Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 22.02.16


Erdalkalimetalle

Vortrag von Michael Seiler im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2012/13


Gliederung:


Einführung. Um die Effizienz neuer Fahrzeuge immer weiter zu steigern, verfolgen Autokonzerne wie Audi das Ziel, deren Gewicht zu reduzieren. Also sucht man Metalle, die dies ermöglichen, wie z.B. Leichtmetalle. Diese haben eine geringe Dichte und können in der Autoindustrie verwendet werden. Diese Eigenschaft zeichnet eine Gruppe von Metallen im Periodensystem aus, die Elemente der zweiten Hauptgruppe, die Erdalkalimetalle. Hierzu gehören Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium.


Abb. 1: Audi R8, dessen Rahmen Magnesium enthält [6]


1 Eigenschaften der Elemente

Innerhalb der Gruppe nehmen mit zunehmender Ordnungszahl (OZ) die Atomradien und Massen zu. Beryllium ist stark toxisch und Radium radioaktiv, sie kommen also für die Autoindustrie nicht in Frage. Die Elemente der zweiten Hauptgruppe kommen in der Erdkruste häufig vor, wobei Calcium mit 3,39 % und Magnesium mit 1,94 % vertreten ist. Außer Radium gehören sie des Weiteren zu den Leichtmetallen, wobei Calcium mit 1,54 g/cm3 die geringste Dichte aufweist. Somit ist Calcium das leichteste und häufigste Element dieser Gruppe und wird im Folgenden näher betrachtet.


2 Vorkommen von Calcium

Aufgrund der hohen Reaktivität kommt Calcium nur innerhalb von Verbindungen vor. So z.B. im Hydroxylapatit Ca5[(OH)(PO4)3], das die Grundsubstanz unserer Knochen und Zähne bildet. Im Mund kommt dieser Komplex aber mit Säuren aus der Nahrung in Berührung, wobei diese die Hydroxidionen neutralisieren und so den Komplex zerstören können:

Ca5[(OH)(PO4)3] + H3O+ → 5 Ca2+ + 3 PO43- + 2 H2O

Schutz davor bieten Fluoridzusätze in der Zahnpasta oder im Mineralwasser. Die hier enthaltenen Fluorid-Ionen lagern sich anstelle der OH--Ionen an und verhindern somit die Säurelabilität. Ein weiteres Vorkommen bilden Kalksteinablagerungen, wie die in der fränkischen Schweiz. Versickert hier (Abb. 2) CO2-haltiges Wasser, wird das CaCO3 als Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen ausgelöst. Das CO2 wird dabei aber nicht vollständig umgesetzt, es stellt sich ein Gleichgewicht ein.


Abb. 2: Bildung von Tropfsteinen

Gelangt diese Lösung in eine Höhle, wird das CO2 an die CO2-arme Höhlenluft abgegeben und Wasser verdunstet. Dadurch wird das Gleichgewicht gestört, die Lösung ist an CaCO3 übersättigt. Ein neues Gleichgewicht kann sich einstellen, indem etwas Calciumcarbonat auskristallisiert, was die Bildung eines Tropfsteins bedeutet.

So wie Calcium kommen auch die anderen Elemente nur in gebundener Form vor, was auf weitere Eigenschaften zurückzuführen ist:


3 Weitere Eigenschaften

Die Erdalkalimetalle zeichnen sich durch eine sehr hohe Reaktivität aus. Sie besitzen die Valenzelektronenkonfiguration s2 und einen elektropositiven Charakter, somit kommt es zu einer leichten Abgabe der zwei Valenzelektronen. Die Ionisierungsenergie nimmt innerhalb der Gruppe mit zunehmender OZ wegen geringer werdender Ladungsdichte ab. Insgesamt sind es starke Reduktionsmittel mit der stabilen Oxidationsstufe +2. Eine weitere charakterisierende Eigenschaft stellt die unterschiedliche Farbe bei der Flammenfärbung dar.

Experiment Flammenfärbung der Elemente Calcium, Barium und Strontium
Material
  • Brenner
  • Urglas
  • Spatel
  • Spritzflasche
Chemikalien
  • CaCl2, SrCl2
  • BaCl2
  • Wasser
  • Magnesiastäbchen
Durchführung

Eine Spatelspitze des jeweiligen Chloridsalzes wird auf dem Urglas in Wasser gelöst. Nachdem ein Magnesiastäbchen bis zur Glut erhitzt worden ist, wird das Urglas so nahe wie möglich an die Luftzufuhr gehalten. Das glühende Magnesiastäbchen wird nun in die Lösung getaucht.

Beobachtung

Das Wasser verdampft und wird eingezogen. Es ist eine deutliche Färbung der Bunsenbrennerflamme zu erkennen.

Interpretation

Beim Verdampfen des Wassers werden ebenfalls Metallkationen mitgerissen. Diese werden in der Flamme reduziert, was eine Anhebung der nun vorhandenen Valenzelektronen ermöglicht. Beim Zurückkehren dieser Elektronen in den Grundzustand wird die dabei freiwerdende Energie in Form von Licht elementspezifischer Wellenlängen abgegeben (Abb. 3), was die Färbung der Flamme bedeutet.


Abb. 3: Schema zur Flammenfärbung


Zusammenfassung: Erdalkalimetalle können in der Industrie als reine Metalle nicht verwendet werden, da sie zu reaktiv sind. Des Weiteren haben sie geringe Dichten und sind in der Erdkruste zum Teil reichlich vorhanden. Durch die leichte Abgabe ihrer Valenzelektronen sind sie starke Reduktionsmittel und besitzen die stabile Oxidationsstufe +2.


Literatur:

  1. Binnewies, M.: Allgemeine und Anorganische Chemie, Spektrum, Heidelberg, 2010
  2. Mortimer, M.: Das Basiswissen der Chemie, Thieme, Stuttgart, 2003
  3. Riedel, E., Janjak, C.: Anorganische Chemie, DeGruyter, Berlin, 2007
  4. http://www.magnesium.karosserie-netzwerk.info/magnesium_feuer.htm, 30.09.2013
  5. http://www.zahnwissen.de/frameset_lexi.htm?lexikon_hn-hz.htm, 30.09.2013
  6. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Audi_r8-2007washauto.jpg, (Autor: AudeVivere)30.09.2013
  7. NiU-C 2007, Heft 98, Themenheft

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 22.02.16