Erdalkalihydroxide, Peroxide und Carbide
Wie Basenstärke und Löslichkeit der Erdalkalihydroxide von Beryllium zu Barium zunehmen, warum nur Berylliumhydroxid amphoter ist und was Peroxide, Carbide und Nitride der Gruppe ausmacht.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Erdalkalihydroxide \(\ce{M(OH)2}\) zeigen von Be zu Ba klare Trends, die dem wachsenden Kationenradius folgen.
- Die Basenstärke nimmt von \(\ce{Be(OH)2}\) zu \(\ce{Ba(OH)2}\) zu, \(\ce{Mg(OH)2}\) ist eine schwache Base.
- Nur \(\ce{Be(OH)2}\) ist amphoter und löst sich in Säure zu \(\ce{[Be(H2O)4]^2+}\) und in Lauge zu \(\ce{[Be(OH)4]^2-}\).
- Die Wasserlöslichkeit steigt in der Reihe \(\ce{Mg(OH)2} < \ce{Ca(OH)2} < \ce{Sr(OH)2} < \ce{Ba(OH)2}\), \(\ce{Mg(OH)2}\) ist auch schwerer löslich als \(\ce{LiOH}\).
- \(\ce{BaO2}\) entsteht aus BaO und \(\ce{O2}\) unter Druck und Wärme und enthält wie \(\ce{MgO2}\) das Peroxid-Ion \(\ce{O2^2-}\).
- \(\ce{CaC2}\) hydrolysiert zu Acetylen, \(\ce{Be2C}\) zu Methan, \(\ce{Mg3N2}\) zu Ammoniak.
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Worum es geht
Die Hydroxide der Erdalkalimetalle zeigen innerhalb einer Gruppe besonders klare Trends bei Basenstärke und Löslichkeit. Wer sie versteht, kann Beryllium als Sonderfall einordnen und weiß, warum Magnesiumhydroxid als mildes Antazidum taugt. Dazu kommen die sauerstoff-, kohlenstoff- und stickstoffreichen Verbindungen der Gruppe und ihr Verhalten gegenüber Wasser.
Basizität und Amphoterie
Die Basenstärke der Erdalkalihydroxide steigt in der Gruppe von oben nach unten, also von \(\ce{Be(OH)2}\) zu \(\ce{Ba(OH)2}\). Der Grund liegt im Kation. Mit steigender Ordnungszahl wächst der Ionenradius, die Ladungsdichte sinkt. Das große \(\ce{Ba^2+}\) hält das Hydroxid-Ion nur schwach fest und gibt es in Wasser bereitwillig ab. Die Bindung ist stark ionisch.
Beim kleinen \(\ce{Be^2+}\) ist es umgekehrt. Seine hohe Ladungsdichte polarisiert den Sauerstoff stark, die Be–O-Bindung wird weitgehend kovalent. Deshalb ist frisch gefälltes Berylliumhydroxid amphoter: Es löst sich in Säuren und in Laugen. Mit Säure entsteht der Aquakomplex, mit Lauge das Tetrahydroxoberyllat.
\[\ce{Be(OH)2 + 2 H3O+ -> [Be(H2O)4]^2+}\]
\[\ce{Be(OH)2 + 2 OH- -> [Be(OH)4]^2-}\]
Das Verhalten erinnert an Aluminiumhydroxid. Diese Ähnlichkeit zwischen Be und Al ist ein Beispiel für die Schrägbeziehung.
Alle übrigen Hydroxide der Gruppe reagieren nur basisch. \(\ce{Mg(OH)2}\), \(\ce{Ca(OH)2}\), \(\ce{Sr(OH)2}\) und \(\ce{Ba(OH)2}\) lösen sich in Säuren, in Laugen dagegen nicht. Magnesiumhydroxid ist dabei die schwächste dieser Basen. Seine wässrige Aufschlämmung reagiert schwach alkalisch und keinesfalls sauer.
\[\ce{Mg(OH)2 + 2 H3O+ -> Mg^2+ + 4 H2O}\]
Auch die Erdalkalioxide sind basische Oxide und lösen sich in Säuren zu den Salzen. Ein Beispiel ist Magnesiumoxid:
\[\ce{MgO + 2 H3O+ -> Mg^2+ + 3 H2O}\]
Wird im Examen gerne gefragt: Nur \(\ce{Be(OH)2}\) ist amphoter, die Hydroxide von Mg bis Ba lösen sich nur in Säuren. Achte zugleich auf die Reihenfolge der Basenstärke, die von Be zu Ba zunimmt, sodass \(\ce{Mg(OH)2}\) schwächer basisch ist als \(\ce{Ba(OH)2}\).
Magnesiumhydroxid steckt in vielen Antazida. Als schwache, schwer lösliche Base neutralisiert es Magensäure, ohne den Magen-pH stark über den Neutralpunkt zu treiben.
Löslichkeit der Hydroxide
Auch die Wasserlöslichkeit der Hydroxide nimmt mit steigender Kernladungszahl zu. Die Reihe lautet: \(\ce{Be(OH)2}\) und \(\ce{Mg(OH)2}\) sind schwer löslich, dann folgen \(\ce{Ca(OH)2}\) und \(\ce{Sr(OH)2}\), am besten löst sich \(\ce{Ba(OH)2}\).
Warum? Beim Lösen muss die Gitterenergie aufgebracht werden, die Hydratation der Ionen liefert Energie zurück. Das Hydroxid-Ion ist klein. Mit einem großen Kation passt es schlecht zusammen, das Gitter ist locker und lässt sich leicht aufbrechen. Ein kleines Kation wie \(\ce{Mg^2+}\) bildet mit \(\ce{OH-}\) dagegen ein festes Gitter.
| Hydroxid | Löslichkeit in Wasser | Säure-Base-Verhalten |
|---|---|---|
| \(\ce{Be(OH)2}\) | praktisch unlöslich | amphoter |
| \(\ce{Mg(OH)2}\) | schwer löslich | schwache Base |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | mäßig löslich (Kalkwasser) | mittelstarke Base |
| \(\ce{Sr(OH)2}\) | besser löslich | starke Base |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | gut löslich (Barytwasser) | starke Base |
Basizität und Löslichkeit laufen also parallel und folgen beide dem Kationenradius. Ein Vergleich über die Gruppengrenze lohnt sich. \(\ce{LiOH}\) ist als Alkalihydroxid gut wasserlöslich. Damit ist \(\ce{Mg(OH)2}\) trotz der Schrägbeziehung zum Lithium deutlich schwerer löslich. Unter den Hydroxiden von Mg, Ca, Sr, Ba und Li löst es sich am schlechtesten.
Bei den Erdalkalisulfaten sinkt die Löslichkeit von Mg zu Ba, sodass \(\ce{BaSO4}\) am schwersten löslich ist. Bei den Hydroxiden ist dagegen \(\ce{Ba(OH)2}\) am besten löslich.
Peroxide, Carbide, Nitride
Bariumoxid nimmt unter Druck und bei erhöhter Temperatur um 500 °C weiteren Sauerstoff auf. Es bildet Bariumperoxid:
\[\ce{2 BaO + O2 -> 2 BaO2}\]
\(\ce{BaO2}\) ist ein echtes Peroxid. Es enthält das Peroxid-Ion \(\ce{O2^2-}\), also eine Peroxogruppe mit O–O-Einfachbindung. Sauerstoff hat darin die Oxidationszahl −1. Dasselbe Anion steckt in Magnesiumperoxid \(\ce{MgO2}\). Mit Säuren setzen solche Peroxide Wasserstoffperoxid frei:
\[\ce{BaO2 + H2SO4 -> BaSO4 v + H2O2}\]
Bei den Carbiden entscheidet das Anion, welches Gas bei der Hydrolyse entsteht. Calciumcarbid enthält das Acetylid-Ion \(\ce{C2^2-}\) mit Dreifachbindung. Wasser protoniert es zu Acetylen (Ethin):
\[\ce{CaC2 + 2 H2O -> Ca(OH)2 + C2H2}\]
Berylliumcarbid \(\ce{Be2C}\) enthält dagegen isolierte Kohlenstoffatome als Methanid \(\ce{C^4-}\). Es liefert deshalb Methan statt Acetylen:
\[\ce{Be2C + 4 H2O -> 2 Be(OH)2 + CH4}\]
Auch Nitride hydrolysieren. Das Nitrid-Ion \(\ce{N^3-}\) nimmt drei Protonen auf und wird zu Ammoniak. Die Hydrolyse von Magnesiumnitrid liefert also Ammoniak und keinen Wasserstoff:
\[\ce{Mg3N2 + 6 H2O -> 3 Mg(OH)2 + 2 NH3}\]
Quiz
Aussage 1
Magnesiumhydroxid ist eine stärkere Base als Bariumhydroxid.
Die Basenstärke steigt von Be zu Ba. \(\ce{Mg(OH)2}\) ist daher die schwächere Base.
Aussage 2
Unter \(\ce{Mg(OH)2}\), \(\ce{Ca(OH)2}\), \(\ce{Ba(OH)2}\) und \(\ce{LiOH}\) ist \(\ce{LiOH}\) am schwersten in Wasser löslich.
\(\ce{LiOH}\) ist gut löslich. Am schwersten löslich ist \(\ce{Mg(OH)2}\).
Aussage 3
Strontiumhydroxid löst sich wie Berylliumhydroxid sowohl in Säuren als auch in Laugen.
\(\ce{Sr(OH)2}\) ist rein basisch und löst sich nur in Säuren. Amphoter ist in der Gruppe nur \(\ce{Be(OH)2}\).
Aussage 4
Bariumperoxid enthält das Anion \(\ce{O2^2-}\) mit einer O–O-Einfachbindung.
\(\ce{BaO2}\) ist ein echtes Peroxid mit Peroxogruppe, Sauerstoff hat die Oxidationszahl −1.
Aussage 5
Berylliumhydroxid löst sich in Natronlauge unter Bildung von \(\ce{[Be(OH)4]^2-}\).
Frisch gefälltes \(\ce{Be(OH)2}\) ist amphoter und bildet mit Hydroxid-Ionen das Tetrahydroxoberyllat.
Aussage 6
Calciumcarbid reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid und Ethin.
Das Acetylid-Ion \(\ce{C2^2-}\) wird zu \(\ce{C2H2}\) protoniert: \(\ce{CaC2 + 2 H2O -> Ca(OH)2 + C2H2}\).
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