Erdalkalimetalle: Eigenschaften und Reaktivität

Magnesium aus Mineralwasser, Calcium in Knochen und Bariumverbindungen im Labor gehören zur gleichen Elementfamilie. Im Periodensystem stehen ihre Elemente untereinander in der 2. Hauptgruppe: Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra).

Radium ist radioaktiv. Alle Erdalkalimetalle sind bei Raumtemperatur feste Metalle. Reine Erdalkalimetalle kommen wegen ihrer Reaktionsfreudigkeit in der Natur nicht ungebunden, sondern in Verbindungen vor.

Bei einer Reaktion kann ein Erdalkalimetallatom beide Valenzelektronen abgeben. Dadurch entsteht ein Ion mit zwei positiven Ladungen, zum Beispiel \ce{Mg^2+} oder \ce{Ca^2+}. Die hochgestellte Angabe 2+ nennt die Ladung des Ions.

Eine Elektronenanordnung wie bei einem Edelgas, meist mit acht Außenelektronen, bei Helium mit zwei, heißt Edelgaskonfiguration. Nach der Abgabe ihrer beiden Valenzelektronen besitzen Erdalkalimetallionen die Elektronenanordnung des vorhergehenden Edelgases.

Calcium reagiert leichter als Magnesium, Barium leichter als Calcium. Das ist ein beobachteter Gruppentrend: Die Reaktivität der Erdalkalimetalle nimmt von Beryllium zu Barium zu.

Das Schalenmodell liefert dafür eine Erklärung. Von oben nach unten kommt bei jedem Element eine weitere Elektronenschale hinzu. Die Außenelektronen befinden sich dadurch weiter vom positiv geladenen Atomkern entfernt. Innere Elektronen schirmen die Anziehung des Kerns zusätzlich ab. Die beiden Außenelektronen lassen sich deshalb leichter abgeben. Das Element reagiert leichter und damit meist heftiger.

Diese Erklärung ist ein Modell. Sie deutet den beobachteten Trend mithilfe von Abstand und Abschirmung.

Ein Trend beschreibt die allgemeine Richtung. Die sichtbare Reaktion hängt aber auch von Temperatur, Oberfläche und schützenden Schichten auf der Oberfläche ab.

Beryllium und Magnesium bilden an der Oberfläche eine dichte Oxidschicht. Sie trennt das darunterliegende Metall von seiner Umgebung und verlangsamt weitere Reaktionen.

Magnesium reagiert mit kaltem Wasser nur langsam: Seine Oxidschicht und das schwer lösliche Magnesiumhydroxid, das sich dabei bildet, bedecken die Oberfläche. Dünnes Magnesiumband lässt sich jedoch entzünden und brennt mit sehr hellem Licht. Calcium, Strontium und Barium reagieren bei Raumtemperatur deutlich stärker mit Wasser. Dabei entstehen Hydroxide und Wasserstoff. Die Hydroxide bilden basisch reagierende Lösungen.

Wie reaktiv ein Metall grundsätzlich ist und wie schnell eine Reaktion sichtbar abläuft, ist nicht dasselbe. Eine Schutzschicht kann eine grundsätzlich mögliche Reaktion zunächst bremsen.

Versuche mit Erdalkalimetallen führt die Lehrkraft im Schullabor vor oder beaufsichtigt sie; probiere sie nie zu Hause aus. In brennendes Magnesium darf man nicht direkt hineinsehen: Das grelle Licht enthält UV-Strahlung und kann die Augen schädigen. Brennende Erdalkalimetalle dürfen nicht mit Wasser und auch nicht mit Kohlenstoffdioxid gelöscht werden; die Lehrkraft verwendet trockenen Sand oder einen Metallbrandlöscher. Fein verteilte Metalle können sich besonders leicht entzünden; Berylliumverbindungen, lösliche Bariumverbindungen sowie radioaktives Radium sind gesundheitlich gefährlich.

Salze bestimmter Erdalkalimetalle färben eine Flamme charakteristisch. So lassen sich diese Ionen unterscheiden. Bei der Flammenprobe wird eine Verbindung beziehungsweise ein Salz untersucht, nicht ein Stück des reinen Metalls.

Der entscheidende Vorgang läuft so ab: Die Flamme überträgt Energie auf Elektronen. Die Elektronen gelangen kurzzeitig in energiereichere Zustände, im Schalenmodell auf eine weiter außen liegende Schale; man sagt, sie werden angeregt. Beim Zurückfallen geben sie Energie als Licht ab. Je nach Element ist die abgegebene Energieportion verschieden groß. Deshalb leuchtet das Licht in einer anderen Farbe.

Im Alltag spielen meist nicht die reinen Metalle, sondern ihre Verbindungen eine Rolle. Calciumverbindungen sind Bestandteile von Knochen und Zähnen. Calciumcarbonat kommt unter anderem in Kalkstein, Kreide und Marmor vor. Magnesium ist für die Muskelfunktion wichtig; in Pflanzen sitzt es in der Mitte jedes Moleküls des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll. Magnesiumlegierungen verbinden eine geringe Dichte mit technischer Nutzbarkeit, etwa im Fahrzeug- und Flugzeugbau.

Calcium- und Magnesiumionen verursachen wesentlich die Wasserhärte. Hartes Wasser enthält oft gelöstes Calciumhydrogencarbonat. Es entsteht, wenn kohlenstoffdioxidhaltiges Wasser Kalk (Calciumcarbonat) löst. Beim Erhitzen kann daraus wieder schwer lösliches Calciumcarbonat ausfallen. Es lagert sich als Kesselstein ab. Calcium- und Magnesiumionen können außerdem mit den negativ geladenen Teilchen der Seife schwer lösliche Kalkseifen bilden.