Medicína:** Vápník a hořčík jsou důležité doplňky stravy. Síran barnatý slouží jako kontrastní látka při rentgenovém vyšetření. Radium se historicky používalo v radioterapii.
  • **Chemický průmysl:** Sloučeniny těchto kovů slouží jako katalyzátory, sušidla nebo suroviny pro další výrobu.

🧬 Biologický význam

Dva z kovů alkalických zemin, **hořčík** a **vápník**, jsou biogenní prvky, naprosto nezbytné pro všechny známé formy života.

  • **Vápník (Ca²⁺):** Je základní stavební složkou kostí, zubů a skořápek. Ionty vápníku jsou klíčové pro srážení krve, svalovou kontrakci, přenos nervových signálů a funkci mnoha enzymů.
  • **Hořčík (Mg²⁺):** Je centrálním atomem v molekule chlorofylu, což ho činí nezbytným pro fotosyntézu. V živočiších je kofaktorem stovek enzymů, podílí se na syntéze ATP a stabilizaci DNA a RNA.

Ostatní prvky této skupiny nemají známou pozitivní biologickou funkci a mohou být toxické.

  • **Beryllium:** Je vysoce toxické a karcinogenní.
  • **Stroncium:** Chemicky se podobá vápníku a může se zabudovávat do kostí. Stabilní izotopy nejsou považovány za příliš toxické, ale radioaktivní izotop ⁹⁰Sr je velmi nebezpečný.
  • **Baryum:** Rozpustné sloučeniny barya jsou jedovaté, protože narušují funkci draslíkových iontových kanálů.
  • **Radium:** Je vysoce radiotoxické. Podobně jako stroncium se ukládá v kostech a jeho radioaktivní záření poškozuje kostní dřeň.

🧐 Pro laiky

Představte si periodickou tabulku jako velký regál, kde jsou prvky uspořádány podle svých vlastností. Kovy alkalických zemin tvoří druhý sloupec zleva.

  • **Proč se jmenují "kovy alkalických zemin"?**
   *   **Kovy:** Protože jsou to typické kovy – lesklé, vedou elektřinu a teplo.
   *   **Alkalických:** Když jejich sloučeniny (oxidy) smícháte s vodou, vznikne zásaditý (alkalický) roztok, podobný mýdlové vodě.
   *   **Zemin:** Starý název pro jejich oxidy (jako pálené vápno), které vypadaly jako hlína ("zemina") a nerozpouštěly se snadno.
  • **Co mají společného?**
   Všechny mají ve své vnější "slupce" dva elektrony, kterých se velmi rády zbavují. Proto jsou poměrně reaktivní a v přírodě je nikdy nenajdeme jako čisté kovy, ale vždy ve sloučeninách, například ve vápenci.
  • **Kde se s nimi setkáme v běžném životě?**
   *   **Vápník:** Ve vašich kostech a zubech, v mléce, ale také ve zdi vašeho domu (vápno, cement).
   *   **Hořčík:** V zelených rostlinách (je v chlorofylu), v lehkých slitinách (např. v rámu kola nebo v notebooku) a v tabletách proti křečím.
   *   **Stroncium a Baryum:** Hlavně v ohňostrojích! Stroncium dělá krásnou červenou barvu a baryum zelenou.
   *   **Beryllium:** Vzácnější, ale díky své pevnosti a lehkosti se používá v letadlech a vesmírných lodích.
   *   **Radium:** Dnes už prakticky ne, ale dříve svítilo na cifernících starých hodinek. Je radioaktivní a nebezpečné.


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Kovy_alkalických_zemin&oldid=15994“