Erdalkalimetalle. Abb. 1: Die Erdalkalimetalle Be, Mg, Ca, Sr und Ba (Radium fehlt) [1]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2010/ Betreuung: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Manuela Kopp, Katharina Stündler Erdalkalimetalle 1. Die Gruppe der Erdalkalimetalle Zur zweiten Gruppe des Periodensystems, der Gruppe der Erdalkalimetalle, gehören die Elemente Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra) (siehe Abb. 1). Abb. 1: Die Erdalkalimetalle Be, Mg, Ca, Sr und Ba (Radium fehlt) [1] Der Name Erdalkalimetalle rührt daher, dass ihre Hydroxide, wie die der links benachbarten Alkalimetalle, starke Basen sind, aber sich in ihrer geringeren Wasserlöslichkeit mehr dem rechts benachbarten typischen Erdmetall, dem Aluminium, anschließen. [2] Sie kommen in der Natur nicht frei vor und werden auf chemischem (Be, Ca, Sr, Ba) oder elektrochemischem (Mg, Ra) Weg dargestellt. Die Reaktionsfähigkeit steigt vom Beryllium bis Radium an. Dies ist auf die sinkende Ionisierungsenergie innerhalb der Gruppe von oben nach unten zurückzuführen. (Zur Erinnerung: Die Ionisierungsenergie nimmt von oben nach unten ab, da der Abstand zwischen Kern und Valenzelektron immer größer wird.) [2, 3] 1

2 2. Vorstellung der einzelnen Elemente Tab. 1: Atomare und physikalische Eigenschaften der Erdalkalimetalle [4-10] Beryllium Magnesium Calcium Strontium Barium Radium Kernladungszahl relative Atommasse 9, ,305 40,078 87,62 137, ,0254 Atomradius in pm Dichte in g/cm 3 1,86 1,75 1,55 2,6 3,59 5,5 Schmelzpunkt in C Siedepunkt in C ca Beryllium Der Name stammt vom Mineral Beryll, welches sich durch die chemische Formel Be 3 Al 2 [Si 6 O 18 ] beschreiben lässt und Beryllium enthält. Durch Alphastrahlung werden Neutronen ( ) aus Beryllium freigesetzt: + + Deswegen wurde es 1945 zusammen mit dem Alphastrahler Polonium als Neutronenquelle in der Atombombe Little Boy, die über Hiroshima abgeworfen wurde, eingesetzt. Heute wird das seltene Element unter anderem als Legierungsbestandteil verwendet. [5] 2.2. Magnesium Die Namensherkunft des Magnesiums ist umstritten. Einer Darstellung liegt das altgriechische Wort µαγνησιη λιθός zugrunde, was so viel bedeutet wie Magnetstein. Andere bezeichnen das griechische Gebiet Magnisia als Namensgeber des Magnesiums. Wieder andere fassen die Stadt Magnesia, welche in Kleinasien auf dem Gebiet der heutigen Türkei liegt, als Ursprung des Namens auf. Es ist zu 1,94 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt und somit das achthäufigste Element. In mineralischer Form kommt es überwiegend als Carbonat, Silicat, Chlorid und Sulfat vor. Diese sind z. B. Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 (vgl. Dolomiten ), Olivin (Mg, Fe) 2 [SiO 4 ] und Kieserit MgSO 4 H 2 O. Das silbrig glänzende Leichtmetall wird zur Herstellung von verschiedensten Produkten (z. B. Anspitzer) verwendet. Magnesiumpulver wird in Brandsätzen, -bomben und Leuchtmunition eingesetzt. [6] 2

3 2.3. Calcium Die Römer nannten Kalkstein und Kreide calx. Von dieser Bezeichnung leitet sich der Name Calcium ab. Das fünfthäufigste Element der Erdkruste kommt in calciumhaltigen Mineralen, wie Calcit CaCO 3 und Gips CaSO 4 2H 2 O, vor. Des Weiteren ist Calcium ein essentieller Bestandteil der lebenden Materie (vgl. Erkrankung Calciummangel ). Kalkstein CaCO 3 ist einer der wichtigsten Rohstoffe in der Industrie (Verschlackungsmittel in der Stahlherstellung, Herstellung von gebranntem Kalk, ). Gips wird als Baustoff verwendet. [7] 2.4. Strontium Der Fundort des strontiumhaltigen Minerals Strontiumcarbonat gab dem Strontium seinen Namen. In der Natur kommt Strontium als Sulfat (Coelestin, SrSO 4 ) und Carbonat (Strontianit, SrCO 3 ) vor. Strontiumpulver entzündet sich spontan an der Luft. Strontiumverbindungen werden vielfältig verwendet, z. B. in der Pyrotechnik zur Erzeugung von roter Farbwirkung und bei der Behandlung von Osteoporose, da es ebenso wie Calcium als Bestandteil in Knochen eingebaut werden kann. Des Weiteren wird Strontiumborid in den Steuerstäben der Kernreaktoren eingesetzt. [8] 2.5. Barium Barium ist abgeleitet vom griechischen Wort βαρύς: schwer, welches von der großen Dichte des Bariumminerals Baryt BaSO 4 herrührt. Barium ist mit einem Anteil von 0,039 % auf Platz 14 der häufigsten Elemente der Erdkruste und kommt in den Mineralen Baryt BaSO 4 und Witherit BaCO 3 vor. Elementares Barium findet nur wenige Anwendungsgebiete. Daher werden nur relativ geringe Mengen pro Jahr produziert. [9] 2.6. Radium Radium wurde 1898 in Frankreich von der Physikerin Marie Curie und ihrem Ehemann Pierre Curie entdeckt. Der Name stammt aus dem Lateinischem (lat. radius = Strahl ) und wurde ihm wegen seiner Radioaktivität gegeben. Radium ist eines der seltensten natürlichen Elemente und steht in einem natürlichen Zerfallsgleichgewicht mit Uran. Frühe Formen der Bestrahlungstherapie beinhalteten die Anwendung von geschlossenen Radiumkapseln. [10] 3

4 3. Versuche 3.1. Versuch 1: Flammenfärbung [11, 12] Geräte/Chemikalien: Bunsenbrenner, Magnesiastäbchen, konzentrierte Salzsäure HCl, Calciumchlorid CaCl 2, Strontiumchlorid SrCl 2, Bariumchlorid BaCl 2 Durchführung: Zunächst glüht man ein Magnesiastäbchen aus. Anschließend wird es in konzentrierte Salzsäure getaucht und nochmals ausgeglüht. Man taucht danach wieder in die konzentrierte Salzsäure ein, nimmt etwas von einem Erdalkalimetallsalz auf und hält es in die nichtleuchtende Bunsenbrennerflamme. Beobachtung: Tab. 2: Flammenfärbung der Erdalkalimetallsalze Erdalkalimetallsalz CaCl 2 SrCl 2 BaCl 2 Flammenfarbe Ziegelrot Intensives Rot Blaßgrün Erklärung: Im ersten Schritt nimmt ein Elektron Energie (hier thermische Energie der Bunsenbrennerflamme) auf und wird somit auf ein höheres Energieniveau (= angeregter Zustand) (s. Abb. 1) gehoben. Beim Zurückfallen des angeregten Elektrons in den Grundzustand wird Licht bestimmter Wellenlänge emittiert. Abb. 2: Modelldarstellung zur Erklärung der Flammenfärbung Lehrplanbezug Im Lehrplan der Realschule wird in den Kapiteln Ch 8.7 (mathematisch-naturwissenschaftlicher Zweig) /Ch 9.6 (wirtschaftlicher, sprachlicher bzw. musisch-technischer Zweig) im Punkt Atombau und Periodensystem das Kern-Hülle-Modell nach Bohr behandelt. Zur Erklärung unseres Versuchs wird auf das Bohrsche Atommodell zurückgegriffen, um den Schülern die Verknüpfung von Theorie und Anwendung zu ermöglichen und somit die langfristige Speicherung des Wissens zu erleichtern. [13, 14] 3.2. Versuch 2: Verbrennen von Magnesium [3, 15] Geräte/Chemikalien: Bunsenbrenner, Tiegelzange, Porzellanschale, Magnesiumband Mg Durchführung: Das Magnesiumband wird mit der Tiegelzange in die nichtleuchtende Bunsenbrennerflamme gehalten und entzündet. Nach dem Entzünden hält man das brennende Magnesium über die Porzellanschale, um eine Beschädigung der Unterlage durch herabfallendes, brennendes Magnesium zu verhindern. 4

5 Beobachtung: Das Mg-Band verbrennt mit gleißender Flamme und reagiert zu einem weißen Feststoff. Erklärung: Das Magnesium reagiert mit dem Luftsauerstoff zu Magnesiumoxid: Oxidation: Mg Mg e - 2 Reduktion: O e - 2 O 2- Redoxreaktion: 2 Mg + O 2 2 MgO Lehrplanbezug: Der Versuch ist für den Unterricht an Realschulen geeignet. Im Lehrplan kann er unter den beiden Kapiteln Ch 8.2 (mathematisch-naturwissenschaftlicher Zweig) / Ch 9.2 (wirtschaftlicher, sprachlicher bzw. musisch-technischer Zweig) Stoffe, Experimente: ein erster Blick in die Chemie eingeordnet werden. Er eignet sich besonders für die erste Chemiestunde, um den Schülern die chemische Reaktion als Stoffveränderung zu erklären. [13, 14] 3.3. Versuch 3: Reaktion von Magnesiumpulver mit Wasser [11, 15] Geräte/Chemikalien: Reagenzgläser, Bunsenbrenner, Magnesiumpulver, Phenolphthalein Durchführung: In zwei Reagenzgläser werden jeweils ca. dreifingerbreit destilliertes Wasser und einige Tropfen Phenolphthalein gegeben. Danach wird in jedes Reagenzglas eine Spatelspitze voll Magnesium gegeben. Eines der Reagenzgläser wird nun in der nichtleuchtenden Bunsenbrennerflamme erhitzt. Beobachtung: Im nicht erwärmten Reagenzglas zeigt sich keine bis sehr geringe Violettfärbung. Nach dem Erhitzen färbt sich die Lösung im zweiten Reagenzglas deutlich violett. Außerdem entsteht ein Gas. Erklärung: Magnesium zeigt keine Reaktion in kaltem Wasser. Das liegt daran, dass sich direkt bei Kontakt mit Wasser eine Hydroxidschicht (Passivierungsschicht) bildet, die nicht wasserlöslich ist und das Metall vor weiterem Oxidieren schützt. Magnesium reagiert jedoch mit heißem Wasser unter Bildung von Magnesiumhydroxid Mg(OH) 2 und Wasserstoff H 2 : Oxidation: Mg Mg e - Reduktion: 2 H 2 O + 2 e - H OH - Redoxreaktion: Mg + 2 H 2 O Mg(OH) 2 + H 2 Die mit Phenolphthalein versetze Lösung verfärbt sich aufgrund der Entstehung von Hydroxidionen in obiger Reaktion violett. 5

6 Lehrplanbezug Der Versuch lässt sich im Lehrplan der Realschule unter dem Kapitel Ch 9.2 (mathematischnaturwissenschaftlicher Zweig) Redoxreaktionen einordnen. Die Schüler führen den Versuch wie angegeben durch und formulieren die dazugehörige Reaktionsgleichung. [14] 4. Literatur [1] ( ) [2] A. F. Holleman, E. und N. Wiberg, Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter & Co, Berlin, 2007, S Auflage, Walter de Gruyter & Co, Berlin, 1995, S [3] ( ) [4] Ch. E. Mortimer: Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2007, S. 487 [5] ( ) [6] ( ) [7] ( ) [8] ( ) [9] ( ) [10] ( ) [11] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt, Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenburg Schulbuchverlag, München, 1995, S [12] f%c3%a4rbung ( ) [13] 40f75a330808b43 ( ) [14] d73df0d84d027dd ( ) [15] H. Keune, W. Filbry, Chemische Schulexperimente, Band 2, Anorganische Chemie, 1978, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/Main, S. 108, S

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