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2. Hauptgruppe  -  Erdalkalimetalle

Beryllium - Magnesium - Calcium - Strontium - Barium - Radium

 

 

Namensherkunft:

Der Name "Erdalkalimetalle" leitet sich wie bei den Alkalimetallen von der alkalischen Reaktion dieser Metalle ab. Man bezeichnet sie als Erdalkalimetalle, weil man sie in besonders großen Mengen am Aufbau der Erdkruste beteiligt sind.

 

 

Eigenschaften:

Als Erdalkalimetalle werden die Elemente Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium, (Sr), Barium (Ba) und Radium bezeichnet. Radium ist ein instabiles, radioaktives Element, das erstmals 1898 durch das Ehepaar Curie entdeckt wurde.

Die Typischen Erdalkalimetalle sind Calcium, Strontium und Barium. Beryllium ähnelt den Eigenschaften der Erdalkalimetallen nur sehr wenig, sodass man Beryllium auch zu den Nebengruppenelemenen Zink, Cadmium und Quecksilber zuordnen. Das Selbe gilt für Magnesium, nur sind seine Eigenschaften schon wieder näher an denen der Erdalkalimetalle.

Die Erdalkalimetalle zeigen in Reinform einen charakteristischen metallischen Glanz, der an der Luft rasch verschwindet, weil das Metall oxidiert wird. Beryllium und Magnesium sind trockener Luft gegenüber recht stabil. Magnesium reagiert ähnlich wie auch Lithium mit dem Stickstoff der Luft, daher spricht man auch von der Schrägbeziehung zum Element Lithium. Desweiteren sind die Erdalkalimetalle Leichtmetalle. Sie leiten den elektrischen Strom und besitzten jeweils 2 Valenzelektronen. In Verbindungen treten die typischen Erdalkalimetalle nur mit der Oxidationszahl +II auf.

Magnesiumband gekörntes Calcium in Ampulle Strontium in Ampulle Barium in Ampulle

Bilder: Die Erdalkalimetalle Magnesium, Calcium, Strontium und Barium

Die Erdalkalimetalle sind nach den Alkalimetallen die zweit reaktionsfähigsten Metalle im Periodensystem der Elemente. Sie reagieren vom Calcium zunehmend heftiger mit Wasser. Beryllium und Magnesium zeigen keine Reaktion in Wasser. Das liegt daran, dass sie sich direkt bei Kontakt mit Wasser mit einer Hydroxidschicht überziehen, die nicht wasserlöslich ist und das Metall vor weiterem oxidieren schützt. Die Erdalkalimetalle vereinigen sich mit den meisten Nichtmetallen des Periodensystem. Dies geschieht jedoch meist nur durch äußere Energiezufuhr oder verläuft ohne Energiezufuhr recht langsam.

Aufgrund der Tatsache, dass sie an der Luft schnell oxidiert werden, lagert man Strontium und Barium unter Paraffinöl oder in Inertgas wie Argon oder Stickstoff. Calcium wird meist von den Herstellern mit einer leichten Oxidschicht passiviert, sodass das Metall nicht weiter oxidiert werden kann. Daher erscheint gekauftes Calcium meist bräunlich/grau.

Bild: Reaktion der Erdalkalimetalle mit Wasser: Calcium, Strontium, Barium

Die Löslichkeit und die Basizität nehmen von Beryllium zu Barium stark zu. Magnesiumhydroxid ist so gut wie unlöslich in Wasser, Bariumhydroxid löst sich mit 70 g/l gut in Wasser.

 

Allgemeine Reaktionsgleichung bei der Reaktion von Alkalimetalle mit Wasser:

Me                     +   2 H2O    → M(OH)2                                                                     +   H2                    (Me = hier: Erdalkalimetall)

Erdalkalimetall   +   Wasser   → Erdalkalimetallhydroxid  +  Wasserstoff

Mit Wasserstoff bilden die Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium salzartigen Hydride. Beryllium und Magnesium bilden kovalente Hydride. Das ist vor allem auf ihren kleinen Ionenradius zurückzuführen.

Me                      +   H2             → MeH2                                                                                                 [Me = hier: Erdalkalimetall (Ca, Sr, Ba)]

Erdalkalimetall    +   Wasserstoff   → Erdalkalimetallhydrid

Beim Verbrennen an der Luft reagieren die Alkalimetalle zum größten Teil mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Magnesium reagiert zusätzlich mit dem Stickstoff der Luft zu Magnesiumnitrid (Mg3N2). Auch Calcium ist fähig mit dem Stickstoff der Luft zu reagieren, wobei Magnesium ein wesentlich größeres Bestreben hat mit ihm zu reagieren.. Berylliumoxid und Magnesiumoxid haben mit 2530° C und 2642° C sehr hohe Schmelzpunkte. Daher werden diese Oxide vielfach in hochtemperaturbestänidigen Laborgeräten verwendet. Beim Verbrennen der Erdalkalimetalle in reiner Sauerstoffatmosphäre bilden sie normale Oxide. Sie bilden mit Ausnahme von Barium keine Peroxide/Hyperoxide. Magnesium reagiert heftig mit Kohlendioxid, wobei dieser in elementaren Sauerstoff und elementaren Kohlenstoff gespalten wird. Hierbei spielt sich eine simple Redoxreaktion ab.

2 Me                  +   O2           → 2 MeO                                                                                                        (Me = hier: Erdalkalimetall)

Erdalkalimetall   +   Sauerstoff   → Erdalkalimetalloxid

2 Mg            +   CO2            → 2 MgO                 + C

Magnesium  +  Kohlendioxid    → Magnesiumoxid  + Kohlenstoff

Acetylen.jpg

 

Bilder: Magnesium reagiert mit dem Sauerstoff der Luft und reagiert mit festem Kohlendioxid (Trockeneis)

Mit den Halogenen bilden Calcium, Strontium und Barium typische Erdalkalimetallhalogenide. Die Reaktionen verlaufen stark exotherm. So reagiert Magnesium unter leichtem Erhitzten schon mit Iod, dem reaktionsschwächsten stabilen Halogen unter Bildung von Magnesiumiodid. Barium reagiert in einer Chloratmosphäre nach kurzem Erhitzten heftig unter Bildung des Bariumchlorid. Die Erdalkalimetallhalogenide. Beim Berylliumfluorid und Berylliumchlorid liegen kovalente Bindungen vor. Insbesondere bei Berylliumchlorid kann man von einer sp3-Hybridisierung sprechen. Außerdem zeigen diese Halogenverbindungen des Beryllium einen amphoteren Charakter. Außerdem besitzten alle Erdalkalimetallhalogenide einen hohen Schmelzpunkt.

Mg               +   I2    → MgI2

Magnesium  +  Iod    → Magnesiumiodid

 

Eine weitere wichtige Verbindungsklasse der Erdalkalimetalle sind die Erdalkalimetallcarbide. Besonders zu erwähnen wären hierbei Magnesium- und Calciumcarbid. Industriell wird Calciumcarbid (CaC2) durch Umsetzung von Kohlenstoff mit Calciumoxid bei einer Temperatur von ° C. Hierbei handelt es sich um einen stark exothermen Prozess.

CaO + 3 C + 465,2 KJ  CaC2 + CO

Versetzt man Calciumcarbid mit Wasser, so entsteht Acetylen und Calciumhydroxid. Früher stellte Calciumcarbid die Hauptquelle für Acetylen dar. Besonders zu der Zeit, in der fast die gesamte Organische Chemie auf der Acetylenchemie beruhte, verwendete man fast ausschließlich Calciumcarbid aus Ausgangsstoff für organische Synthesen.

CaC2                   +    2 H2O       Ca(OH)2                   +  C2H2

Calciumcarbid + Wasser   Calciumhydroxid + Acetylen

Bilder: Reaktion von Magnesium mit Iod und Reaktion von Calciumcarbid mit Wasser

Die Erdalkalimetalle zeigen wie auch die Alkalimetalle typische, charakteristische Flammenfärbungen, die zum qualitativen Nachweis dienen können. Beryllium und Magnesium zeigen keine Flammenfärbungen im sichtbaren Spektrum. Calcium färbt die Flamme Ziegelrot, Strontium rot und Barium grün.

Bild: Die charakteristischen Flammenfärbungen der Erdalkalimetalle

 

 

Vorkommen:

 

Die Erdalkalimetalle beteiligen sich am Aufbau der Erdkruste mit etwa 4,16 %. Den Größten Anteil davon macht das Calcium mit 67% aus. Magnesium hat einen Anteil von 31%, Barium einen von 1,4 und Strontium etwa 0,6 %. Wichtige Minerale in denen die Erdalkalimetalle ionisch gebunden vorkommen sind der Dolomit; das Calciummagnesiumcarbonat [CaMg(CO3)2], der Kalzit; das Calciumcarbonat (CaCO3), Coelestin; das Strontiumsulfat (SrSO4), sowie der Baryt; Das Bariumsulfat (BaSO4). Die wichtigsten Anionen der Erdalkalimetalle sind Carbonate, Sulfate, Chloride und in geringen Mengen Nitrate.

 

 

Herstellung:

Die Herstellung der Erdalkalimetalle erfolgt durch die Schmelzflusselektrolyse oder auf dem Wege der Reduktion von Erdalkalimetallverbindungen mit Hilfe starker Reduktionsmittel. Beryllium und Magnesium werden fast ausschließlich elektrolytisch hergestellt.

Wenn kompaktes Beryllium hergestellt werden soll, muss die Elektrolyse knapp über dem Schmelzpunkt von Beryllium durchgeführt werden. Dabei verwendet man meist basisches Berylliumfluorid. In der Technik verwendet man allerdings ein anderes Verfahren. Man geht von Berylliumchlorid aus und setzt diesem Natriumchlorid bei. So kann die Elektrolyse schon bei geringerer Temperatur erfolgen. Das entstandene Beryllium wird dann im Vakuum umgeschmolzen werden.

Magnesium wird genau wie Beryllium fast ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Dazu geht man von wasserfreiem Magnesiumchlorid aus, dass man durch Umsetzung von Magnesiumoxid mit Koks und Chlor enthalten kann. Das Chlor, welches bei der Elektrolyse entsteht wird wieder zurück gewonnen und wieder mit CaO umgesetzt, so entsteht ein Kreislauf, wobei allerdings immer leichte Chlorverluste auftreten.

MgO + Cl2 + C MgCl2 + CO

MgCl2 Mg + Cl2

Die Herstellung von Calcium erfolgt sowohl elektrolytisch als auch durch Reduktion von Calciumoxid mit Aluminium. Strontium und Barium werden hauptsächlich durch Reduktion im Vakuum dargestellt. Als Reduktionsmittel dient feines Aluminium- oder Siliciumpulver.

6 CaO + 2 Al 3 Ca + 3 CaO . Al2O3

3 BaO + 2 Al 3 Ba + Al2O3

3 BaO + Si   → 2 Ba + BaSiO3

 

 

Verwendung:

 

Erdalkalimetalle werden in der Industrie in großem Maßstab als Legierungsmetalle verwendet. Beryllium ist von besonderer Bedeutung. Eine Kupferlegierung mit 6-8% Beryllium verleiht dem Kupfer eine außergewöhnliche Härte, die mit Stahl zu vergleichen ist. Dabei bleibt jedoch die gute elektrische Leitfähigkeit erhalten. Beryllium kann auch in Kernkraftwerken als Moderator und Reflektor genutzt werden. Magnesium ist ein Legierungsmetall dass beispielsweise im Flugzeugbau und in der Raumfahrt zum Einsatz kommt, da es sehr leicht ist. Calcium wird in der Industrie als Reduktionsmittel zur Elementardarstellung von Titan, Zirkonium, Chrom und Uran verwendet. Erdalkalimetallverbindungen von Magnesium, Calcium, Strontium und Barium werden in der Pyrotechnik zur Flammenfärbung der Bomben verwendet.

 

Bilder: Erdalkalimetallverbindungen werden in der Pyrotechnik verwendet und Anspitzer bestehen größtenteils aus Magnesium

 

 

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