Kovy alkalických zemín patria do 2. skupiny periodickej tabuľky prvkov. Sú to s²-prvky s dvoma valenčnými elektrónmi v orbitáli s. Ich všeobecná elektrónová konfigurácia je [vzácny plyn] ns². Do tejto skupiny patria: berýlium (Be), horčík (Mg), vápnik (Ca), stroncium (Sr), bárium (Ba) a rádioaktívne rádium (Ra). Sú to reaktívne kovy s typickými vlastnosťami s-prvkov.
V elementárnom stave sú to striebrobiele až sivé kovy. Tvoria mnohé chemicky významné zlúčeniny s využitím v stavebníctve, zdravotníctve a priemysle. Všetky kovy alkalických zemín sa po prvý raz izolovali v čistej forme v laboratóriách v 19. storočí.
V rámci skupiny kovov alkalických zemín pozorujeme nasledujúce trendy:
- Atómový polomer: S rastúcim protónovým číslom (smerom nadol) rastie.
- Ionizačná energia: Prvá aj druhá ionizačná energia sú relatívne nízke (vyššie ako u alkalických kovov) a smerom nadol v skupine klesajú.
- Elektronegativita: Je nízka a smerom nadol v skupine klesá.
- Teploty topenia a varu: Sú vyššie ako u alkalických kovov. V skupine nemajú úplne jednoznačný trend.
- Hustota: Je vyššia ako u alkalických kovov a v skupine (s výnimkou Ca) rastie.
- Kovový charakter: Všetky sú kovy, pričom kovový charakter a elektropozitivita smerom nadol rastú (Be < Mg < Ca < Sr < Ba < Ra). Berýlium vykazuje niektoré amfotérne vlastnosti (reaguje aj s roztokmi silných hydroxidov).
- Reaktivita: Sú to reaktívne kovy (menej ako alkalické kovy), reaktivita smerom nadol rastie. Na vzduchu sa Be a Mg pasivujú (pokryjú vrstvou oxidu), Ca, Sr, Ba reagujú ľahšie. Reagujú s vodou (Be len ťažko, Mg pomaly, ostatné ochotne) za vzniku hydroxidu a vodíka. Reagujú s kyslíkom (na oxidy MO), halogénmi (na MX₂), sírou (na MS), dusíkom (pri vyššej teplote na nitridy M₃N₂).
- Oxidačné číslo: V zlúčeninách majú výlučne oxidačné číslo +II.
- Charakter väzby: Prevažne iónový, ale u Be a čiastočne Mg sa prejavuje výraznejší kovalentný charakter.
- Farbenie plameňa: Soli Ca, Sr, Ba a Ra farbia nesvietivý plameň charakteristickými farbami (Ca - tehlovočervená, Sr - karmínovočervená, Ba - zelená, Ra - karmínovočervená).
Kovy alkalických zemín sa v prírode kvôli svojej reaktivite vyskytujú len v zlúčeninách. Sú pomerne rozšírené, najmä vápnik a horčík patria medzi najrozšírenejšie prvky zemskej kôry.
Horčík (Mg²⁺) a vápnik (Ca²⁺) patria medzi esenciálne biogénne makroprvky s kľúčovými funkciami v organizmoch:
Prečítajte si tiež: Vitamín K2 pre silné kosti
Horčík:
- Jeho ióny (Mg²⁺) sú prítomné prevažne vnútri buniek.
- Je nevyhnutný pre funkciu mnohých enzýmov (aktivátor, súčasť aktívneho centra), najmä tých, ktoré pracujú s ATP.
- Je centrálnym atómom v molekule chlorofylu, nevyhnutný pre fotosyntézu.
- Podieľa sa na stabilizácii ribozómov a nukleových kyselín.
- Ovplyvňuje činnosť nervového systému a svalov (pôsobí tlmivo na nervosvalový prenos).
Vápnik:
- Jeho ióny (Ca²⁺) sú základnou stavebnou zložkou kostí a zubov (vo forme hydroxyapatitu).
- Nachádza sa aj v mimobunkových tekutinách, kde hrá úlohu pri zrážanlivosti krvi.
- Je dôležitý pre svalovú kontrakciu, prenos nervových vzruchov a funkciu bunkových membrán.
- Vstrebávanie vápnika z potravy podporuje vitamín D.
Berýlium (Be) je pre živé organizmy vysoko toxické. Stroncium (Sr) sa chemicky podobá vápniku a môže sa zabudovávať do kostí. Rádioaktívny izotop ⁹⁰Sr je nebezpečný. Bárium (Ba) je v rozpustnej forme toxické.
Oxidy kovov alkalických zemín sú iónové (okrem kovalentného/polymérneho BeH₂). Reagujú s vodou za vzniku H₂. Pripravujú sa najmä tepelným rozkladom uhličitanov alebo hydroxidov. BeO je amfotérny, ostatné sú zásadité, ich reaktivita s vodou rastie (MgO pomaly, CaO prudko - hasenie vápna).
Reaktivita hydroxidov kovov s vodou
Prečítajte si tiež: Komplexná starostlivosť o pohybový aparát: Walmark Vápnik Horčík Zinok
Hydroxidy kovov alkalických zemín sú oxidovadlami. Be(OH)₂ je amfotérny, ostatné sú zásady. Rozpustnosť a sila zásady rastie smerom nadol (Mg(OH)₂ málo rozpustný, Ba(OH)₂ dobre rozpustný). Pripravujú sa reakciou oxidu s vodou (pre Ca, Sr, Ba) alebo zrážaním rozpustných solí hydroxidmi (pre Be, Mg).
Halogenidy kovov alkalických zemín BeX₂ sú kovalentné (často polymérne), ostatné sú prevažne iónové. Mnohé sú hygroskopické a tvoria hydráty (napr. MgCl₂·6H₂O, CaCl₂·6H₂O). Fluoridy sú často málo rozpustné (napr. CaF₂, BaF₂).
Uhličitany (MCO₃) sú málo rozpustné vo vode (okrem BeCO₃, ktorý je nestabilný). Ich tepelná stabilita rastie smerom nadol. Sú základom mnohých minerálov (vápenec, magnezit, dolomit, stroncianit). Reakciou s CO₂ a vodou vznikajú rozpustnejšie hydrogénuhličitany M(HCO₃)₂, ktoré spôsobujú prechodnú tvrdosť vody. Tento proces je aj základom krasových javov (rozpúšťanie vápenca).
Rozpustnosť síranov výrazne klesá smerom nadol v skupine: MgSO₄ a BeSO₄ sú dobre rozpustné, CaSO₄ je málo rozpustný, SrSO₄ a BaSO₄ sú prakticky nerozpustné. Tvoria hydráty (MgSO₄·7H₂O - horká soľ, CaSO₄·2H₂O - sadrovec). Sadrovec sa zahrievaním mení na sadru (CaSO₄·½H₂O), ktorá po zmiešaní s vodou opäť tuhne. BaSO₄ sa používa ako kontrastná látka pri RTG vyšetreniach.
Fosforečnany sú zvyčajne málo rozpustné. Najdôležitejší je fosforečnan vápenatý Ca₃(PO₄)₂, ktorý je súčasťou minerálu apatitu a tvorí minerálnu zložku kostí a zubov (ako hydroxyapatit Ca₅(OH)(PO₄)₃).
Prečítajte si tiež: Vápnik v rastlinnej strave
Vápnik (Ca)
Vápnik
Objavil a izoloval ho anglický chemik Humphry Davy v roku 1808 elektrolýzou zmesi oxidu vápenatého a oxidu ortuťnatého. Je to striebrolesklý, pomerne mäkký kov, ktorý sa dá krájať nožom, aj keď je tvrdší ako alkalické kovy. Patrí medzi kovy alkalických zemín. Na vzduchu sa pokrýva vrstvou oxidu a nitridu; reaguje s vodou za vzniku hydroxidu vápenatého Ca(OH)₂ a vodíka, pričom reakcia s horúcou vodou je rýchlejšia. Charakteristicky farbí plameň do tehlovočervena.
V prírode sa vyskytuje len vo forme zlúčenín; je piatym najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre. Hlavnými minerálmi vápnika sú vápenec, mramor a krieda (CaCO₃), sadrovec (CaSO₄·2H₂O), fluorit (CaF₂) a apatit (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)). Je kľúčovým biogénnym prvkom, nevyhnutným pre stavbu kostí a zubov, zrážanie krvi, svalovú kontrakciu a správnu nervovú činnosť.
Kosti v kostrách živočíchov (endoskelet) sú primárne tvorené hydroxyapatitom - kryštalickou formou fosforečnanu vápenatého (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂); vonkajšie schránky bezstavovcov (exoskelet), ako sú napr. ulity mäkkýšov, sú tvorené uhličitanom vápenatým (CaCO₃).
Vápenec je usadená hornina obsahujúca predovšetkým uhličitan vápenatý (CaCO₃). Ide o vo vode nerozpustnú látku, ktorá sa v prírode vyskytuje v rôznych kryštalických formách a tvorí celé pohoria. V kyslom prostredí sa vápenec pomaly rozpúšťa, pričom vzniká hydrogénuhličitan vápenatý (Ca(HCO₃)₂):
Vápenec je najrozšírenejšou prírodnou formou vápnika a využíva sa pri výrobe vápna (CaO), cementu, skla, v hutníctve aj stavebníctve.
Kalcit je minerál, ktorý je kryštalickou formou uhličitanu vápenatého (CaCO₃). Je to jeden z najrozšírenejších minerálov na Zemi. Existuje asi 300 rôznych odrôd kalcitu. Je hlavnou zložkou vápencov a mramorov, ale najmä sedimentárnych hornín. Jeho jemnozrnná forma sa nazýva krieda.
Kalcit sa využíva pri výrobe cementu a vápna. Vápno sa vyrába termickým rozkladom kalcitu pri teplote 900 °C, pričom vzniká oxid vápenatý (CaO) a oxid uhličitý (CO₂). Používa sa ako stavebný materiál a dôležitá chemická surovina na výrobu bieliacich a pracích prípravkov, v gumárenskom, sklárskom, keramickom a potravinárskom priemysle.
Aragonit je menej stabilná a menej rozšírená kryštalická forma uhličitanu vápenatého (CaCO₃) v porovnaní s kalcitom. Vytvára prizmatické, predĺžené kryštály, ale môže mať aj kvapľovitú, vláknitú alebo koralovitú formu.
Sadrovec je minerál zo skupiny síranov a je najrozšírenejším minerálom v tejto skupine. Je to dihydrát síranu vápenatého (CaSO₄·2H₂O). Vyskytuje sa v podobe tabuľkovitých kryštálov, ale aj v celistvej, zrnitej a vláknitej podobe. Je bezfarebný, sivý alebo biely a bežne sa vyskytuje v sedimentárnych horninách.
Tepelným odstránením 75 % vody zo sadrovca sa vyrába sadra (CaSO₄·½H₂O), ktorá po pridaní vody tvrdne a zväčšuje svoj objem. Sádra sa používa na výrobu omietok, stavebných dielcov, odlievacích foriem a na mnohé ďalšie účely. Sadrovec sa v malom množstve pridáva do Portlandského cementu. Jeho odroda alabaster sa používa ako ozdobný kameň.
Dolomit je jednou zo zlúčenín horčíka aj vápnika a patrí medzi bežné minerály zemskej kôry. Jeho chemický vzorec je CaMg(CO₃)₂ alebo CaCO₃ · MgCO₃, názvoslovne označovaný ako bis(uhličitan) vápenato-horečnatý. Patrí do dolomitovej skupiny uhličitanov.
Vyskytuje sa v hydrotermálnych žilách spolu s minerálmi ako kremeň, pyrit, fluorit alebo kalcit. Nájsť ho možno aj v sedimentárnych horninách a medzi evaporitmi. Dolomit sa využíva ako stavebný a dekoračný materiál, ako prísada do cementu (s obmedzeným množstvom) a v sklárstve a keramike.
Fluorid vápenatý (CaF₂) sa v prírode vyskytuje ako minerál fluorit, známy aj ako kazivec. Je to pomerne tvrdý (stupeň 4 na Mohsovej stupnici), často krásne sfarbený (fialový, zelený, modrý, žltý, bezfarebný) minerál kryštalizujúci v kubickej sústave. Tvorí kockové alebo oktaédrické kryštály a má dokonalú oktaédrickú štiepateľnosť. Vyskytuje sa najmä v hydrotermálnych žilách, často spolu s rudami olova a zinku alebo s kremeňom a barytom.
Uhličitan vápenatý (CaCO₃) je biela, vo vode nerozpustná anorganická zlúčenina, ktorá sa v prírode vyskytuje ako hlavná zložka vápenca a minerálov kalcit a aragonit.
V kyslom prostredí sa uhličitan vápenatý pomaly rozpúšťa, pričom vzniká hydrogénuhličitan vápenatý:
Táto rovnovážna reakcia zohráva dôležitú úlohu pri prechodnej tvrdosti vody a pri vzniku krasových útvarov v prírode.
Pri zahriatí sa uhličitan vápenatý rozkladá na oxid vápenatý (CaO) a oxid uhličitý:
Uhličitan vápenatý vzniká aj spätnou reakciou počas karbonatácie vápenných mált:
CaCO₃ má významné technické využitie - používa sa v stavebníctve, v chemickom a potravinárskom priemysle, ako plnivo v plastoch a papieri, alebo ako pôdny kondicionér v poľnohospodárstve.
Pálené vápno je oxid vápenatý (CaO). Vyrába sa tepelným rozkladom vápenca vo vápenkách pri vysokých teplotách:
Používa sa v stavebníctve, metalurgii a poľnohospodárstve ako hnojivo.
Hasené vápno je hydroxid vápenatý (Ca(OH)₂). Vzniká reakciou páleného vápna (CaO) s vodou, pričom sa uvoľňuje teplo. Táto exotermická reakcia sa nazýva hasenie vápna:
Hydroxid vápenatý je biela, vo vode málo rozpustná látka. Jeho vodná suspenzia sa nazýva vápenné mlieko. Používa sa v stavebníctve (ako súčasť malty), v poľnohospodárstve a pri výrobe cukru.
Vápnik je mäkký, kujný a veľmi reaktívny kov. Používa sa ako redukčné činidlo v metalurgii (na odstraňovanie síry a kyslíka z ocele) a pridáva sa do špeciálnych zliatin. Využíva sa aj v sklárstve pri výrobe vápenatých skiel a v stavebníctve vo forme páleného alebo haseného vápna, ktorého kombináciou so sadrou vzniká cement. Vyskytuje sa napríklad vo vápenci, sádrovci alebo apatite.
Reakcia vápnika s vodou:
Vápnik reaguje s vodou za vzniku hydroxidu vápenatého a vodíka. Reakcia s horúcou vodou je rýchlejšia.
Tabuľka vlastností vybraných kovov alkalických zemín:
| Prvok | Atómový polomer (pm) | Ionizačná energia (kJ/mol) | Elektronegativita | Hustota (g/cm³) | Farbenie plameňa |
|---|---|---|---|---|---|
| Vápnik (Ca) | 194 | 590 | 1.00 | 1.55 | Tehlovočervená |
| Stroncium (Sr) | 215 | 550 | 0.95 | 2.63 | Karmínovočervená |
| Bárium (Ba) | 222 | 503 | 0.89 | 3.51 | Zelená |
Tvrdosť vody