Kovy alkalických zemin

Rozbalit box

Obsah boxu

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".

• Vápník (Ca): Sloučeniny vápníku, jako je vápenec nebo sádra, jsou lidstvu známy od starověku. Čistý kov izoloval až v roce 1808 sir Humphry Davy elektrolýzou směsi vápna a oxidu rtuťnatého.
• Hořčík (Mg): V roce 1755 Joseph Black rozpoznal hořčík jako samostatný prvek. Podobně jako vápník, i hořčík izoloval sir Humphry Davy v roce 1808 elektrolýzou.
• Baryum (Ba): Oxid barnatý poprvé identifikoval Carl Wilhelm Scheele v roce 1774. Kovové baryum opět izoloval Humphry Davy v roce 1808.
• Stroncium (Sr): V roce 1790 Adair Crawford objevil nový minerál (stroncianit) a rozpoznal, že obsahuje nový prvek. Kov izoloval, jak jinak, Humphry Davy v roce 1808.
• Beryllium (Be): Louis-Nicolas Vauquelin objevil oxid berylnatý v roce 1798 při analýze drahokamů berylu a smaragdu. Kovové beryllium nezávisle na sobě izolovali Friedrich Wöhler a Antoine Bussy v roce 1828.
• Radium (Ra): Nejmladší člen skupiny, radioaktivní radium, objevili Marie a Pierre Curie v roce 1898 ve smolinci z Jáchymova.

🧪 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.

⏰ Tento článek je aktuální k datu 18.12.2025