Groupe de métaux comprenant le calcium, le strontium, le baryum et le radium.

La découverte des éléments

Les pierres calcaires à base de carbonate de calcium ont été utilisées à des époques très anciennes. Si l’on ne tient pas compte de l’usage très ancien de blocs calcaires comme pierres de jet ou comme éléments d’une murette, on considère que des disques ou même des pointes en calcaire ont été travaillés par des hommes il y a une centaine de mille ans. La chaux a été produite dès une haute antiquité par chauffage du calcaire et a servi à préparer du mortier. Le plâtre fut également très tôt utilisé, et on a trouvé à Çatal Höyuk, sur le plateau d’Anatolie*, les restes d’une véritable petite ville où le plâtre était d’usage courant.

Le calcium fut isolé en 1808 par H. Davy ; celui-ci obtint également le strontium et le baryum sous forme d’amalgames en utilisant une cathode en mercure. On connaissait déjà au xvii^e s. le sulfate naturel de baryum, dont le nom vient du mot grec barus, qui veut dire « lourd ». À la fin du xviii^e s., on identifia une nouvelle « terre » dans un minerai venant de Strontian (Écosse) ; d’où le nom du strontium.

Enfin, en 1908, Pierre et Marie Curie* caractérisèrent l’existence du radium dans un fragment de pechblende. C’est en 1910 que Marie Curie et Debierne préparèrent du radium à l’état métallique.

État naturel

Le plus abondant des éléments alcalino-terreux est le calcium, qui représente 3,39 p. 100 en poids des couches superficielles terrestres. Il est le cinquième élément par abondance pondérale décroissante dans la partie externe de la terre. Le baryum y représente seulement 0,04 p. 100 en poids, et le strontium 0,02 p. 100. Le radium formé par radio-activité naturelle de l’uranium et du thorium est très rare.

Le calcium se trouve dans de très nombreuses roches, spécialement les roches calcaires et les roches formées de silicates ; on trouve aussi des sulfates, des phosphates et le fluorure à l’état naturel. Le composé du baryum le plus commun est le sulfate BaSO₄, la barytine. Le strontium existe à l’état naturel sous forme de sulfate et de carbonate.

Atomes

Les atomes sont caractérisés par le fait que, dans leur état fondamental, leur cortège électronique possède deux électrons sur la couche la plus externe. Il en résulte le symbolisme suivant, qui caractérise l’état fondamental de ces atomes :
pour le calcium, symbole Ca : 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s² ;
pour le strontium, symbole Sr : 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d¹⁰, 4s², 4p⁶, 5s² ;
pour le baryum, symbole Ba : 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d¹⁰, 4s², 4p⁶, 4d¹⁰, 5s², 5p⁶, 6s².

Ces éléments sont situés dans la deuxième colonne du tableau périodique ; ils n’en occupent qu’une partie, le béryllium et le magnésium figurant à la deuxième et à la troisième ligne.

Il résulte de cette structure que les deux électrons les plus externes sont nettement plus faciles à arracher que le troisième électron. D’où le tableau suivant, qui donne les potentiels d’ionisation en électrons-volts :

Les atomes ont tendance à céder les deux électrons externes à leurs voisins suffisamment électronégatifs et à se transformer ainsi en cations porteurs de deux charges élémentaires positives. C’est aussi cette facilité d’arrachement des deux électrons externes qui fait que ces éléments sont très électropositifs et que les potentiels normaux E respectifs des couples d’oxydoréduction métal-cation bivalent associés à des solutions aqueuses sont très bas. Ainsi, on a :

pour les couples M ⇄ M⁺⁺ + 2e^– (M représente le métal et M⁺⁺ le cation).

Les métaux alcalino-terreux

Les corps simples formés par les éléments alcalino-terreux ont à l’état solide un net caractère métallique, qui se traduit par un éclat brillant sur les métaux fraîchement coupés et par une bonne conductibilité électrique. Ils sont nettement moins fusibles que les métaux alcalins.

Voici quelques propriétés de ces métaux :

Les métaux alcalino-terreux sont des réducteurs énergiques. Ils réagissent facilement avec certains corps simples, comme les halogènes, l’oxygène, le soufre, l’azote et l’hydrogène. Ils décomposent l’eau froide selon la réaction
M + 2 H₂O → M(OH)₂ + H₂
(où M représente un de ces métaux alcalino-terreux).

Le pouvoir réducteur du calcium permet d’utiliser ce métal pour la libération d’autres métaux. Ainsi, on peut préparer du chrome par réduction de l’oxyde chromique et on prépare de l’uranium par réduction du tétrafluorure d’uranium :
UF₄ + 2 Ca → 2 CaF₂ + U.

Le calcium est fabriqué industriellement par électrolyse du chlorure CaCl₂ fondu.

Principaux dérivés du calcium

On connaît l’oxyde de calcium CaO, la chaux vive. Il se dissout dans l’eau en donnant naissance à une solution basique d’hydroxyde :
CaO + H₂O ⇄ Ca⁺⁺ + 2 OH^–.

L’oxyde CaO est donc trop réactif pour exister à l’état libre ; il est fabriqué industriellement par décomposition thermique, vers 800 °C, du carbonate de calcium naturel :
CaCO₃ ⇄ CO₂ + CaO.

Il existe de nombreux composés du calcium. Les plus importants sont le sulfate et ses hydrates, des phosphates, le carbonate, le carbure et des silicates complexes. Ces dérivés participent à la fabrication du plâtre, du verre, des ciments. Les phosphates naturels de calcium sont le minerai de phosphore.

Pour le carbure de calcium CaC₂, qui sert à fabriquer la cyanamide calcique CN₂Ca et l’acétylène C₂H₂, on utilise la réaction suivante au four électrique :
CaO + 3 C → CaC₂ + CO.

Le carbonate de calcium existe en grande quantité comme constituant fondamental des roches calcaires. Il est pratiquement insoluble dans l’eau pure. Mais il se dissout dans de l’eau elle-même chargée d’anhydride carbonique :

Ainsi se creusent les grottes des régions calcaires à partir du gaz carbonique de l’atmosphère, qui se dissout dans l’eau. Il arrive que des solutions aqueuses ayant ainsi dissous le carbonate de calcium s’évaporent et laissent alors déposer du carbonate selon l’évolution inverse de la réaction précédente : c’est alors que se forment stalactites et stalagmites.

Beaucoup de sels de calcium sont moins solubles dans l’eau que les sels correspondants de sodium, ce qui permet à des roches naturelles et à des matériaux artificiels riches en dérivés du calcium d’être utilisés comme matériaux de construction.

H. B.

➙ Calcaire / Calcium / Chaux / Plâtre.

 J. Stolkowski, le Calcium et la vie (P. U. F., coll. « Que sais-je ? », 1957 ; 2^e éd., 1968).