Erdalkalimetalle

Grundlagen und Stellung im Periodensystem

Erdalkalimetalle sind die chemischen Elemente Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium aus der 2. Hauptgruppe des Periodensystems. Sie sind glänzende, reaktive Metalle mit zwei Elektronen in der Valenzschale, also der äußersten Elektronenschale. Diese zwei Außenelektronen prägen ihr chemisches Verhalten: In Verbindungen kommen sie fast nur als zweifach positiv geladene Ionen vor. Radium ist zusätzlich ein radioaktives Zwischenprodukt natürlicher Zerfallsreihen.

Die typischen Erdalkalimetalle sind Calcium, Strontium und Barium. Beryllium unterscheidet sich deutlich von den übrigen Elementen der Gruppe und wird deshalb teilweise auch der Zinkgruppe zugeordnet. Alle Erdalkalimetalle leiten elektrischen Strom und gehören zu den Leichtmetallen. Ihr metallischer Glanz verschwindet an der Luft meist schnell, weil die Oberfläche oxidiert. Beryllium und Magnesium sind an trockener Luft vergleichsweise stabil.

Eigenschaften und Elektronenstruktur

Die Elektronenkonfiguration der Erdalkalimetalle lautet allgemein [X] ys². X steht für die Elektronenkonfiguration des Edelgases aus der vorherigen Periode, y für die Periode des Elements. Die einzelnen Elektronenkonfigurationen sind: Beryllium [He] 2s², Magnesium [Ne] 3s², Calcium [Ar] 4s², Strontium [Kr] 5s², Barium [Xe] 6s² und Radium [Rn] 7s². Der typische Oxidationszustand ist +2, weil die beiden Außenelektronen leicht abgegeben werden können. Die entstehenden Me²⁺-Ionen besitzen Edelgaskonfiguration.

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse, Atomradius und Ionenradius. Die Dichte ist bei Calcium mit 1550 kg/m³ am geringsten und erreicht bei Radium mit 5500 kg/m³ den höchsten Wert. Beryllium hat mit einer Mohshärte von 5,5 eine mittlere Härte; die übrigen Elemente der 2. Hauptgruppe sind deutlich weicher, und ihre Härte nimmt nach unten in der Gruppe ab. Die ersten drei Erdalkalimetalle, besonders Beryllium und Calcium, sind sehr gute elektrische Leiter. Die 1. Ionisierungsenergie sinkt von 9,322 eV bei Beryllium auf 5,212 eV bei Barium; Radium liegt mit 5,279 eV wieder etwas höher. Die Elektronegativität nimmt von 1,57 bei Beryllium auf 0,9 bei Radium ab.

Typische Erdalkalimetalle und ihre Salze zeigen charakteristische Flammenfärbungen: Calcium färbt die Flamme orange-rot bei 622 und 553 nm, Strontium rot bei 675 und 606 nm und Barium grün bei 524 und 514 nm. Deshalb werden Erdalkalimetallverbindungen in Feuerwerken verwendet.

Reaktionen

Erdalkalimetalle erreichen Edelgaskonfiguration, indem sie ihre beiden Außenelektronen abgeben. Sie sind weniger reaktiv als Alkalimetalle, weil für das Abspalten von zwei Außenelektronen eine höhere Ionisierungsenergie nötig ist als für nur ein Elektron. Innerhalb der Gruppe nimmt die Reaktivität von oben nach unten zu: Zwischen Außenelektronen und Atomkern liegen immer mehr volle Elektronenschalen, der Abstand zum Kern wird größer, und die Außenelektronen lassen sich leichter abspalten.

Da Erdalkalimetalle leicht Me²⁺-Ionen bilden, sind sie unedle Metalle und werden an der Luft oxidiert. Beryllium und Magnesium bilden jedoch stabile Oxidschichten; diese Passivierung bedeutet, dass nur die Oberfläche oxidiert wird. Dadurch greifen Wasser und Luft diese beiden Metalle langsamer an. Calcium, Strontium und Barium reagieren dagegen mit Wasser zu Hydroxiden, wobei Wasserstoff entsteht. Erdalkalimetalle sind daher wie Alkalimetalle Basenbildner. Außerdem reagieren sie gut mit Nichtmetallen, zum Beispiel mit Sauerstoff oder Halogenen.

Wichtige Reaktionsgleichungen sind: mit Sauerstoff 2Me + O₂ → 2MeO, wobei Barium auch Bariumperoxid bilden kann; mit Wasserstoff Me + H₂ → MeH₂, wobei ionische Hydride entstehen; mit Wasser Me + 2H₂O → Me(OH)₂ + H₂; und mit Chlor Me + Cl₂ → MeCl₂. Das Reaktionsverhalten zeigt den Trend deutlich: Beryllium ist bei Raumtemperatur an trockener Luft beständig, Magnesium wird ebenfalls passiviert, während Calcium, Strontium, Barium und Radium an trockener Luft schnell anlaufen und fein verteilt selbstentzündlich sind. Beryllium reagiert ohne Katalysator nicht mit Wasserstoff, Magnesium nur bei hohem Druck, die weiteren Erdalkalimetalle schon bei Atmosphärendruck. Mit Wasser reagieren die übrigen Erdalkalimetalle bei Raumtemperatur heftig.

Verbindungen und Wasserhärte

Beryllium bildet als einziges Erdalkalimetall überwiegend kovalente Verbindungen, also Verbindungen mit gemeinsam genutzten Elektronenpaaren. Die übrigen Elemente der Gruppe treten fast nur als Me²⁺-Ionen auf. Wichtige Verbindungsklassen sind Oxide wie BeO, MgO, CaO, SrO und BaO; Hydroxide wie Be(OH)₂, Mg(OH)₂, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ und Ba(OH)₂; außerdem Fluoride, Chloride, Sulfate, Carbonate, Nitrate und Sulfide.

Einige besondere Verbindungen haben technische oder praktische Bedeutung. Grignard-Verbindungen sind Magnesiumverbindungen der Form R-MgX; R ist ein organischer Rest und X ein Halogen. Sie werden in der organischen Synthese verwendet. Calciumcarbid (CaC₂) bildet ein Ionengitter mit Ca²⁺- und (C≡C)²⁻-Ionen in NaCl-Struktur. Es wird für die Ethinherstellung durch Hydrolyse benötigt: CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂. Außerdem dient es der Entschwefelung von Rohstahl und der Azotierung zu Calciumcyanamid. Calciumoxalat (CaC₂O₄) ist Hauptbestandteil von Nierensteinen. Calciumcyanamid (CaCN₂) ist ein Düngemittel und wird auch zur Unkraut- und Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Strontiumtitanat (SrTiO₃) wird unter dem Namen Fabulit als Schmuckstein gehandelt. Bariumperoxid Ba²⁺(O-O)²⁻ spielte früher bei der Wasserstoffperoxid-Synthese eine wichtige Rolle: BaO₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ + H₂O₂.

Für die Wasserhärte sind vor allem gelöste Calcium- und Magnesiumionen verantwortlich. Calciumhydrogencarbonat Ca(HCO₃)₂ kann beim Erhitzen in schwerlösliches Calciumcarbonat CaCO₃ übergehen, das als Kesselstein bekannt ist: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O. Weil Kohlenstoffdioxid entweicht, wird die Rückreaktion verhindert, und Kesselstein lagert sich zum Beispiel in Kochtöpfen ab. Diese Form gehört zur temporären Wasserhärte. Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen bilden außerdem mit Seife unlösliche Verbindungen, sogenannte Kalkseifen.

Vorkommen und Nachweis

Erdalkalimetalle kommen in der Natur nicht gediegen, also nicht als reine Elemente, vor. Sie sind meist als Silikate, Karbonate oder Sulfate gebunden. Am Aufbau der Erdkruste einschließlich Luft- und Wasserhülle sind sie nach Gewichtsprozent unterschiedlich beteiligt: Beryllium mit 2,7 · 10⁻⁴ %, Magnesium mit 2,0 · 10⁰ %, Calcium mit 3,4 · 10⁰ %, Strontium mit 3,6 · 10⁻² %, Barium mit 4,0 · 10⁻² % und Radium mit 1,0 · 10⁻¹⁰ %. Wichtige Minerale sind zum Beispiel Dolomit, Kalzit, Coelestin und Baryt. Obwohl Beryllium sehr selten ist, kommt es in 30 verschiedenen Mineralien vor. Bekannte berylliumhaltige Edelsteine sind Beryll, Aquamarin, Smaragd und Chrysoberyll.

Der Nachweis der Erdalkalimetalle erfolgt hauptsächlich spektralanalytisch über charakteristische Spektrallinien. Nasschemische Methoden, etwa die Ausfällung als Carbonate, Sulfate oder Hydroxide, werden heute vor allem zu Demonstrationszwecken verwendet. Bei der Flammenfärbung zeigen Beryllium und Magnesium keine Färbung, Calcium ziegelrot, Strontium intensiv rot, Barium gelb-grün und Radium karminrot. Auch Fällungsreaktionen unterscheiden die Ionen: Zum Beispiel fallen Calcium-, Strontium-, Barium- und Radiumcarbonate aus, während Berylliumcarbonat löslich ist; Bariumsulfat fällt aus, Magnesiumsulfat ist löslich.

Sicherheit

Nur Beryllium und Magnesium sind an Luft beständig. Die übrigen Erdalkalimetalle müssen unter Paraffinöl oder Inertgas aufbewahrt werden. Eine Aufbewahrung unter Alkohol ist nur bei Beryllium, Magnesium und Calcium möglich, denn bereits Barium spaltet daraus Wasserstoff ab und reagiert zum Alkoholat: Ba + 2 R-OH → Ba²⁺(R-O⁻)₂ + H₂.

Fein verteiltes Magnesium ist leicht entzündlich; Calcium-, Strontium- und Bariumpulver können sich an Luft selbst entzünden. Brennende Erdalkalimetalle dürfen keinesfalls mit Wasser gelöscht werden. Erdalkalimetalle sind starke Reduktionsmittel und können sogar Alkalimetalle aus ihren Verbindungen freisetzen. Solche Reaktionen verlaufen stark exotherm, also unter starker Wärmeabgabe, und können unter Umständen explodieren.

Beryllium ist ein Lungengift; der genaue Wirkungsmechanismus ist weitgehend unbekannt. Seine Verbindungen sind krebserregend. Gut wasserlösliche Bariumverbindungen sind hochgiftig; 1 Gramm kann bereits tödlich wirken. Radium ist wegen seiner Radioaktivität äußerst gesundheitsschädlich. Trotzdem wurde bis 1931 mit Radium versetztes Wasser unter dem Handelsnamen Radithor zum Trinken verkauft; die Zahl der Geschädigten oder Umgekommenen ist unbekannt.