Kovy alkalických zemín patria do 2. skupiny (predtým II.A skupina) 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. Majú tendenciu dosiahnuť stabilnú konfiguráciu najbližšieho vzácneho plynu odovzdaním dvoch valenčných elektrónov, čím tvoria katióny s nábojom +II (M²⁺). V zlúčeninách tvoria prevažne iónové zlúčeniny, avšak zlúčeniny Be a čiastočne aj Mg majú výraznejší kovalentný charakter v dôsledku malého rozmeru a vyššej ionizačnej energie ich katiónov, čo spôsobuje silnejší polarizačný účinok na anióny.
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.
Trendy fyzikálnych a chemických vlastností link
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). Be a Mg plameň nefarbia.
Výskyt v prírode link
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.
- Berýlium: Pomerne vzácne, hlavný minerál je beryl (Al₂Be₃(Si₆O₁₈)), jeho odrody sú drahokamy smaragd a akvamarín.
- Horčík: Veľmi rozšírený, v mineráloch ako magnezit (MgCO₃), dolomit (CaMg(CO₃)₂), olivín ((Mg,Fe)₂SiO₄), azbest (Mg₃(Si₂O₅)(OH)₂), mastenec (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂). Významný je aj v morskej vode (MgCl₂).
- Vápnik: Veľmi rozšírený, najmä ako vápenec (CaCO₃ – kalcit, aragonit), dolomit (CaMg(CO₃)₂), sadrovec (CaSO₄·2H₂O), anhydrit (CaSO₄), apatit (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)), fluorit (CaF₂).
- Stroncium: Menej rozšírené, hlavné minerály sú celestín (SrSO₄) a stroncianit (SrCO₃).
- Bárium: Menej rozšírené, hlavný minerál je baryt (BaSO₄).
- Rádium: Veľmi vzácne, sprevádza uránové rudy ako produkt rádioaktívneho rozpadu.
Získavanie kovov alkalických zemín link
Kovy alkalických zemín sa získavajú najmä elektrolýzou tavenín ich halogenidov (zvyčajne chloridov), do ktorých sa pridávajú iné soli na zníženie teploty topenia.
\( \ce{MCl2(l) ->[\text{elektrolýza}] M(s/l) + Cl2(g)} \quad (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba) \)
Alternatívne sa používajú redukčné metódy, napríklad redukcia oxidov kovov hliníkom (aluminotermia pre Ca, Sr, Ba) alebo kremíkom (pre Mg z MgO pri vysokej teplote).
\( \ce{3CaO(s) + 2Al(s) ->[\text{t}] 3Ca(g) + Al2O3(s)} \)
Biologický význam kovov alkalických zemín link
Horčík (Mg²⁺) a vápnik (Ca²⁺) patria medzi esenciálne biogénne makroprvky s kľúčovými funkciami v organizmoch:
- 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. Nerozpustný síran bárnatý (BaSO₄) sa používa v medicíne.
Rádium (Ra) je rádioaktívne a škodlivé.
Typy zlúčenín kovov alkalických zemín link
Kovy alkalických zemín tvoria zlúčeniny prevažne v oxidačnom stave +II. Najdôležitejšie typy zahŕňajú:
Hydridy (MH₂) link
Iónové (okrem kovalentného/polymérneho BeH₂). Reagujú s vodou za vzniku H₂. CaH₂ sa používa ako sušidlo a zdroj vodíka.
Oxidy (MO) link
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). MgO a CaO sú žiaruvzdorné materiály.
Peroxidy (MO₂) link
Tvoria ich ťažšie prvky (Ca, Sr, Ba), vznikajú napr. reakciou oxidu s kyslíkom pod tlakom (BaO₂). Sú oxidovadlami. Peroxid bárnatý sa používal na prípravu peroxidu vodíka.
Hydroxidy (M(OH)₂) link
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). Ca(OH)₂ (hasené vápno) je dôležité v stavebníctve (malta), pri výrobe cukru a ako lacná zásada.
\( \ce{MgCl2(aq) + 2NaOH(aq) -> Mg(OH)2(s) v + 2NaCl(aq)} \)
Halogenidy (MX₂) link
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). Chlorid vápenatý (CaCl₂) sa používa ako sušidlo a na posyp ciest v zime.
Soli oxokyselín link
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). Rozpustnejší dihydrogénfosforečnan vápenatý Ca(H₂PO₄)₂ je zložkou hnojiva superfosfát.
Ostatné binárne zlúčeniny link
Sú známe aj nitridy (M₃N₂ – vznikajú reakciou kovov s N₂ pri vysokej teplote, hydrolyzujú na NH₃), karbidy (MC₂ – acetylidy, okrem Be₂C, hydrolyzujú na acetylén C₂H₂) a sulfidy (MS).
