Erdalkalimetalle. 1. Vorstellung der Erdalkalimetalle [1, S. 1215]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Sommersemester Juli 2011 Betreuung: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Eva Drexler und Kerstin Seitz Erdalkalimetalle 1. Vorstellung der Erdalkalimetalle [1, S. 1215] Beryllium Be, Magnesium Mg, Calcium Ca, Strontium Sr, Barium Ba und das radioaktive Radium Ra sind die Elemente der II. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE). Der Name Erdalkalimetalle lässt sich durch Ähnlichkeiten mit der benachbarten I. Hauptgruppe der Alkalimetalle und dem benachbarten Element Aluminium erklären. Die Hydroxide der Erdalkalimetalle sind wie die der Alkalimetalle starke Basen, in der geringeren Wasserlöslichkeit gleichen sie jedoch eher dem Erdmetall Aluminium. 1.1 Beryllium [1, S ] Dieses Element kommt vor allem als Bestandteil des Berylls Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 ) in der Erdkruste vor. Besondere Bedeutung findet das Mineral als Edelstein (Smaragd und Aquamarin). Man verwendet Beryllium beim Flugzeug und Kernreaktorenbau sowie als Legierungsmaterial in Verbindung mit Kupfer oder Nickel. Es ist bei Berührung oder Einatmen stark toxisch und kann sogar Krebs erregen. 1.2 Magnesium [1, S. 1215, 1225, 1226 / 2, S. 385] Da Magnesium mit 2,0 % am Aufbau der Erdrinde beteiligt ist, kann man es in einer Vielzahl unterschiedlicher Verbindungen nachweisen. Als Beispiele seien Magnesit MgCO 3 und Dolomit MgCO 3 * CaCO 3 zu nennen, wobei letzteres große Teile des Gesteins der südlichen Alpen ausmacht. Verwendet wird Magnesium unter anderem in der Raumfahrtindustrie, als Zusatzstoff in Feuerwerkskörpern und als Bestandteil von Düngemitteln. Eine große Rolle spielt Magnesium außerdem im menschlichen Körper (u. a. in der Atmungskette und als Baustein von Knochen und Zähnen) und für die Fotosynthese (Bestandteil des Chlorophylls). 1.3 Calcium [1, S / 2, S. 389] Calcium kommt in der Natur nicht frei, sondern vor allem in Form zahlreicher Minerale vor. Sehr bekannt sind Kalk und Kreide (CaCO 3 ), Gips (CaSO 4 * 2 H 2 O) und Dolomit (MgCO 3 * CaCO 3 ). Verwendung finden Calciumverbindungen in der Baustoffindustrie, wie z. B. gelöschter Kalk (Ca(OH) 2 ) zur Mörtelbereitung. Auch stellen sie Bestandteile von Düngemitteln dar. In der Biologie der Lebewesen sind Calciumionen unter anderem essentiell für die Muskelkontraktion und Blutgerinnung. 1

2 1.4 Strontium [1, S. 1215, 1236, 1237 / 2, S. 391] Auch Strontium kommt in der Natur nicht frei, jedoch in Mineralien gebunden vor. Häufige Mineralien sind Strontianit SrCO 3 und Coelestin SrSO 4. Das Erdalkalimetall ist mit 0,036 % am Aufbau der Erdrinde beteiligt. Es ist Bestandteil von Feuerwerkskörpern und wird als SrCO 3 für die Glasherstellung bei Farbbildröhren verwendet. Das Element verdankt seinen Namen der schottischen Stadt Strontian, in der das Element 1790 von A. Crawford, in einem Mineral (SrCO 3 ) gebunden, entdeckt wurde. 1.5 Barium [1, S. 1215, 1237 / 2, S. 393] Barium ist mit 0,04 % am Aufbau der Erdrinde beteiligt. Wichtige Mineralien sind Baryt BaSO 4, auch Schwerspat genannt, und Witherit BaCO 3. Bariumverbindungen werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt. Sie sind Bestandteil von Feuerwerkskörpern. In Beton wirkt ein hoher Gehalt an Schwerspat als Schutz vor γ Strahlung. Das Salz Bariumsulfat liefert das Weißpigment, welches zum Beispiel für Lacke verwendet wird. Gut bekannt ist das Rattengift Bariumcarbonat. Dieses Salz ist neben anderen wasser und magensäurelöslichen Bariumsalzen auch giftig für den Menschen. Es löst Muskelkrämpfe und Herzstörungen aus. 1.6 Radium [1, S. 1215, 1237, 1239 / 3] Radium ist ein sehr seltenes Element und kommt nur zu 1,0 * % auf der Erde vor. Seine Radioaktivität findet beispielsweise in der Medizin Verwendung. Den ersten Nachweis von Radium gaben Marie und Pierre Curie, die das Element aus der Pechblende UO 2 gewannen. Marie Curie erhielt für diese Reindarstellung des Radiums 1911 den Nobelpreis für Chemie. 2. Lehrplanbezug [4] Inhalte zu den Erdalkalimetallen tauchen im Chemieunterricht immer wieder auf, wie durch die folgenden Auszüge aus dem bayerischen Lehrplan für Gymnasien deutlich wird: 8. Klasse NTG (naturwissenschaftlich technologisches Gymnasium) bzw. 9. Klasse in musischen oder sprachlichen Gymnasien: 8.2 bzw. 9.2: Atombau und gekürztes PSE o Ionisierung von Metall und Nichtmetallatomen: Kation, Anion, Edelgaskonfiguration 8.3: Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe bzw. 9.3: Chemische Bindung Salze, Ionenbindung Metalle, Metallbindung 2

3 9. Klasse NTG 9.1: Qualitative Analysemethoden Ionennachweis Flammenfärbung 9.5: Elektronenübergänge 10. Klasse im nicht NTG 10.3: Elektronenübergänge 12. Klasse 12.3: Redoxgleichgewichte 2. Versuche 3.1 Flammenfärbung [2, S. 517, 518 / 5, S. 128] Tüpfelplatte, Magnesiastäbchen, Calciumchlorid CaCl 2, Strontiumchlorid SrCl 2, Bariumchlorid BaCl 2, Salzsäure HCl Man gibt eine Spatelspitze voll von jedem Salz in eine Mulde der Tüpfelplatte. Danach glüht man in der nichtleuchtenden Brennerflamme das Magnesiastäbchen aus, taucht es in die HCl, anschließend noch einmal in die Flamme und wartet erneut, bis es ausgeglüht ist. Danach nimmt man mit dem Stäbchen eines der Salze auf und hält es in die Brennerflamme. Der Vorgang wird nach dem Abbrechen des Magnesiastäbchens mit den beiden anderen Salzen wiederholt. Erdalkalimetallsalz CaCl 2 SrCl 2 BaCl 2 Flammenfarbe ziegelrot rot grün Durch die Energiezufuhr in Form von Wärme werden Außenelektronen des Metalls auf ein höheres Energieniveau angehoben. Die Elektronen fallen wieder in den Grundzustand zurück und geben dabei Energie in Form von Photonen ab. Weil der Energieabstand zwischen den Niveaus für jedes Element spezifisch ist, ist auch die Wellenlänge des emittierten Lichtes von Calcium, Strontium und Barium unterschiedlich. 3

4 3.2 Reaktion von Magnesium mit Wasser [5, S. 129 / 6, S. 16, 18] Reagenzglas, Bunsenbrenner, Magnesiumpulver, Phenolphthalein Das Reagenzglas wird bis zur Hälfte mit destilliertem Wasser gefüllt und mit einigen Tropfen Phenolphthalein versetzt. Anschließend gibt man eine Spartelspitze voll Magnesiumpulver hinzu und erhitzt dann das Glas in der Bunsenbrennerflamme. Der Indikator zeigt einen Farbumschlag von farblos zu rot violett. In kleinen Mengen entsteht ein Gas. Erdalkalimetalle reagieren mit Wasser zu Hydroxiden und Wasserstoff. Oxidation: Mg Mg e Reduktion: 2 H 2 O + 2 e 2 OH + H 2 Redoxreaktion: Mg + 2 H 2 O Mg (OH) 2 + H 2 Durch die entstandenen Hydroxidionen entsteht ein alkalisches Milieu, das den Indikatorumschlag bewirkt. 3.3 Verbrennen von Magnesium [1, S / 7, S. 102] Magnesiumband, Bunsenbrenner, Tiegelzange, Porzellanschale Das Magnesiumband wird in die Bunsenbrennerflamme gehalten und entzündet. Der Rückstand wird in einer Porzellanschale gesammelt. Das Magnesiumband verbrennt mit heller Flamme. Es entsteht ein weißes Pulver. Magnesium reagiert unter Energiefreisetzung mit Sauerstoff O 2 der Luft zu Magnesiumoxid MgO. Oxidation: Mg Mg e Reduktion: O e 2 O 2 Redoxreaktion: 2 Mg + O 2 2 MgO 4

5 Literaturverzeichnis [1] A. Holleman, E. und N. Wieberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter & Co., Berlin, 2007, S , 1225, 1226, 1236, 1237, 1239 [2] J. Strähle, E. Schweda, Jander Blasius Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 15. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, Leipzig, 2002, S. 385, 389, 391, 393, 517, 518 [3] (17. Oktober 2011) [4]. gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storylid=26174 (13. Juli 2011) [5] K. Häusler, R. Reichelt, H. Rampf, Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenburg Schulbuchverlag, München, 1995, S. 128, 129 [6] D. Radelof, Fertig ausgearbeitete Unterrichtbausteine für das Fach Chemie, Band 1, Weka Media GmbH, Kissingen, 2001, S. 16, 18 [7] H. Biltz, W. Fischer, W. Klemm, Experimentelle Einführung in die anorganische Chemie, 72. Auflage, Walter de Gruyter & Co., Berlin, 1982, S