Die Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe im PSE)

Beryllium - Magnesium - Calcium - Strontium - Barium - Radium

Die Erdalkalimetalle Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium
Die Erdalkalimetalle Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium

Namensherkunft

Der Name "Erdalkalimetalle" leitet sich, ähnlich wie bei den Alkalimetallen, von der alkalischen Reaktion dieser Metalle ab. Man bezeichnet sie als Erdalkalimetalle, weil 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 beschrieben wurde. 

Die typischen Erdalkalimetalle sind Calcium, Strontium und Barium. Als besonderer Ausreißer, kann Beryllium verstanden werden. Es ähnelt den Eigenschaften der Erdalkalimetallen nur sehr wenig, sodass man Beryllium eher bei den Nebengruppenelemenen Zink, Cadmium und Quecksilber einordnen könnte. Ähnliches gilt für Magnesium - allerdings zeigen seine Eigenschaften schon wieder eine größere Annäherung an die der Erdalkalimetalle.

Element Schmelzpunkt Siedepunkt Atommasse Dichte Mohshärte Elektronegatität
Beryllium  1287 °C  2970 °C    9,012 u 1,848 g/cm3 5,5 1,57 (Pauling)
Magnesium    650 °C  1110 °C  24,305 u 1,738 g/cm3 2,5 1,31 (Pauling)
Calcium    842 °C  1487 °C  40,078 u 1,55 g/cm3 1,75 1,00 (Pauling)
Strontium    777 °C  1380 °C   87,62  u 2,63 g/cm3 1,5 0,95 (Pauling)
Barium    727 °C  1637 °C  137,33 u 3,62 g/cm3 1,25 0,89 (Pauling)

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. Dies ist eine Tatsache, die unter anderen wieder an die Schrägbeziehung innerhalb des Periodensystems erinnert. Eine solche Schrägbeziehung, besteht hier zum Element Lithium.

Sowohl Lithium (Alkalimetall) als auch Magnesium (Erdalkalimetall) reagieren mit Stickstoff
6 Li    
+ N2  2 Li3N
Lithium +   
Stickstoff Lithiumnitrid
3 Mg   
+ N2  Mg3N2
Magnesium +  
Stickstoff Magnesiumnitrid

Erdalkalimetalle sind Leichtmetalle. Sie leiten den elektrischen Strom und besitzen jeweils 2 Valenzelektronen. In Verbindungen, treten die typischen Erdalkalimetalle nur mit der Oxidationszahl +II auf.

 

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 mit (kaltem) Wasser. Das liegt daran, dass sie sich direkt bei Kontakt mit Wasser mit einer Hydroxidschicht überziehen, die wasserunlöslich ist und das Metall vor weiterer Oxidation schützt. Die Erdalkalimetalle vereinigen sich mit den meisten Nichtmetallen des Periodensystems. 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 (siehe Abbildung).

Allgemeine Reaktionsgleichung der Reaktion von Erdalkalimetallen mit Wasser:
M + 2 H2O Me(OH)2     
+  H2
Erdalkalimetall +
Wasser Erdalkalimetallhydroxid +  Wasserstoff
Die Reaktion von Calcium, Strontium und Barium mit Wasser
Die Reaktion von Calcium, Strontium und Barium mit Wasser

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.

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.

Mit Wasserstoff bilden die Alkalimetalle sog. Hydride:
M + H2 2 MeH2 
Erdalkalimetall +
Wasserstoff Erdalkalimetallhydrid

 (M = hier: Erdalkalimetalle Ca, Sr, Ba)

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 hochtemperaturbeständigen Laborgeräten verwendet.

Beim Verbrennen der Erdalkalimetalle in reiner Sauerstoffatmosphäre bilden sie normale Oxide. Sie bilden mit Ausnahme von Barium also keine Peroxide bzw. Hyperoxide. Magnesium reagiert heftig mit Kohlendioxid, wobei dieses in elementaren Sauerstoff und elementaren Kohlenstoff gespalten wird. 

2 M
 +  O2 2 MO 
Erdalkalimetall  +
 Sauerstoff

Erdalkalimetalloxid

 (M = hier: Erdalkalimetalle Be, Mg, Ca, Sr, Ba)

2 Mg
+ CO2 2 MgO 
+ C
Magnesium +
Kohlenstoffdioxid Magnesiumoxid + Kohlenstoff

Video: Magnesiumband verbrennt in Kohlenstoffdioxid

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. Beim Berylliumfluorid und Berylliumchlorid liegen kovalente Bindungen vor. Insbesondere bei Berylliumchlorid kann man von einer sp3-Hybridisierung sprechen. Außerdem zeigen diese Halogenverbindungen des Berylliums einen amphoteren Charakter. Alle Erdalkalimetallhalogenide besitzen einen hohen Schmelzpunkt.

Mg +  I2
MgI2 
Magnesium +
 Iod Magnesiumiodid
Magnesium reagiert mit Iod
Magnesium reagiert mit Iod

Eine weitere wichtige Verbindungsklasse der Erdalkalimetalle, sind die Erdalkalimetallcarbide. Besonders zu erwähnen sind hierbei Magnesium- und Calciumcarbid. Industriell wird Calciumcarbid (CaC2) durch Umsetzung von Kohlenstoff mit Calciumoxid, bei einer Temperatur von 2000-2300° C hergestellt.. Hierbei handelt es sich um einen stark exothermen Prozess, der in sog. Schmelz-Reduktionöfen (dies ist eine Sonderform des Lichtbogenofens) stattfindet.

CaO + 3 C + 465,2 KJ ⇌ CaC2 + CO

Versetzt man Calciumcarbid mit Wasser, so entstehen Acetylen und Calciumhydroxid. Früher stellte Calciumcarbid die Hauptquelle für Acetylen dar. Besonders in 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
Calciumcarbid reagiert mit Wasser unter Bildung von Acetylen, welches mit rußender Flamme verbrennt
Calciumcarbid reagiert mit Wasser unter Bildung von Acetylen, welches mit rußender Flamme verbrennt

Die Erdalkalimetalle zeigen, wie auch die Alkalimetalle, 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.

Die Flammenfärbung der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium
Die Flammenfärbung der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium

Vorkommen

Die Erdalkalimetalle beteiligen sich mit etwa 4,16 % am Aufbau der Erdkruste. 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 (elektrochemisch) 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 großtechnischen Herstellung, 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, das 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 energetisch günstiger Kreislauf.

Erdalkalimetalle können durch Schmelzflusselektrolyse dargestellt werden
Erdalkalimetalle können durch Schmelzflusselektrolyse dargestellt werden

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.

Gewinnung der Erdalkalimetalle durch Reduktion
4 CaO + 2 Al
 3 Ca + CaAl2O4
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, das beispielsweise im Flugzeugbau und in der Raumfahrt zum Einsatz kommt. Calcium wird in der Industrie als Reduktionsmittel zur Elementardarstellung von Titan, Zirkonium, Chrom und Uran verwendet. Weiterhin werden Erdalkalimetallverbindungen von Magnesium, Calcium, Strontium und Barium in der Pyrotechnik zur Flammenfärbung der Bomben verwendet.

Erdalkalimetallverbindungen finden in der Pyrotechnik Verwendung
Erdalkalimetallverbindungen finden in der Pyrotechnik Verwendung