Erdalkalimetalle: Vorkommen, Beryllium und Magnesium
Warum Erdalkalimetalle nur gebunden vorkommen und wie man sie gewinnt, warum Beryllium dem Aluminium ähnelt und wie Magnesium mit Luft, Wasser, Salpetersäure und Alkylhalogeniden reagiert.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Erdalkalimetalle (Gruppe 2) sind unedle Metalle. Diese Einheit behandelt ihr Vorkommen, ihre Gewinnung, die Sonderstellung des Berylliums und die Reaktivität des Magnesiums.
- Erdalkalimetalle kommen nur gebunden vor und werden durch Schmelzflusselektrolyse ihrer Halogenide gewonnen, Magnesium etwa aus \(\ce{MgCl2}\) aus Meerwasser.
- Radioaktive Strontiumisotope wie Strontium-90 entstehen bei Kernreaktionen und werden wie Calcium in die Knochen eingebaut.
- Beryllium ähnelt durch die Schrägbeziehung dem Aluminium mehr als dem Magnesium. Zwischen Mg und K besteht keine Schrägbeziehung.
- Berylliumverbindungen sind überwiegend kovalent und Elektronenmangelverbindungen, etwa lineares \(\ce{BeCl2}\) im Gas und eine Kette mit Chlorbrücken im Feststoff.
- Magnesium trägt eine dünne MgO-Schicht, wird von kaltem Wasser durch Passivierung nur langsam angegriffen, löst sich in konz. \(\ce{HNO3}\) zu \(\ce{Mg^2+}\) und bildet mit Alkylhalogeniden Grignard-Reagenzien.
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Worum es geht
Stellung, Elektronenkonfiguration und Gruppentrends der Erdalkalimetalle findest du bei den periodischen Trends der Gruppe. Hier geht es um Vorkommen und Gewinnung, um die Sonderrolle des Berylliums und um die Reaktivität des Magnesiums. Magnesium begegnet dir in der Pharmazie in Antacida und Elektrolytpräparaten, und es liefert die Grignard-Reagenzien der Arzneistoffsynthese.
Vorkommen und Gewinnung
Die Erdalkalimetalle sind starke Reduktionsmittel. Sie geben ihre zwei Valenzelektronen leicht ab und liegen in der Natur deshalb nur gebunden als \(\ce{M^2+}\)-Ionen vor. Gediegenes Calcium oder Magnesium gibt es nicht. Calcium steckt etwa in Kalkstein (\(\ce{CaCO3}\)) und Gips (\(\ce{CaSO4*2H2O}\)), Magnesium in Dolomit (\(\ce{CaMg(CO3)2}\)) und gelöst im Meerwasser.
Gewonnen werden die Metalle durch Schmelzflusselektrolyse ihrer Halogenide, meist der Chloride. Das Verfahren kennst du vom Aluminium. Aus wässriger Lösung ginge es nicht, denn an der Kathode entstünde Wasserstoff statt des unedlen Metalls. In der wasserfreien Schmelze wird \(\ce{Mg^2+}\) zum Metall reduziert und Chlorid zu Chlor oxidiert:
\[\ce{MgCl2(l) ->[Elektrolyse] Mg(l) + Cl2(g)}\]
Für Magnesium ist Meerwasser die wichtigste Quelle. Kalkmilch fällt zuerst das schwer lösliche Hydroxid. Salzsäure macht daraus das Chlorid, das in die Elektrolyse geht. Das dort entstehende Chlor wird zu Salzsäure verarbeitet und zurückgeführt.
\[\ce{Mg^2+ + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2 v + Ca^2+}\]
\[\ce{Mg(OH)2 + 2 HCl -> MgCl2 + 2 H2O}\]
Radioaktives Strontium
Neben stabilen Isotopen gibt es radioaktive Strontiumisotope. Sie entstehen bei Kernreaktionen, vor allem bei der Spaltung von Uran im Reaktor. Das bekannteste ist Strontium-90, ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von rund 29 Jahren. Chemisch verhält es sich wie Calcium. Der Körper baut es deshalb in die Knochen ein, was es zu einem gefürchteten Bestandteil des radioaktiven Fallouts macht.
Beryllium und Schrägbeziehung
Beryllium fällt aus der Reihe. In vielen Eigenschaften ähnelt es eher dem Aluminium als seinem Gruppennachbarn Magnesium. Diese Verwandtschaft diagonal im Periodensystem heißt Schrägbeziehung.
Der Grund ist die Ladungsdichte der Ionen, also die Ladung im Verhältnis zum Radius. Nach rechts steigt die Ladung, nach unten wächst der Radius. Geht man einen Schritt nach rechts und einen nach unten, heben sich beide Effekte annähernd auf. So haben \(\ce{Be^2+}\) und \(\ce{Al^3+}\) eine ähnlich hohe Ladungsdichte. Dasselbe gilt für die Paare Li/Mg und B/Si.
Die Schrägbeziehung gilt nur von links oben nach rechts unten. Zwischen Magnesium und Kalium besteht deshalb keine Schrägbeziehung. Kalium steht links unterhalb von Magnesium. In diese Richtung sinkt die Ladungsdichte doppelt, durch kleinere Ladung und größeren Radius.
Kovalente Bindung und Elektronenmangel
Das \(\ce{Be^2+}\)-Ion ist extrem klein. Es verzerrt die Elektronenhülle benachbarter Anionen so stark, dass sich Elektronendichte zwischen die Atome schiebt. Berylliumverbindungen sind daher überwiegend kovalent und nicht nahezu ideal ionisch gebunden.
Berylliumchlorid zeigt die Folgen. Im Gas liegt es als lineares Molekül \(\ce{Cl-Be-Cl}\) vor. Beryllium hat darin nur vier Valenzelektronen statt eines Oktetts. Solche Stoffe heißen Elektronenmangelverbindungen. Sie wirken als Lewis-Säuren und suchen weitere Elektronenpaare. Im Feststoff findet \(\ce{BeCl2}\) sie beim Nachbarn: Chlorbrücken verknüpfen die Einheiten zu Ketten, und jedes Be ist tetraedrisch von vier Cl umgeben.
Aluminiumchlorid gleicht seinen Elektronenmangel ebenso über Chlorbrücken aus, in Gas und Schmelze als Dimer \(\ce{Al2Cl6}\). Auch im Säure-Base-Verhalten passen Be und Al zusammen. Beide Hydroxide sind amphoter und lösen sich in Natronlauge:
\[\ce{Be(OH)2 + 2 OH- -> [Be(OH)4]^2-}\]
| Merkmal | Beryllium | Magnesium | Aluminium |
|---|---|---|---|
| Ladungsdichte des Ions | sehr hoch | deutlich kleiner | sehr hoch |
| Bindung in Halogeniden | überwiegend kovalent | überwiegend ionisch | überwiegend kovalent |
| Chlorid | polymere Kette, Lewis-Säure | Ionengitter | Dimer \(\ce{Al2Cl6}\), Lewis-Säure |
| Hydroxid | amphoter | basisch | amphoter |
Magnesium
Magnesium ist ein unedles Leichtmetall und trotzdem an Luft beständig. Es überzieht sich mit einer dünnen Schicht aus Magnesiumoxid \(\ce{MgO}\). In feuchter Luft kommen Hydroxid und Carbonat hinzu. Die Schicht besteht also nicht ausschließlich aus \(\ce{Mg(OH)2}\).
Kaltes Wasser greift Magnesium nur sehr langsam an. Das Metall wird passiviert: Das schwer lösliche Hydroxid bleibt auf der Oberfläche liegen und schirmt das Metall wie eine Haut ab. In heißem Wasser verläuft die Reaktion deutlich schneller.
\[\ce{Mg + 2 H2O -> Mg(OH)2 + H2 ^}\]
Nach unten in der Gruppe werden die Hydroxide besser löslich. Damit entfällt die Schutzwirkung.
Hydroxid schwer löslich und haftet als Schutzschicht. Mit kaltem Wasser kaum sichtbare Reaktion.
Hydroxid gut löslich, keine Passivierung. Reagiert schon mit kaltem Wasser lebhaft zu \(\ce{Ba(OH)2}\) und \(\ce{H2}\).
Gegen konzentrierte Salpetersäure schützt die Oxidschicht nicht. Magnesium löst sich unter Bildung von \(\ce{Mg^2+}\). Die Säure wird dabei zu Stickstoffdioxid reduziert:
\[\ce{Mg + 4 HNO3 -> Mg(NO3)2 + 2 NO2 ^ + 2 H2O}\]
Beryllium und Aluminium werden von konzentrierter Salpetersäure passiviert und lösen sich darin nicht. Hier verhalten sich die Gruppennachbarn Be und Mg also gegensätzlich.
Elementares Magnesium reagiert außerdem mit Alkylhalogeniden. In trockenem Ether schiebt es sich in die Kohlenstoff-Halogen-Bindung und bildet Grignard-Reagenzien:
\[\ce{R-X + Mg ->[Ether] R-MgX}\]
Der zuvor positivierte Kohlenstoff wird dadurch nucleophil. Herstellung und Reaktionen behandelt die Einheit zu Grignard-Verbindungen.
Quiz
Aussage 1
Kaltes Wasser greift Magnesium nur sehr langsam an, weil schwer lösliches Hydroxid die Oberfläche abschirmt.
Magnesium wird passiviert. Bei Barium fehlt dieser Schutz, weil \(\ce{Ba(OH)2}\) gut löslich ist.
Aussage 2
Magnesium und Kalium stehen zueinander in einer Schrägbeziehung.
Kalium steht links unterhalb von Magnesium, dort sinkt die Ladungsdichte doppelt. Schrägbeziehungen bestehen von links oben nach rechts unten, etwa Li/Mg oder Be/Al.
Aussage 3
Konzentrierte Salpetersäure passiviert Magnesium, sodass es sich darin nicht löst.
Magnesium löst sich in konz. \(\ce{HNO3}\) unter Bildung von \(\ce{Mg^2+}\) und \(\ce{NO2}\). Passiviert werden Beryllium und Aluminium.
Aussage 4
Magnesium findet man in der Natur auch als gediegenes Metall.
Als starkes Reduktionsmittel kommt Magnesium nur gebunden vor, etwa in Dolomit oder als \(\ce{Mg^2+}\) im Meerwasser.
Aussage 5
Beryllium gleicht in seinen Eigenschaften eher dem Aluminium als dem Magnesium.
Das ist die Schrägbeziehung: \(\ce{Be^2+}\) und \(\ce{Al^3+}\) haben eine ähnlich hohe Ladungsdichte.
Aussage 6
Radioaktives Strontium-90 entsteht unter anderem bei der Kernspaltung von Uran.
Radioaktive Strontiumisotope bilden sich bei Kernreaktionen, Sr-90 ist ein typisches Spaltprodukt.
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