Erdalkalimetalle

Erdalkalimetalle ⓘ
Name nach Element	Beryllium-Gruppe
Trivialer Name	Erdalkalimetalle
CAS-Gruppennummer; (US, Muster A-B-A)	IIA
alte IUPAC-Nummer; (Europa, Muster A-B)	IIA
↓ Zeitraum
2	Beryllium (Be); 4
3	Magnesium (Mg); 12
4	Kalzium (Ca); 20
5	Strontium (Sr); 38
6	Barium (Ba); 56
7	Radium (Ra); 88
	Urelement
	Element durch radioaktiven Zerfall
	Farbe der Ordnungszahl:; schwarz=fest
	v; t; e;

Die Erdalkalimetalle sind sechs chemische Elemente der Gruppe 2 des Periodensystems. Es handelt sich um Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra). Die Elemente haben sehr ähnliche Eigenschaften: Sie sind alle glänzende, silbrig-weiße, bei Standardtemperatur und -druck etwas reaktive Metalle. ⓘ

Strukturell haben sie (zusammen mit Helium) ein äußeres s-Orbital gemeinsam, das voll ist; Das heißt, dieses Orbital enthält die volle Anzahl von zwei Elektronen, die die Erdalkalimetalle leicht verlieren, um Kationen mit der Ladung +2 und einer Oxidationsstufe von +2 zu bilden. ⓘ

Alle entdeckten Erdalkalimetalle kommen in der Natur vor, obwohl Radium nur durch die Zerfallskette von Uran und Thorium und nicht als Urelement vorkommt. Es gab Versuche, das Element 120, das nächste potenzielle Mitglied der Gruppe, zu synthetisieren, die jedoch alle fehlgeschlagen sind. ⓘ

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Lage im Periodensystem ⓘ

Eigenschaften

Erdalkalimetalle

Die typischen Erdalkalimetalle sind Calcium, Strontium und Barium. Beryllium ähnelt den anderen Erdalkalimetallen nur sehr wenig, sodass man Beryllium auch der Zinkgruppe zuordnet. ⓘ Die Erdalkalimetalle sind Leichtmetalle, die metallisch glänzen. Der Glanz verschwindet an der Luft rasch, weil das Metall oxidiert wird. Beryllium und Magnesium sind an trockener Luft recht stabil. Magnesium reagiert ähnlich wie Lithium mit dem Stickstoff der Luft. Daher spricht man auch von der Schrägbeziehung zum Element Lithium. Erdalkalimetalle leiten den elektrischen Strom und besitzen jeweils 2 Außenelektronen. In Verbindungen kommen sie fast nur als zweiwertige Kationen vor.

Calcium
Strontium
Barium

Die typischen Erdalkalimetalle und ihre Salze besitzen eine spezifische Flammenfärbung:

Calcium und seine Salze färben die Flamme orange-rot (622 und 553 nm).
Strontium und seine Salze färben die Flamme rot (675 und 606 nm).
Barium und seine Salze färben die Flamme grün (524 und 514 nm). ⓘ

Aufgrund dieser Flammenfärbung werden Erdalkalimetallverbindungen für Feuerwerke benutzt. ⓘ

Physikalische Eigenschaften

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse, Atomradius und Ionenradius. ⓘ

Die geringste Dichte hat Calcium mit 1550 kg/m³. Sie steigt nach oben und insbesondere nach unten hin an, wobei Radium mit 5500 kg/m³ den Höchstwert erreicht. ⓘ

Die Mohshärte liegt bei Beryllium mit 5,5 im mittleren Bereich. Die weiteren Elemente der 2. Hauptgruppe weisen geringe Härten auf, die mit steigender Ordnungszahl abnehmen. ⓘ

Die ersten drei Erdalkalimetalle, insbesondere Beryllium und Calcium, sind sehr gute elektrische Leiter. Obwohl auch die weiteren Elemente dieser Hauptgruppe keinesfalls schlechte Leiter sind, ist der Unterschied beträchtlich. ⓘ

Die 1. Ionisierungsenergie fällt mit wachsender Ordnungszahl von 9,322 eV bei Beryllium auf 5,212 eV bei Barium. Radium hat mit 5,279 eV wieder einen leicht erhöhten Wert. ⓘ

Die Elektronegativität fällt von 1,57 bei Beryllium auf 0,9 bei Radium ab. ⓘ

Element	Beryllium	Magnesium	Calcium	Strontium	Barium	Radium ⓘ
Schmelzpunkt (1013 hPa)	1560 K (1287 °C)	923 K (650 °C)	1115 K (842 °C)	1050 K (777 °C)	1000 K (727 °C)	973 K (700 °C)
Siedepunkt (1013 hPa)	3243 K (2969 °C)	1383 K (1110 °C)	1760 K (1487 °C)	1653 K (1380 °C)	1910 K (1637 °C)	2010 K (1737 °C)
Dichte (20 °C, 1013 hPa)	1,848 g/cm³	1,738 g/cm³	1,55 g/cm³	2,63 g/cm³	3,62 g/cm³	5,5 g/cm³
Mohshärte	5,5	2,5	1,75	1,5	1,25
Elektrische Leitfähigkeit	25 · 10⁶ S/m	22,7 · 10⁶ S/m	29,4 · 10⁶ S/m	7,41 · 10⁶ S/m	2,94 · 10⁶ S/m	1 · 10⁶ S/m
Atommasse	9,012 u	24,305 u	40,078 u	87,62 u	137,327 u	226,025 u
Elektronegativität	1,57	1,31	1,00	0,95	0,89	0,9
Struktur
Kristallsystem	hexagonal	hexagonal	kubisch flächenzentriert	kubisch flächenzentriert	kubisch raumzentriert	kubisch raumzentriert

Die folgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der wichtigsten physikalischen und atomaren Eigenschaften der Erdalkalimetalle. ⓘ

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration lautet [X] ys². Das X steht hierbei für die Elektronenkonfiguration des eine Periode höher stehenden Edelgases, und für das y muss die Periode eingesetzt werden, in der sich das Element befindet. ⓘ

Für die einzelnen Elemente lauten die Elektronenkonfigurationen:

Beryllium: [ He ] 2s²
Magnesium: [ Ne ] 3s²
Calcium: [ Ar ] 4s²
Strontium: [ Kr ] 5s²
Barium: [ Xe ] 6s²
Radium: [ Rn ] 7s² ⓘ

Der Oxidationszustand ist +2, da die beiden Elektronen in der Außenschale leicht abgegeben werden können. Me²⁺-Ionen besitzen Edelgaskonfiguration. ⓘ

Nukleare Stabilität

Von den sechs Erdalkalimetallen haben Beryllium, Kalzium, Barium und Radium mindestens ein natürlich vorkommendes Radioisotop; Magnesium und Strontium haben keins. Beryllium-7, Beryllium-10 und Calcium-41 sind Spurenradioisotope; Calcium-48 und Barium-130 zerfallen nur durch doppelten Betazerfall und haben sehr lange Halbwertszeiten (länger als das Alter des Universums) - sie sind also primordiale Radionuklide; und alle Isotope des Radiums sind radioaktiv. Kalzium-48 ist das leichteste Nuklid, das einem doppelten Betazerfall unterliegt. Kalzium und Barium sind schwach radioaktiv: Kalzium enthält etwa 0,1874 % Kalzium-48 und Barium etwa 0,1062 % Barium-130. Das langlebigste Radium-Isotop ist Radium-226 mit einer Halbwertszeit von 1600 Jahren; es und Radium-223, -224 und -228 kommen natürlich in den Zerfallsketten von primordialem Thorium und Uran vor. Beryllium-8 fällt durch seine Abwesenheit auf, da es nahezu sofort in zwei Alphateilchen zerfällt, wenn es gebildet wird. Der Dreifach-Alpha-Prozess in Sternen kann nur bei so hohen Energien stattfinden, dass Beryllium-8 auf ein drittes Alphateilchen trifft, bevor es zerfällt. Dies ist der Grund, warum die meisten Hauptreihensterne Milliarden von Jahren mit dem Wasserstoffbrennen verbringen, aber nie oder nur kurz während ihrer Roten-Riesen-Phase mit dem Heliumbrennen beginnen. Strontium-90 ist ein häufiges Spaltprodukt der Uranspaltung und wurde in nennenswerten Mengen durch vom Menschen ausgelöste Kernreaktionen sowie in einer winzigen säkularen Gleichgewichtskonzentration im Uran durch spontane Spaltung erzeugt. Radioisotope von Erdalkalimetallen sind in der Regel "Knochensucher", da sie sich chemisch ähnlich wie Kalzium verhalten und dem Knochenmark (einem sich schnell teilenden Gewebe) erheblichen Schaden zufügen können, wenn sie sich dort anreichern. Diese Eigenschaft macht man sich auch bei der Strahlentherapie bestimmter Knochenkrebsarten zunutze, da die chemischen Eigenschaften es dem Radionuklid ermöglichen, das Krebsgeschwür im Knochen anzugreifen, während der Rest des Körpers unversehrt bleibt. ⓘ

Im Vergleich zu ihren Nachbarn im Periodensystem neigen Erdalkalimetalle dazu, stabilere Isotope zu haben, da sie eine gerade Anzahl von Protonen besitzen und für jeden gegebenen geraden Isobarren die geraden Nuklide gewöhnlich stabiler sind als die ungeraden Kerne. ⓘ

Chemisch

Edelgaskonfiguration erreichen die Erdalkalimetalle, indem sie ihre beiden Außenelektronen abgeben. Im Vergleich zu den Alkalimetallen sind sie jedoch weniger reaktiv, weil es eine höhere Ionisierungsenergie erfordert, zwei Außenelektronen abzuspalten als eins wie bei den Alkalimetallen. Dies lässt sich damit begründen, dass die Erdalkalimetalle eine höhere Kernladung und somit entsprechend kleinere Atomradien aufweisen als die Alkalimetalle. ⓘ

Innerhalb der Gruppe der Erdalkalimetalle nimmt die Reaktivität von oben nach unten zu, weil zwischen den Außenelektronen und dem Atomkern immer mehr volle Elektronenschalen liegen und so der Abstand der Außenelektronen zum Kern immer größer wird. Daraus ergibt sich, dass diese vom Atomkern weniger stark angezogen werden und somit leichter abgespalten werden können. ⓘ

Die Erdalkalimetalle geben leicht ihre beiden Außenelektronen ab, wobei zweifach positiv geladene Ionen entstehen, und sind daher unedle Metalle, die an der Luft oxidiert werden. Beryllium und Magnesium bilden aber stabile Oxidschichten aus und werden dadurch passiviert, d. h. nur ihre Oberfläche wird oxidiert. Diese Passivierung bewirkt auch, dass Wasser Beryllium und Magnesium nur langsam angreift. Calcium, Strontium und Barium hingegen reagieren mit Wasser zu den Hydroxiden, wobei Wasserstoff entsteht. Wie die Alkalimetalle, so sind also auch die Erdalkalimetalle Basenbildner. Ansonsten reagieren die Erdalkalimetalle gut mit Nichtmetallen, z. B. mit Sauerstoff oder mit den Halogenen. ⓘ

In den folgenden Reaktionsgleichungen steht das Me für ein Erdalkalimetall. ⓘ

Reaktion mit Sauerstoff:

{\ce {2Me + O2 -> 2MeO}}

Barium bildet auch Bariumperoxid. ⓘ

Reaktion mit Wasserstoff:

{\ce {Me + H2 -> MeH2}}

Die gebildeten Hydride haben eine ionische Struktur. ⓘ

Reaktion mit Wasser:

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Reaktion mit Halogenen (am Beispiel Chlor):

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Die mit der Ordnungszahl steigende Reaktivität ist gut am Reaktionsverhalten zu beobachten:

Beständigkeit an Luft:
- Beryllium ist bei Raumtemperatur an trockener Luft beständig, da es von einer passivierenden Oxidschicht überzogen wird.
- Magnesium wird an Luft ebenfalls passiviert, dünne Bänder und Folien lassen sich jedoch leicht entzünden.
- Calcium, Strontium, Barium und Radium laufen an trockener Luft schnell an und sind in fein verteilter Form selbstentzündlich.
Reaktion mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen:
- Beryllium reagiert ohne Katalysator nicht mit Wasserstoff.
- Magnesium reagiert nur bei hohem Druck.
- Die weiteren Erdalkalimetalle reagieren bereits bei Atmosphärendruck mit Wasserstoff.
Reaktion mit Wasser:
- Beryllium wird wie Aluminium in Wasser passiviert.
- Magnesium wird ebenfalls passiviert, die Passivierungsschicht löst sich jedoch in heißem Wasser auf.
- Die übrigen Erdalkalimetalle reagieren bei Raumtemperatur heftig mit Wasser. ⓘ

Wie bei anderen Gruppen zeigen die Mitglieder dieser Familie Muster in ihrer elektronischen Konfiguration, insbesondere in den äußersten Schalen, was zu Trends im chemischen Verhalten führt:

Z	Element	Anzahl der Elektronen/Schale	Elektronenkonfiguration ⓘ
4	Beryllium	2, 2	[[[Helium\|He]]] 2s²
12	Magnesium	2, 8, 2	[[[Neon\|Ne]]] 3s²
20	Kalzium	2, 8, 8, 2	[[[Argon\|Ar]]] 4s²
38	Strontium	2, 8, 18, 8, 2	[[[Krypton\|Kr]]] 5s²
56	Barium	2, 8, 18, 18, 8, 2	[[[Xenon\|Xe]]] 6s²
88	Radium	2, 8, 18, 32, 18, 8, 2	[[[Radon\|Rn]]] 7s²

Die meisten chemischen Eigenschaften wurden nur für die ersten fünf Mitglieder der Gruppe beobachtet. Die Chemie des Radiums ist aufgrund seiner Radioaktivität nicht gut erforscht, so dass die Darstellung seiner Eigenschaften hier begrenzt ist. ⓘ

Beryllium ist eine Ausnahme: Es reagiert nicht mit Wasser oder Dampf, und seine Halogenide sind kovalent. Würde Beryllium Verbindungen mit einem Ionisationszustand von +2 bilden, würde es Elektronenwolken in seiner Nähe sehr stark polarisieren und zu umfangreichen Orbitalüberschneidungen führen, da Beryllium eine hohe Ladungsdichte aufweist. Alle Verbindungen, die Beryllium enthalten, haben eine kovalente Bindung. Selbst die Verbindung Berylliumfluorid, die die ionischste Berylliumverbindung ist, hat einen niedrigen Schmelzpunkt und eine geringe elektrische Leitfähigkeit beim Schmelzen. ⓘ

Alle Erdalkalimetalle haben zwei Elektronen in ihrer Valenzschale, so dass der energetisch bevorzugte Zustand, um eine gefüllte Elektronenschale zu erreichen, darin besteht, zwei Elektronen zu verlieren und doppelt geladene positive Ionen zu bilden. ⓘ

Verbindungen und Reaktionen

Die Erdalkalimetalle reagieren alle mit den Halogenen unter Bildung von ionischen Halogeniden, wie z. B. Calciumchlorid (CaCl
₂), und reagieren mit Sauerstoff zu Oxiden wie Strontiumoxid (SrO). Kalzium, Strontium und Barium reagieren mit Wasser unter Bildung von Wasserstoffgas und ihren jeweiligen Hydroxiden (Magnesium reagiert ebenfalls, aber viel langsamer) und gehen auch Transmetalisierungsreaktionen ein, um Liganden auszutauschen. ⓘ

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|+ Erdalkalimetalle und Fluoride - Löslichkeitskonstanten ! Metall
! M²⁺
HE
! F-
HE
! "MF₂"
Einheit
HE ! MF₂
Gitter
Energien
! Löslichkeit
|- | Be | 2,455 | 458 | 3,371 | 3,526 | löslich |- | Mg | 1,922 | 458 | 2,838 | 2,978 | 0.0012 |- | Ca | 1,577 | 458 | 2,493 | 2,651 | 0.0002 |- | Sr | 1,415 | 458 | 2,331 | 2,513 | 0.0008 |- | Ba | 1,361 | 458 | 2,277 | 2,373 | 0.006 |} ⓘ

Verbindungen

MgO in Pulverform ⓘ

Beryllium bildet als einziges Erdalkalimetall überwiegend kovalente Verbindungen. Die übrigen Elemente der 2. Hauptgruppe kommen fast nur als Me²⁺-Ionen vor. Die Tabelle stellt eine grobe Übersicht über die wichtigsten Verbindungen dar:

	Beryllium	Magnesium	Calcium	Strontium	Barium ⓘ
Oxide	BeO	MgO	CaO	SrO	BaO
Hydroxide	Be(OH)₂	Mg(OH)₂	Ca(OH)₂	Sr(OH)₂	Ba(OH)₂
Fluoride	BeF₂	MgF₂	CaF₂	SrF₂	BaF₂
Chloride	BeCl₂	MgCl₂	CaCl₂	SrCl₂	BaCl₂
Sulfate	BeSO₄	MgSO₄	CaSO₄	SrSO₄	BaSO₄
Carbonate	BeCO₃	MgCO₃	CaCO₃	SrCO₃	BaCO₃
Nitrate	Be(NO₃)₂	Mg(NO₃)₂	Ca(NO₃)₂	Sr(NO₃)₂	Ba(NO₃)₂
Sulfide	BeS	MgS	CaS	SrS	BaS

Sonstige: Calciumcarbid ⓘ

In Zintl-Phasen bilden die zugehörigen Anionen ein bemerkenswertes Gitter.
Grignard-Verbindungen sind Magnesiumverbindungen der Form R-MgX. R steht dabei für einen organischen Rest und X ist ein Halogen. Sie finden in der organischen Synthese Verwendung.
Calciumcarbid (CaC₂) bildet ein Ionengitter mit Ca²⁺- und (|C≡C|)²⁻-Ionen (NaCl-Struktur). Die Verbindung wird für drei bedeutende Verfahren benötigt:
- Ethinherstellung durch Hydrolyse:
  ${\ce {CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2}}$
- Entschwefelung von Rohstahl
- Azotierung zu Calciumcyanamid
Calciumoxalat (CaC₂O₄) ist Hauptbestandteil von Nierensteinen.
Calciumcyanamid (CaCN₂) ist ein Düngemittel, das auch in anderen Bereichen (z. B.: zur Unkraut- und Schädlingsbekämpfung) eingesetzt wird.
Strontiumtitanat (SrTiO₃) wird unter dem Namen Fabulit als Schmuckstein gehandelt.
Bariumperoxid (Ba²⁺(O-O)²⁻) spielte früher bei der Wasserstoffperoxid-Synthese eine wichtige Rolle:

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \ce{ BaO2 + H2SO4 -> BaSO4 + H2O2 [https://de.wikipedia.org/wiki/Erdalkalimetalle#Verbindungen ⓘ] }}

Oxide ⓘ

Die Erdalkalimetalloxide entstehen durch die thermische Zersetzung der entsprechenden Carbonate.

CaCO₃ → CaO + CO₂ (bei ca. 900°C)

Im Labor werden sie aus Hydroxiden gewonnen:

Mg(OH)₂ → MgO + H₂O

oder aus Nitraten:

Ca(NO₃)₂ → CaO + 2NO₂ + 1/2O₂

Die Oxide weisen einen basischen Charakter auf: Sie färben Phenolphthalein rot und Lackmus blau. Sie reagieren mit Wasser unter Bildung von Hydroxiden in einer exothermen Reaktion.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + Q

Calciumoxid reagiert mit Kohlenstoff und bildet Acetylid.

CaO + 3C → CaC₂ + CO (bei 2500°C)

CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C

CaCN₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂N-CN

H₂N-CN + H₂O → (H₂N)₂CO (Harnstoff)

CaCN₂ + 2H₂O → CaCO₃ + NH_{3 ⓘ}

Hydroxide ⓘ

Sie entstehen aus den entsprechenden Oxiden bei der Reaktion mit Wasser. Sie haben einen basischen Charakter: Sie färben Phenolphthalein rosa und Lackmus blau. Berylliumhydroxid bildet eine Ausnahme, da es amphoteren Charakter aufweist.

Be(OH)₂ + 2HCl → BeCl₂ + H₂O

Be(OH)₂ + NaOH → Na[Be(OH)₃] ⓘ

Salze ⓘ

Ca und Mg kommen in der Natur in vielen Verbindungen wie Dolomit, Aragonit, Magnesit (Karbonatgestein) vor. Calcium- und Magnesiumionen kommen in hartem Wasser vor. Hartes Wasser stellt ein vielfältiges Problem dar. Es ist von großem Interesse, diese Ionen zu entfernen und so das Wasser zu enthärten. Dieses Verfahren kann mit Reagenzien wie Calciumhydroxid, Natriumcarbonat oder Natriumphosphat durchgeführt werden. Eine gängigere Methode ist die Verwendung von Alumosilikaten oder Ionenaustauscherharzen, die Ca²⁺ und Mg²⁺ abfangen und stattdessen Na⁺ freisetzen:

Na₂O-Al₂O₃-6SiO₂ + Ca²⁺ → CaO-Al₂O₃-6SiO₂ + 2Na^{+ ⓘ}

Wasserhärte

Für die Härte des Wassers sind im Wesentlichen gelöste Calcium- und Magnesiumionen verantwortlich. So geht beispielsweise das wasserlösliche Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO₃)₂) in der Hitze in die schwerlösliche Verbindung Calciumcarbonat (CaCO₃) über, die auch als „Kesselstein“ bekannt ist:

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Durch das Entweichen des Kohlendioxids aus der Lösung wird die Rückreaktion verhindert, und der Kesselstein lagert sich in Kochtöpfen etc. ab. Man ordnet Calciumhydrogencarbonat daher in den Bereich der temporären Wasserhärte ein. ⓘ

Eine weitere Eigenschaft von Erdalkalimetallionen, jedoch insbesondere von Ca²⁺ und Mg²⁺, ist es, mit Seife unlösliche Verbindungen zu bilden. Da Seifen chemisch betrachtet Salze sind, bestehen sie aus Kat- und Anionen. Die Anionen sind stets höhere Fettsäuren, und als Kationen werden meist Alkalimetallionen eingesetzt. Die Erdalkalimetallionen ersetzten diese und bilden so unlösliche Verbindungen, die unter dem Begriff „Kalkseife“ zusammengefasst werden. ⓘ

Vorkommen

Reihe der Erdalkalimetalle. ⓘ

Beryllium kommt in der Erdkruste in einer Konzentration von zwei bis sechs Teilen pro Million (ppm) vor, wobei ein Großteil davon in Böden vorkommt, wo es eine Konzentration von sechs ppm aufweist. Beryllium ist eines der seltensten Elemente im Meerwasser, sogar seltener als Elemente wie Scandium mit einer Konzentration von 0,2 Teilen pro Billion. In Süßwasser ist Beryllium jedoch mit einer Konzentration von 0,1 Teilen pro Milliarde etwas häufiger. ⓘ

Magnesium und Kalzium sind in der Erdkruste sehr häufig, sie sind das fünft- bzw. acht-häufigste Element. Keines der Erdalkalimetalle kommt in seinem Elementarzustand vor. Häufige magnesiumhaltige Minerale sind Carnallit, Magnesit und Dolomit. Häufige kalziumhaltige Minerale sind Kreide, Kalkstein, Gips und Anhydrit. ⓘ

Strontium ist das fünfzehnt-häufigste Element in der Erdkruste. Die wichtigsten Minerale sind Coelestit und Strontianit. Barium ist etwas weniger häufig, vor allem im Mineral Baryt. ⓘ

Radium, ein Zerfallsprodukt des Urans, ist in allen uranhaltigen Erzen enthalten. Aufgrund seiner relativ kurzen Halbwertszeit ist das Radium aus der Frühgeschichte der Erde zerfallen, und die heutigen Proben stammen alle aus dem viel langsameren Zerfall von Uran. ⓘ

Am Aufbau der Erdkruste, einschließlich der Luft- und Wasserhülle sind die Erdalkalimetalle wie folgt beteiligt (Angaben in Gew.-%):

2,7 · 10⁻⁴ % Beryllium
2,0 · 10⁰ % Magnesium
3,4 · 10⁰ % Calcium
3,6 · 10⁻² % Strontium
4,0 · 10⁻² % Barium
1,0 · 10⁻¹⁰ % Radium ⓘ

Dolomit
Kalzit
Coelestin
Baryt ⓘ

Die Erdalkalimetalle treten niemals gediegen auf und sind meist als Silikat, Karbonat oder Sulfat gebunden. ⓘ

Beryllium

Der Smaragd ist eine Form des Berylls, dem Hauptmineral des Berylliums. ⓘ

Beryll, ein Mineral, das Beryllium enthält, ist seit der Zeit des ptolemäischen Königreichs in Ägypten bekannt. Ursprünglich dachte man, Beryll sei ein Aluminiumsilikat, doch wurde später festgestellt, dass Beryll ein bis dahin unbekanntes Element enthält, als Louis-Nicolas Vauquelin 1797 Aluminiumhydroxid aus Beryll in einer Lauge auflöste. Im Jahr 1828 isolierten Friedrich Wöhler und Antoine Bussy unabhängig voneinander dieses neue Element, Beryllium, mit der gleichen Methode, die eine Reaktion von Berylliumchlorid mit metallischem Kalium beinhaltete; diese Reaktion war nicht in der Lage, große Berylliumbarren herzustellen. Erst 1898 gelang es Paul Lebeau durch Elektrolyse einer Mischung aus Berylliumfluorid und Natriumfluorid, große reine Berylliumproben herzustellen. ⓘ

Nachweis

Der Nachweis der Erdalkalimetalle erfolgt primär spektralanalytisch aufgrund der charakteristischen Spektrallinien. Nasschemische Methoden wie beispielsweise die Ausfällung als Carbonate, Sulfate oder Hydroxide werden mittlerweile nur noch zu Demonstrationszwecken verwendet. ⓘ

Ion	Flammenfärbung	Reaktion mit OH⁻	…mit CO₃²⁻	…mit SO₄²⁻	…mit C₂O₄²⁻	…mit CrO₄^{2− ⓘ}
Beryllium	keine	Be(OH)₂ fällt aus	BeCO₃ ist löslich	BeSO₄ ist löslich	BeC₂O₄ fällt aus	BeCrO₄ ist löslich
Magnesium	keine	Mg(OH)₂ fällt aus	MgCO₃ fällt aus	MgSO₄ ist löslich	MgC₂O₄ ist löslich	MgCrO₄ ist löslich
Calcium	ziegelrot	Ca(OH)₂ fällt aus	CaCO₃ fällt aus	CaSO₄ fällt aus	CaC₂O₄ fällt aus	CaCrO₄ fällt aus
Strontium	intensiv rot	Sr(OH)₂ fällt aus	SrCO₃ fällt aus	SrSO₄ fällt aus	SrC₂O₄ ist löslich	SrCrO₄ fällt aus
Barium	gelb-grün	Ba(OH)₂ ist löslich	BaCO₃ fällt aus	BaSO₄ fällt aus	BaC₂O₄ ist löslich	BaCrO₄ fällt aus
Radium	karminrot	Ra(OH)₂ ist löslich	RaCO₃ fällt aus	RaSO₄ fällt aus	RaC₂O₄ fällt aus	RaCrO₄ fällt aus

Der Flammentest ⓘ

In der folgenden Tabelle sind die Farben aufgeführt, die beobachtet werden, wenn die Flamme eines Bunsenbrenners mit Salzen von Erdalkalimetallen in Berührung kommt. Be und Mg färben die Flamme aufgrund ihrer geringen Größe nicht. ⓘ

Metall	Farbe ⓘ
Ca	Ziegelrot
Sr	Karminrot
Ba	Grün/Gelb
Ra	Karminrot

In Lösung ⓘ

Mg^{2+ ⓘ}

Dinatriumphosphat ist ein sehr selektives Reagenz für Magnesiumionen und bildet in Gegenwart von Ammoniumsalzen und Ammoniak einen weißen Niederschlag aus Ammoniummagnesiumphosphat.

Mg²⁺ + NH₃ + Na₂HPO₄ → (NH₄)MgPO₄ + 2Na^{+ ⓘ}

Ca^{2+ ⓘ}

Ca²⁺ bildet mit Ammoniumoxalat einen weißen Niederschlag. Calciumoxalat ist unlöslich in Wasser, aber löslich in Mineralsäuren.

Ca²⁺ + (COO)₂(NH₄)₂ → (COO)₂Ca + NH₄^{+ ⓘ}

Sr^{2+ ⓘ}

Alle Erdalkalimetallionen bilden mit Ammoniumcarbonat in Gegenwart von Ammoniumchlorid und Ammoniak einen weißen Niederschlag. ⓘ

Sicherheitshinweise

An Luft sind nur Beryllium und Magnesium beständig. Die weiteren Elemente dieser Hauptgruppe müssen unter Paraffinöl oder Inertgas aufbewahrt werden. Die Aufbewahrung unter Alkohol ist nur bei Beryllium, Magnesium und Calcium möglich, da bereits Barium daraus Wasserstoff abspaltet und zum Alkoholat reagiert. ⓘ

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \ce{Ba + 2 R-OH -> Ba2+\ (R-O^-)_2 + H2 (^) [https://de.wikipedia.org/wiki/Erdalkalimetalle#Sicherheitshinweise ⓘ]}}

In feinverteilter Form ist Magnesium leichtentzündlich; Calcium-, Strontium- und Bariumpulver können sich an Luft selbst entzünden. Brennende Erdalkalimetalle dürfen keinesfalls mit Wasser gelöscht werden! ⓘ

Die Erdalkalimetalle sind starke Reduktionsmittel, die sogar in der Lage sind, Alkalimetalle aus ihren Verbindungen freizusetzen. Diese Reaktionen verlaufen stark exotherm; unter Umständen kann es dabei sogar zu einer Explosion kommen. ⓘ

Beryllium ist ein Lungengift, wobei der Wirkungsmechanismus noch weitgehend unbekannt ist. Auch seine Verbindungen sind krebserregend. ⓘ

Bariumverbindungen sind hochgiftig, wenn sie gut wasserlöslich sind. 1 Gramm kann dabei bereits tödlich wirken. ⓘ

Radium ist aufgrund seiner Radioaktivität äußerst gesundheitsschädlich, doch noch bis 1931 wurde mit Radium versetztes Wasser unter dem Handelsnamen Radithor zum Trinken verkauft. Die Zahl der Geschädigten oder Umgekommenen, die wie der Stahlmagnat Eben Byers Radithor zu sich genommen hatten, ist unbekannt. ⓘ

Geschichte

Etymologie

Die Erdalkalimetalle sind nach ihren Oxiden, den Erdalkalien, benannt, deren altmodische Namen Beryllia, Magnesia, Kalk, Strontia und Baryta lauteten. Diese Oxide sind in Verbindung mit Wasser basisch (alkalisch). "Erde" war ein Begriff, der von den frühen Chemikern auf nichtmetallische Stoffe angewandt wurde, die in Wasser unlöslich und hitzebeständig sind - Eigenschaften, die diese Oxide ebenfalls aufweisen. Die Erkenntnis, dass es sich bei diesen Erden nicht um Elemente, sondern um Verbindungen handelt, wird dem Chemiker Antoine Lavoisier zugeschrieben. In seinem Traité Élémentaire de Chimie (Elemente der Chemie) von 1789 bezeichnete er sie als salzbildende Erdelemente. Später schlug er vor, dass es sich bei den Erdalkalien um Metalloxide handeln könnte, räumte aber ein, dass dies nur eine Vermutung sei. Im Jahr 1808 gelang es Humphry Davy auf der Grundlage von Lavoisiers Idee als erstem, Proben der Metalle durch Elektrolyse ihrer geschmolzenen Erden zu gewinnen, was Lavoisiers Hypothese bestätigte und dazu führte, dass die Gruppe als Erdalkalimetalle bezeichnet wurde. ⓘ

Entdeckung

Magnesium

Magnesium wurde erstmals 1808 von Humphry Davy in England durch Elektrolyse einer Mischung aus Magnesia und Quecksilberoxid hergestellt. Antoine Bussy stellte es 1831 in kohärenter Form her. Der erste Namensvorschlag von Davy lautete Magnium, aber heute wird der Name Magnesium verwendet. ⓘ

Kalzium

Kalk wird seit 7000 bis 14.000 v. Chr. als Baumaterial verwendet, und Brennöfen für Kalk wurden auf 2.500 v. Chr. in Khafaja, Mesopotamien, datiert. Kalzium als Werkstoff ist mindestens seit dem ersten Jahrhundert bekannt, da die alten Römer bekanntlich Kalziumoxid verwendeten, indem sie es aus Kalk herstellten. Seit dem zehnten Jahrhundert ist bekannt, dass Kalziumsulfat in der Lage ist, Knochenbrüche zu heilen. Kalzium selbst wurde jedoch erst 1808 isoliert, als Humphry Davy in England eine Mischung aus Kalk und Quecksilberoxid durch Elektrolyse herstellte, nachdem er gehört hatte, dass Jöns Jakob Berzelius ein Kalziumamalgam durch Elektrolyse von Kalk in Quecksilber hergestellt hatte. ⓘ

Strontium

Im Jahr 1790 entdeckte der Arzt Adair Crawford Erze mit besonderen Eigenschaften, die 1793 von Thomas Charles Hope, einem Chemieprofessor an der Universität Glasgow, der Crawfords Entdeckung bestätigte, als Strontite bezeichnet wurden. Strontium wurde schließlich 1808 von Humphry Davy durch Elektrolyse einer Mischung aus Strontiumchlorid und Quecksilberoxid isoliert. Die Entdeckung wurde von Davy am 30. Juni 1808 in einem Vortrag vor der Royal Society bekannt gegeben. ⓘ

Barium

Baryt, das Material, in dem erstmals Barium gefunden wurde. ⓘ

Baryt, ein bariumhaltiges Mineral, wurde 1774 von Carl Scheele als neues Element erkannt, obwohl er nur Bariumoxid isolieren konnte. Zwei Jahre später wurde Bariumoxid von Johan Gottlieb Gahn isoliert. Später im 18. Jahrhundert entdeckte William Withering ein schweres Mineral in den Bleiminen von Cumberland, von denen heute bekannt ist, dass sie Barium enthalten. Barium selbst wurde schließlich 1808 isoliert, als Humphry Davy die Elektrolyse mit geschmolzenen Salzen einsetzte, und Davy nannte das Element Barium, nach Baryta. Später isolierten Robert Bunsen und Augustus Matthiessen reines Barium durch Elektrolyse einer Mischung aus Bariumchlorid und Ammoniumchlorid. ⓘ

Radium

Bei der Untersuchung von Uraninit entdeckten Marie und Pierre Curie am 21. Dezember 1898, dass das entstandene Material auch nach dem Zerfall von Uran noch radioaktiv war. Das Material verhielt sich in gewisser Weise ähnlich wie Bariumverbindungen, obwohl einige Eigenschaften, wie die Farbe des Flammentests und die Spektrallinien, sehr unterschiedlich waren. Am 26. Dezember 1898 meldeten sie der französischen Akademie der Wissenschaften die Entdeckung eines neuen Elements. Der Name Radium wurde 1899 von dem Wort Radius abgeleitet, was Strahl bedeutet, da Radium Energie in Form von Strahlen aussendet. ⓘ

Herstellung

Der grün gefärbte Smaragd mit Spuren von Chrom ist eine Varietät des Minerals Beryll, das aus Beryllium-Aluminium-Silikat besteht. ⓘ

Das meiste Beryllium wird aus Berylliumhydroxid gewonnen. Ein Herstellungsverfahren ist das Sintern, bei dem Beryll, Natriumfluorsilikat und Soda bei hohen Temperaturen gemischt werden, um Natriumfluoroberyllat, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid zu bilden. Eine Lösung von Natriumfluoroberyllat und Natriumhydroxid in Wasser wird dann verwendet, um Berylliumhydroxid durch Ausfällung zu bilden. Alternativ wird bei der Schmelzmethode pulverisierter Beryll auf hohe Temperaturen erhitzt, mit Wasser abgekühlt und dann erneut leicht in Schwefelsäure erhitzt, wodurch schließlich Berylliumhydroxid entsteht. Aus dem Berylliumhydroxid beider Verfahren werden dann in einem etwas langwierigen Prozess Berylliumfluorid und Berylliumchlorid hergestellt. Durch Elektrolyse oder Erhitzen dieser Verbindungen kann dann Beryllium gewonnen werden. ⓘ

Strontiumcarbonat wird im Allgemeinen auf zwei Arten aus dem Mineral Celestit gewonnen: durch Auslaugen des Celestits mit Natriumcarbonat oder in einem komplizierteren Verfahren unter Verwendung von Kohle. ⓘ

Zur Gewinnung von Baryt wird Baryt (unreines Bariumsulfat) durch karbothermische Reduktion (z. B. mit Koks) in Bariumsulfid umgewandelt. Das Sulfid ist wasserlöslich und lässt sich leicht zu reinem Bariumsulfat, das für kommerzielle Pigmente verwendet wird, oder zu anderen Verbindungen wie Bariumnitrat umwandeln. Diese wiederum werden zu Bariumoxid kalziniert, das schließlich nach Reduktion mit Aluminium reines Barium ergibt. Der wichtigste Bariumlieferant ist China, das mehr als 50 % des Weltangebots produziert. ⓘ

Anwendungen

Beryllium wird hauptsächlich im militärischen Bereich verwendet, es gibt jedoch auch nicht-militärische Anwendungen. In der Elektronik wird Beryllium als p-Typ-Dotierstoff in einigen Halbleitern verwendet, und Berylliumoxid wird als hochfester elektrischer Isolator und Wärmeleiter eingesetzt. Berylliumlegierungen werden für mechanische Teile verwendet, wenn Steifigkeit, geringes Gewicht und Formstabilität über einen großen Temperaturbereich erforderlich sind. Beryllium-9 wird in kleinen Neutronenquellen verwendet, die die Reaktion ⁹Be + ⁴He (α) → ¹²C + ¹n nutzen, die von James Chadwick bei der Entdeckung des Neutrons verwendet wurde. Aufgrund seines geringen Atomgewichts und des niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitts würde sich Beryllium als Neutronenmoderator eignen, doch sein hoher Preis und die leicht verfügbaren Alternativen wie Wasser, schweres Wasser und Nukleargraphit haben dies auf Nischenanwendungen beschränkt. Im FLiBe-Eutektikum, das in Salzschmelzenreaktoren verwendet wird, ist die Rolle von Beryllium als Moderator eher zufällig und nicht die gewünschte Eigenschaft, die zu seiner Verwendung führt. ⓘ

Magnesium hat viele Verwendungsmöglichkeiten. Es bietet Vorteile gegenüber anderen Konstruktionswerkstoffen wie Aluminium, aber die Verwendung von Magnesium wird durch seine Entflammbarkeit behindert. Magnesium wird häufig mit Aluminium, Zink und Mangan legiert, um seine Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Magnesium wird in der Industrie auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von Eisen und Stahl und beim Kroll-Verfahren zur Herstellung von Titan. ⓘ

Kalzium wird als Reduktionsmittel bei der Abtrennung anderer Metalle wie Uran aus Erzen verwendet. Es ist ein Hauptbestandteil vieler Legierungen, insbesondere von Aluminium- und Kupferlegierungen, und wird auch zur Desoxidation von Legierungen verwendet. Kalzium spielt eine Rolle bei der Herstellung von Käse, Mörtel und Zement. ⓘ

Strontium und Barium haben weniger Anwendungen als die leichteren Erdalkalimetalle. Strontiumcarbonat wird bei der Herstellung von rotem Feuerwerk verwendet. Reines Strontium wird bei der Untersuchung der Freisetzung von Neurotransmittern in Neuronen verwendet. Radioaktives Strontium-90 findet in RTGs Verwendung, die seine Zerfallswärme nutzen. Barium wird in Vakuumröhren als Getter verwendet, um Gase zu entfernen. Bariumsulfat wird in der Erdölindustrie und in anderen Industriezweigen verwendet. ⓘ

Radium hat aufgrund seiner Radioaktivität viele frühere Anwendungen, wird aber wegen der gesundheitsschädlichen Auswirkungen und der langen Halbwertszeit nicht mehr verwendet. Radium wurde häufig in Leuchtfarben verwendet, obwohl diese Verwendung eingestellt wurde, nachdem die Arbeiter erkrankt waren. Die Quacksalberei der Atomindustrie, die behauptete, dass Radium gesundheitsfördernd sei, führte dazu, dass es in Trinkwasser, Zahnpasta und vielen anderen Produkten enthalten war. Radium wird nicht mehr verwendet, selbst wenn seine radioaktiven Eigenschaften erwünscht sind, da seine lange Halbwertszeit eine sichere Entsorgung erschwert. In der Brachytherapie beispielsweise werden stattdessen in der Regel Alternativen mit kurzer Halbwertszeit wie Iridium-192 verwendet. ⓘ

Biologische Rolle und Vorsichtsmaßnahmen

Magnesium und Calcium sind allgegenwärtig und für alle bekannten lebenden Organismen unerlässlich. Sie spielen mehr als eine Rolle: Magnesium- oder Kalzium-Ionenpumpen spielen eine Rolle in einigen zellulären Prozessen, Magnesium fungiert als aktives Zentrum in einigen Enzymen, und Kalziumsalze spielen eine strukturelle Rolle, vor allem in den Knochen. ⓘ

Strontium spielt eine wichtige Rolle in marinen Wasserlebewesen, insbesondere in Steinkorallen, die Strontium zum Aufbau ihres Exoskeletts verwenden. Strontium und Barium werden auch in der Medizin verwendet, z. B. als "Bariummahlzeiten" bei Röntgenaufnahmen, während Strontiumverbindungen in einigen Zahnpasten enthalten sind. Übermäßige Mengen von Strontium-90 sind aufgrund seiner Radioaktivität giftig, und Strontium-90 ahmt Kalzium nach (d. h. es verhält sich wie ein "Knochensucher"), wo es sich mit einer beträchtlichen biologischen Halbwertszeit bioakkumuliert. Während die Knochen selbst eine höhere Strahlungstoleranz aufweisen als andere Gewebe, ist dies für das sich schnell teilende Knochenmark nicht der Fall, so dass es durch Sr-90 erheblich geschädigt werden kann. Die Wirkung ionisierender Strahlung auf das Knochenmark ist auch der Grund, warum das akute Strahlensyndrom anämieähnliche Symptome aufweisen kann und warum eine Spende roter Blutkörperchen die Überlebenschancen erhöhen kann. ⓘ

Beryllium und Radium sind jedoch giftig. Die geringe Wasserlöslichkeit von Beryllium bedeutet, dass es für biologische Systeme nur selten verfügbar ist; es hat keine bekannte Rolle in lebenden Organismen und ist, wenn es mit ihnen in Berührung kommt, in der Regel hochgiftig. Radium ist nur in geringem Maße verfügbar und hochradioaktiv, so dass es für das Leben giftig ist. ⓘ

Erweiterungen

Man nimmt an, dass das nächste Erdalkalimetall nach Radium das Element 120 ist, obwohl dies aufgrund von relativistischen Effekten möglicherweise nicht zutrifft. Die Synthese von Element 120 wurde erstmals im März 2007 versucht, als ein Team des Flerov-Labors für Kernreaktionen in Dubna Plutonium-244 mit Eisen-58-Ionen beschoss; es wurden jedoch keine Atome erzeugt, so dass der Wirkungsquerschnitt bei der untersuchten Energie bei 400 fb liegt. Im April 2007 versuchte ein Team der GSI, das Element 120 durch Beschuss von Uran-238 mit Nickel-64 zu erzeugen, wobei jedoch keine Atome nachgewiesen werden konnten, was zu einem Grenzwert von 1,6 pb für die Reaktion führte. Die Synthese wurde erneut mit höheren Empfindlichkeiten versucht, wobei jedoch keine Atome nachgewiesen werden konnten. Es wurden weitere Reaktionen versucht, die jedoch alle fehlgeschlagen sind. ⓘ

Die Chemie von Element 120 wird eher der von Calcium oder Strontium als der von Barium oder Radium entsprechen. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu den periodischen Trends, die für Element 120 eine höhere Reaktivität als für Barium und Radium vorhersagen würden. Diese geringere Reaktivität ist auf die erwarteten Energien der Valenzelektronen von Element 120 zurückzuführen, wodurch sich die Ionisierungsenergie von Element 120 erhöht und die Metall- und Ionenradien verringert werden. ⓘ

Das nächste Erdalkalimetall nach dem Element 120 wurde noch nicht endgültig vorhergesagt. Obwohl eine einfache Extrapolation nach dem Aufbau-Prinzip nahelegen würde, dass Element 170 ein Kongener von 120 ist, könnten relativistische Effekte eine solche Extrapolation ungültig machen. Das nächste Element mit ähnlichen Eigenschaften wie die Erdalkalimetalle wird als Element 166 vorhergesagt. Aufgrund der sich überschneidenden Orbitale und der geringeren Energielücke unterhalb der 9s-Unterschale könnte Element 166 jedoch stattdessen in der Gruppe 12 unterhalb von Copernicium eingeordnet werden. ⓘ