Weißt Du, was Kalkstein und Knochen gemeinsam haben? Beide Stoffe bestehen zu großem Teil aus Calcium. Neben Knochen bestehen auch Deine Zähne teilweise aus Calcium. Calcium ist in der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems zu finden und gehört somit zu den Erdalkalimetallen. Was Erdalkalimetalle ausmacht und wo Du sie noch finden kannst, erfährst Du in dieser Erklärung.
Erdalkalimetalle – ein Überblick
Als Erdalkalimetalle werden die Elemente der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems bezeichnet. Zur Gruppe der Erdalkalimetalle gehören somit:
- Beryllium (Be),
- Magnesium (Mg),
- Calcium (Ca),
- Strontium (Sr),
- Barium (Ba) und
- Radium (Ra).
Der Name der Erdalkalimetalle ist von den beiden benachbarten Hauptgruppen abgeleitet: den Alkalimetallen, sowie den Erdmetallen. Das Erdalkalimetall Radium gehört außerdem zu den radioaktiven Elementen.
Radioaktive Elemente sind chemische Elemente, die einen instabilen Atomkern besitzen. Der instabile Atomkern zerfällt spontan, unter Ausstrahlung von Energie in Form von Strahlung. Diese Strahlung wird umgangssprachlich auch als radioaktive Strahlung bezeichnet.
Eigenschaften der Erdalkalimetalle
Erdalkalimetalle sind silbrig glänzende Metalle. Ihre Dichte liegt unter 5 , wodurch sie auch als Leichtmetalle oder leichte Metalle bezeichnet werden. Da sie ihre beiden Valenzelektronen leicht abgeben, zählen Erdalkalimetalle zu den unedlen Metallen.
Alle Erdalkalimetalle besitzen zwei Valenzelektronen, wodurch sie sehr reaktionsfreudig sind. Sie kommen daher in der Natur vor allem als Ionenverbindungen vor. Auf die Gründe der Reaktivität von Erdalkalimetallen wird im Abschnitt zu den chemischen Reaktionen mit Erdalkalimetallen näher eingegangen.
Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äußersten Elektronenschale eines Atoms. Diese wird auch Valenzschale genannt. Willst Du mehr über Valenzelektronen erfahren, dann schaue Dir unbedingt die passende Erklärung dazu an.
In der folgenden Tabelle siehst Du einige Eigenschaften der sechs Erdalkalimetalle:
| Beryllium | Magnesium | Calcium | Strontium | Barium | Radium |
| Ordnungszahl | 4 | 12 | 20 | 38 | 56 | 88 |
| Atommasse | 9 | 24 | 40 | 88 | 137 | (226) |
| Schmelzpunkt in °C | 1287 | 650 | 839 | 769 | 725 | 700 |
| Siedepunkt in °C | 2969 | 1110 | 1487 | 1380 | 1637 | 1737 |
| Elektronegativität | 1,5 | 1,2 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| Dichte (bei 20 °C und 1013 hPa) in | 1,85 | 1,74 | 1,54 | 2,63 | 3,65 | 5,50 |
Wie Du anhand der Tabelle erkennen kannst, ähneln sich die physikalischen Eigenschaften der Erdalkalimetalle bis auf eine Ausnahme. Der Schmelz- und Siedepunkt von Beryllium liegt deutlich über den Schmelz- und Siedepunkten der anderen Erdalkalimetalle. Dieser hohe Schmelzpunkt des Berylliums ist für Leichtmetalle sehr ungewöhnlich.
Flammenfärbung von Erdalkalimetalle
Drei der sechs Erdalkalimetalle kann man anhand ihrer Flammenfärbung erkennen. Während beim Entzünden der Erdalkalimetalle Beryllium und Magnesium keine Flammenfärbung auftritt, nimmt die Flamme von Calcium, Strontium, Barium und deren Salze eine spezifische Farbe an:
- Calcium leuchtet orange-rot,
- Strontium rot und
- Barium grün.
Achtung! Brennende Erdalkalimetalle dürfen auf keinen Fall mit Wasser gelöscht werden. Dies könnte zu einer gefährlichen Explosion führen.
Verwendung von Erdalkalimetallen
Da Erdalkalimetalle sowie die Salze der Erdalkalimetalle beim Verbrennen farbige Flammen erzeugen, kommen sie unter anderem in Feuerwerken zum Einsatz. Sie sind zudem alle sehr gute Elektrizitätsleiter, wobei Beryllium und Calcium hierfür besonders geeignet sind. Magnesium und Beryllium sind zudem oft Bestandteile von Legierungen.
Auch in Deinem Körper kommen Erdalkalimetalle vor, die wichtige Funktionen erfüllen. Wie Du bereits weißt, bestehen Deine Zähne und Knochen unter anderem aus Calcium und Magnesium. Diese beiden Erdalkalimetalle spielen aber auch bei der Muskelentspannung sowie der Muskelanspannung eine Rolle.
Vorkommen von Erdalkalimetallen
Erdalkalimetalle machen etwa vier Prozent (%) der Erdkruste aus. Calcium besitzt davon einen Anteil von etwa 67 %, während Magnesium circa 31 % ausmacht. Nur etwa 1,4 % des Erdalkalimetallanteils der Erdkruste besteht aus Barium und circa 0,6 % aus Strontium. Auch in verschiedenen Mineralien wie Turmalin, Smaragd und Beryll sind Erdalkalimetalle enthalten.
Erdalkalimetalle – Chemische Reaktionen
Wie Du schon weißt, besitzen Erdalkalimetalle zwei Valenzelektronen. Diese beiden Außenelektronen geben die Elemente der zweiten Hauptgruppe leicht ab, um die sogenannte Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dabei entstehen zweifach positiv geladene Ionen.
Besitzt ein Atom eine volle Valenzschale, so spricht man von der Edelgaskonfiguration. Der Name der Edelgaskonfiguration kommt von der Elektronenkonfiguration der Edelgase. Diese besitzen ohne Elektronenaufnahme oder -abgabe eine voll besetzte äußere Elektronenschale. Die Edelgasregel besagt, dass alle Atome nach der Edelgaskonfiguration streben, da sie in diesem Zustand sehr stabil sind.
Die Reaktivität der Erdalkalimetalle steigt, je höher die Ordnungszahl ist. Dies liegt am zunehmenden Atomradius der Atome, wodurch die Valenzelektronen weniger stark vom Atomkern angezogen werden. Dadurch können sich diese leichter abspalten.
Willst Du mehr zum Thema Ordnungszahl erfahren und wie sich der Atomradius in Abhängigkeit der Ordnungszahl verhält, dann ist die Erklärung über das Periodensystem genau richtig für Dich.
Vergleich von Erdalkalimetalle mit Alkalimetallen
Während Erdalkalimetalle zwei Valenzelektronen besitzen, kommt in der äußersten Elektronenschale der Alkalimetalle nur ein Elektron vor. Dadurch sind Alkalimetalle reaktiver als Erdalkalimetalle. Grund dafür ist die höhere Ionisierungsenergie bei der Abspaltung zweier Elektronen, im Gegensatz zu einem.
Als Ionisierungsenergie wird die Energie bezeichnet, die benötigt wird, um ein Elektron eines Atoms, Ions oder Moleküls abzuspalten. Grund dafür ist die höhere Anzahl an Protonen im Atomkern der Erdalkalimetalle und der damit verbundene geringere Atomradius der Erdalkalimetalle.
Reaktion von Erdalkalimetallen mit Wasser
Erdalkalimetalle (mit X gekennzeichnet) reagieren heftig mit Wasser (H2O), wobei Wasserstoff (H2) gebildet wird. Die entstandene Verbindung bezeichnet man als Hydroxid.
Beryllium wird in Wasser passiviert, das heißt, dass nur die Metalloberfläche oxidiert wird, wodurch sich eine Art Schutzschicht bildet. Neben Beryllium wird auch Magnesium bei Kontakt mit Wasser passiviert. Im Gegensatz zu Beryllium löst sich die Schutzschicht des Magnesiums in heißem Wasser auf. Aufgrund der Passivierung von Beryllium und Magnesium reagieren die beiden Erdalkalimetalle nur langsam mit Wasser.
Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt beispielhaft die Reaktion von Strontium (Sr) mit Wasser (H2O):
Reaktion von Erdalkalimetallen mit Sauerstoff
Neben der Reaktion mit Wasserstoff werden Beryllium und Magnesium auch bei der Reaktion mit Sauerstoff passiviert. Die allgemeine Reaktion eines Erdalkalimetalls (X) mit Sauerstoff (O2) lautet:
Reagieren Elemente oder Moleküle mit molekularem Sauerstoff (O2), so werden die entstandenen Verbindungen als Oxide bezeichnet.
Die Reaktionsgleichung der Reaktion von Barium (Ba) und Sauerstoff (O) lautet:
Reaktionen von Erdalkalimetallen mit Wasserstoff
Reagieren Erdalkalimetallen mit Wasserstoff, entstehen Hydride. Die allgemeine Reaktionsgleichung von Erdalkalimetallen (X) mit Wasserstoff (H2) lautet:
Die Reaktion von Beryllium und Wasserstoff kann nur durch einen Katalysator stattfinden. Als Katalysator wird ein Stoff bezeichnet, der durch das Herabsetzen der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion deren Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Dabei wird der Katalysator selbst nicht verbraucht. Magnesium kann im Gegensatz zu Beryllium nur unter hohem Druck mit Wasserstoff reagieren. Calcium, Strontium, Barium und Radium reagieren schon bei Normalbedingungen mit Wasserstoff.
Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt die Reaktion von Calcium (Ca) mit Wasserstoff (H2):
Reaktionen von Erdalkalimetallen mit Halogenen
Erdalkalimetalle reagieren auch gut mit Halogenen, da diesen nur ein Valenzelektron zur Edelgaskonfiguration fehlt. Reagieren zwei Atome eines Halogens mit einem Erdalkalimetall erreichen alle Atome des entstehenden Erdalkalimetallhalogenid die Edelgaskonfiguration, da das Erdalkalimetall beide Valenzelektronen abgegeben und jedes der Halogenatome ein Elektron aufnehmen kann.
Halogene sind die chemischen Elemente der siebten Hauptgruppe des Periodensystems. Zu ihnen gehören folgende Elemente:
- Fluor (F),
- Chlor (Cl),
- Brom (Br),
- Iod (I) und
- Astat (As).
Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt die allgemeine Reaktion von Erdalkalimetallen (X) mit Halogenen (Y):
Die Reaktionsgleichung der Reaktion von Fluor (F) und Barium (Ba) lautet:
Erdalkalimetalle – Das Wichtigste
- Erdalkalimetalle sind die Elemente der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems. Dazu gehören Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra).
- Sie sind leichte, unedle Metalle.
- Erdalkalimetalle besitzen zwei Valenzelektronen, wodurch sie sehr reaktiv sind.
- Aufgrund der höheren Ionisierungsenergie sind Erdalkalimetalle aber nicht so reaktiv wie Alkalimetalle.
- Erdalkalimetalle reagieren gut mit Wasser, sowie Nichtmetallen wie Sauerstoff, Wasserstoff und Halogenen.
Nachweise
- Chemie.de: Erdalkalimetalle. (15.08.2022)
- Uni-kiel.de: Erdalkali Elemente (Hauptgruppe 2). (15.08.2022)
- Uni Siegen: Erdalkalimetalle - Eigenschaften, wichtige Mineralien, Reaktionen. Uni-siegen.de (15.08.2022)
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