Eigenschaften der Elemente der 2. Gruppe

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1 Eigenschaften der Elemente der 2. Gruppe

2 2. Gruppe (Erdalkalimetalle) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, (Ra) Elektronenkonfiguration: ns 2 metallische Bindung stärker als bei Alkali-metallen, daher: größere Härte, höhere Dichte, höhere Fp, Kp Ionisierungsenergie, Elektronegativität nehmen ab Atom-, Ionenradien nehmen zu Oxidationszahlen: 0, +II Kovalente Bindungsanteile bei Mg; kovalente Bindung typisch für Be!!! (Be 2+ und Mg 2+ sind relativ kleine Ionen) Hydratationsenthalpie, Kristallgitterenergie sind hoch (nehmen mit zunehmenden Ionenradius ab), daher M 2+ gegenüber M + stabilisiert!

3 Oxide (MO) sind sehr stabil (z.b. hohe Fp); BeO amphoter MgO BaO basisch Lp von M(OH) 2 nimmt zu mit Z; Stabilität der Carbonate MCO 3 nimmt zu mit Z wegen verschiedener Eigenschaften in drei Gruppen besprochen: Be (Sonderstellung, dem Al ähnlicher als dem Mg) Mg (Zwischenstellung) Ca, Sr, Ba, (Ra)

4 Be, Beryllium Vorkommen: Beryll, Be 3 Al 2 [Si 6 O 18 ] Herstellung: auch als Smaragd (+Cr) und Aquamarin (+Fe) Bertrandit, Be 4 (OH) 2 [Si 2 O 7 ] a. Schmelzflusselektrolyse von BeCl 2 + NaCl b. BeF 2 + Mg Be + MgF 2 Eigenschaften: Be und Be-Verbindungen sind giftig und wirken krebserregend! Leichtmetall (ρ = 1,85 g cm -3 ) Ähnlichkeit zu Al! Verwendung: Leichtmetall: ρ < 5 g cm -3 in speziellen Cu-Legierungen; Be, BeO als Moderator in Kernreaktoren; Be-Folie als Fenster in Röntgenröhren

5 Be, Beryllium Spiegel für James Webb Space Telescope (Nachfolger für Hubble Space Telescope): 18 sechseckige Segmente (ca 120 cm Ø) aus hochpoliertem Be (Sci. Amer., Oct. 2010)

6 Beryllium / Verbindungen alle Be-Verbindungen haben (zumindest teilweise) kovalenten Charakter! Be (1s 2 2s 2 ) kann sp-hybrid ausbilden lineare Moleküle, z.b. BeCl 2 (g) (KZ = 2) allerdings elektronisch ungesättigt, keine Edelgaskonfiguration! Be strebt nach Edelgaskonfiguration (höhere KZ): 1. Dreizentrenbindung (BeH 2 ) 2. Koordinative Bindungen a. Komplexe, z.b. [BeF 4 ] 2-, [Be(H 2 O) 4 ] 2+ b. Polymerisation, z.b. BeCl 2 (s) Cl Cl Cl Cl Be Be Be Be Cl Cl Cl Cl zwei Elektronen verknüpfen drei Atome c. Addukte mit Ethern OR 2, z.b. Cl OR 2 Be Cl OR 2

7 Beryllium / Verbindungen Be strebt nach Edelgaskonfiguration (höhere KZ): 3. Im Kristall fast immer KZ = 4 z.b.: BeF 2 (s), BeO(s), BeS(s), 4. (p-p) π -Bindung Cl Be Cl + + Cl = Be = Cl

8 Beryllium / Verbindungen Be(OH) 2 schwerlöslich; amphoter: Be(OH) H 3 O + [Be(H 2 O) 4 ] 2+ Be(OH) OH [Be(OH) 4 ] 2 BeO Fp = 2530 C BeF 2, BeCl 2 schlechte elektrische Leitfähigkeit im geschmolzenen Zustand

9 Mg, Magnesium Vorkommen: Carbonate: MgCO 3 (Magnesit) Chloride: Sulfate: Silicate: MgCO 3 CaCO 3 (Dolomit) z.b. MgCl 2 KCl 6 H 2 O (Carnallit) MgSO 4 H 2 O (Kieserit) (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] (Olivin) Mg 3 [Si 4 O 10 ](OH) 2 (Talk) Vorkommen im Chlorophyll in verschiedenen Enzymen Vorkommen im Meerwasser, ca. 0,13 %; Ausfällen mit Ca(OH) 2 Mg(OH) 2, Mg(OH) 2 mit HCl MgCl 2 x H 2 O

10 Mg, Magnesium Herstellung: (ca t/a) a. Schmelzflusselektrolyse von MgCl 2 (25 % MgCl 2 + Alkali- oder Erdalkalichloride) MgCl 2 aus: b. Thermische Reduktion MgO + C + Cl 2 Carnallit (z.b. Deutschland) Meerwasser (z.b. USA) MgCO 3 CaCO 3 MgO CaO + CO 2 (Dolomit) 2 (MgO CaO) + Si 2 Mg + Ca 2 SiO 4 Ferrosilicium Vakuum 1200 C

11 Eigenschaften: Leichtmetall; Mg, Magnesium (Fp = 650 C) silberweiß, läuft an der Luft an, wird passiviert (daher luft- und wasserbeständig); bei höherer Temperatur Verbrennung an Luft zu MgO und Mg 3 N 2 ; kräftiges Reduktionsmittel: 2 Mg + CO 2 2 MgO + C mit heißem Wasser: Mg + 2 H 2 O(l) Mg(OH) 2 + H 2 Mit Wasserdampf Mg + H 2 O(g) MgO + H 2 Verwendung: wichtiger Legierungsbestandteil (Flugzeugbau, Fahrzeugbau, Raumfahrt) Elektronmetall (ca. 90 % Mg + Al, Zn, Mn, Cu, Si); Magnalium (10-30 % Mg + Al) Hydronalium (3-12 % Mg + Al; seewasserfest) Reduktionsmittel in der Metallurgie (Ti, Zr, Hf, U; Be)

12 Magnesium / Verbindungen MgO Mg + ½ O 2 MgO Fp = 2642 C technisch durch Brennen : MgCO 3 MgO + CO 2 H B = -602 kj mol Brennen bei C kaustische Magnesia für Mörtel; MgO + conc. MgCl 2 -Lösung erstarrt als MgCl 2 3 Mg(OH) 2 8 H 2 O Sorelzement (Magnesiazement) für künstliche Steine, Kunstmarmor, fugenlose Fußböden, künstliches Elfenbein MgO + MgSO 4 -Lösung Heraklith 2. Brennen bei C hochfeuerfeste Steine Magnesitsteine (+ 5 % FeO, 5 % CaO) Sintermagnesia (hochreines MgO, für Laborgeräte) 3. Erhitzen von Mg(OH) 2 oder basischem MgCO 3 auf 600 C Magnesia usta (Medizin)

13 Magnesium / Verbindungen Mg(OH) 2 basisches Hydroxid, löst sich nicht im Überschuss von OH ; schwächere Base als Ca(OH) 2 usw. MgCl 2 MgSO 4 Lp(Mg(OH) 2 ) = [Mg 2+ ][OH ] 2 = 8,6x10-12 hygroskopisch MgCl 2 6 H 2 O = [Mg(H 2 O) 6 ]Cl 2 MgSO 4 7 H 2 O ( Bittersalz ) spaltet beim Erhitzen Wasser ab, 150 C: MgSO 4 H 2 O 200 C: MgSO 4 Vitriole: [M(H 2 O) 6 ]SO 4 H 2 O M = Mg, Zn, Fe, Co, Ni, Mn [M(H 2 O) 4 ]SO 4 H 2 O M = Mn, Cu ( Kupfervitriol ) Speisesalz wird feucht! MgC 2 [Mg 2+ ][C 2-2 ] und Mg 2 C 3 [Mg 2+ ] 2 [C 4-3 ] Mg 2 C 3 + H 2 O Mg(OH) 2 + H 3 C C CH MgH 2 interessant als reversibler Wasserstoffspeicher

14 Vorkommen: Ca: Ca, Sr, Ba, (Ra) Ca-Verbindungen als gesteinsbildende Mineralien Carbonate, CaCO 3 (Kalkstein, Marmor, Kreide) MgCO 3 CaCO 3 (Dolomit) Sulfate, CaSO 4 2H 2 O (Gips) CaSO 4 (Anhydrit) Phosphate, Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH, F, Cl) (Apatit) auch in Knochen und Zähnen Silicate, z.b. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] (Anorthit) Fluorid, CaF 2 (Flussspat) Sr: Ba: Ra: SrCO 3 (Strontianit) SrSO 4 (Cölestin) BaCO 3 (Witherit) BaSO 4 (Schwerspat) in der Pechblende (UO 2 ) als radioaktives Zerfallsprodukt von Uran, ca. 0,34 g Ra / t U)

15 Darstellung: Ca, Sr, Ba grundsätzlich möglich durch Schmelzflusselektrolyse (z.b. CaCl 2 +CaF 2 oder KCl) Technisch: aus CaCO 3 6 CaO + 2 Al 3 Ca(g) + 3 CaO Al 2 O 3 (aluminothermisch) 3 BaO + 2 Al 3 Ba + Al 2 O 3 aus BaCO 3

16 Eigenschaften: Ca, Sr, Ba: Ca, Sr, Ba sehr ähnliche Eigenschaften weich; silberweiß laufen aber an der Luft rasch an (Oxid bildet keine schützende Schicht) reagieren mit H 2 O unter Bildung von H 2 ; bilden mit N 2 Nitride Verwendung: Ca: Ba und alle löslichen Ba-Verbindungen sind giftig! als Reduktionsmittel in der Metallurgie (Ti, Zr, Cr, U, Lanthanoide, ) Flammenfärbung: Ca ziegelrot Sr karminrot Ba grün (Ra karminrot)

17 Calcium / Verbindungen Baustoffindustrie! CaCO 3, CaO, Ca(OH) 2 CaCO 3 in drei Modifikationen: Calcit (Kalkspat), Aragonit, (Vaterit) Calcit: in Kalkstein, Marmor, Kreide, Korallen, Muscheln reinster Calcit = Doppelspat (Doppelbrechung) Kalkbrennen Aragonit: in Perlen C CaCO 3 CaO + CO 2 (endotherm) Kalklöschen CaO + H 2 O Ca(OH) 2 gebrannter Kalk gelöschter Kalk (exotherm)

18 Calcium / Verbindungen Verwendung von CaCO 3 und CaO: (Weltförderung von Kalkstein und Dolomit ca. 2 Mrd t / a) Sodaherstellung; Baustoffindustrie; Düngemittel, Rauchgasentschwefelung, Hochofen und Stahlproduktion; Glasherstellung Herstellung von CaC 2, Chlorkalk Verwendung von Ca(OH) 2 : wenig löslich in H 2 O Kalkwasser (industriell als starke Base); als Kalkmilch (für Anstriche); für Mörtel

19 Calcium / Verbindungen CaC 2 Calciumcarbid ( Karbid ) CaO + 3 C CaC 2 + CO CaC 2 ist ein Acetylid, verwendet zur Herstellung von Acetylen (Ethin) CaC H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 Ca 2+ [ C C ] C < 1600 C zur Herstellung von CaCN 2 H-C C-H CaCN 2 Calciumcyanamid ( Kalkstickstoff ) 1100 C CaC 2 + N 2 CaCN 2 + C (exotherm) ( H 2 N-C N Cyanamid ) als Düngemittel CaCN H 2 O CaCO 3 + NH 3 zur Herstellung von Cyanamid, Melamin, Thioharnstoff,

20 Calcium / Verbindungen Gips CaSO 4 2 H 2 O Riesige Gipskristalle ( Selenit ) in der Crystal Palace Cave in Mexico

21 Calcium / Verbindungen CaSO 4 Anhydrit CaSO 4 Gips CaSO 4 2 H 2 O Gipsbrennen C CaSO 4 2 H 2 O CaSO 4 0,5 H 2 O (gebrannter Gips) erhärtet rasch mit Wasser Baugewerbe, keramische Industrie, (Bildhauerei) C CaSO 4 0,5 H 2 O CaSO 4 (0,18-0,48) H 2 O (Stuckgips) darüber wasserfreier Stuckgips, bindet zu rasch ab; verliert bei 500 C Abbindefähigkeit bei C entsteht Estrichgips (ca. 10 % CaO) bindet mit Wasser langsam (innerhalb von Tagen) ab; hydraulische Eigenschaften, für Fußböden bei C totgebrannter Gips, setzt sich mit Wasser nicht um oberhalb von 1200 C CaSO 4 CaO + SO 2 + ½ O 2

22 Mörtel Mörtel sind Bindemittel, die mit Wasser angerührt erhärten Luftmörtel erhärten an der Luft, werden von Wasser angegriffen a. Kalkmörtel Brei aus Ca(OH) 2 + Sand + Wasser Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O b. Gipsmörtel (ca. 1% Ausdehnung) Formengips, Stuckgips, Putzgips, Estrichgips; Gipskartonplatten Wassermörtel erhärten auch unter Wasser ( hydraulische Eigenschaften ) Zement: entsteht durch Brennen von Kalkstein und Tonen im Drehrohrofen Portlandzement (Ca-silicate + Ca-aluminate) + Sand + Wasser Mörtel (erhärtet zu kompliziert zusammengesetzten Hydraten, z.b. 3 CaO 2 SiO 2 n H 2 O) + Steine Beton

23 Sr, Ba / Verbindungen Alle löslichen Ba-Verbindungen sind giftig! Sr(OH) 2, Ba(OH) 2 starke Basen Ba(OH) 2 = Barytwasser BaSO 4 Ausgangsstoff für alle übrigen Ba-Verbindungen BaSO 4 ist praktisch wasserunlöslich als weiße Malerfarbe ( Permanentweiß ), noch größere Deckkraft besitzen die Lithopone 850 C BaS + ZnSO 4 BaSO 4 + ZnS BaSO 4 als Röntgenkontrastmittel beide weiß 500 C BaO 2 2 BaO + O 2 2 BaO C Sr(NO 3 ) 2 rote Feuerwerkskörper Ba(NO 3 ) 2 grüne Feuerwerkskörper