25 erdalkalimetalle (2. hauptgruppe, 2. gruppe) · 25.2 vorkommen beryll - 3 beo •al 2 o 3 • 6...
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25 Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe, 2. Gruppe)
25.1 Überblick
Elemente: Häufigkeit in der Erdrinde:
Beryllium (Be) 48.Magnesium (Mg) 8.Calcium (Ca) 5.
Strontium (Sr) 22.
Barium (Ba) 18.Radium (Ra) 84.
Alkalische Erden: Al2O3, MgO, CaO(früher alle Oxide von Tonerde abgeleitet)
Valenzelektronenkonfiguration: n s² Oxidationszahl: +II
Metalle, stark elektropositiv
Dichte: ρ < 3,5 g/cm³ Leichtmetalle
reaktionsfähig, starke Reduktionsmittel
Magnesium -2,36Calcium -2,87Strontium -2,89
Barium -2,90
Beryllium ist Aluminium ähnlicher (Schrägbeziehung)
E0[V]Beryllium -1,70 Sonderstellung!
geringe Unterschiede!
rIon[Å]Beryllium 0,31
Magnesium 0,65
Aluminium 0,50
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
CaCO3 - Calcit (Kalkspat)
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
CaCO3 - Calcit (Kalkspat)
- Kalkstein
- Sedimentäre Ablagerungen im Meer
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
CaCO3 - Calcit (Kalkspat)
- Kalkstein
- Sedimentäre Ablagerungen im Meer
- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)
- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
CaCO3 - Calcit (Kalkspat)
- Kalkstein
- Sedimentäre Ablagerungen im Meer,
- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)
- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)
- Stalagmite :↑
25.2 Vorkommen
Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]
Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome
Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan
Magnesit - MgCO3
MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %
Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2
CaCO3 - Calcit (Kalkspat)
- Kalkstein
- Sedimentäre Ablagerungen im Meer,
- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)
- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)
- Stalagmite :↑ Stalagtite : ↓
- Marmor
- Aus Kalkstein unter hohem Druck (Metamorphose)
- Kreide
- Kreidefelsen auf Rügen
Gips - CaSO4 • 2 H2O
Anhydrit - CaSO4
Apatit - Ca3(PO4)2
Flussspat (Fluorit) - CaF2
- Marmor
- Aus Kalkstein unter hohem Druck (Metamorphose)
- Kreide
- Kreidefelsen auf Rügen
Gips - CaSO4 • 2 H2O
Anhydrit - CaSO4
Apatit - Ca3(PO4)2
Flussspat (Fluorit) - CaSO4 • 2 H2O
Fluoreszenz:
- Anregung (Vis, UV, Röntgenstrahlung, e-)
- Abgabe von Strahlung (meist niedrigerer Energie, d.h. längerer Wellenlänge)innerhalb von 10-10 bis 10-7 Sekunden
- Fluorochrome oft mit aromatischen Ringsystemen mit delokalisierten e-
in bindenden π-Orbitalen
Experiment:
- Fluoreszenz Fluorit UV-Lampe:
- Briefmarken- Geld- Ausweis- Tonic (Chinin)- Fluorescein- DNA-Farbstoffe
• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm → Seminar
Schwerspat - BaSO4
Phosphoreszenz:
- erfolgt vom längerlebigen Triplettzustand
- geringe Emissionsraten
- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)
• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm
Schwerspat - BaSO4
Phosphoreszenz:
- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand
- geringe Emissionsraten
- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)
- Röntgenkontrastmittel
Bariumsulfat in Röntgenkontrastmitteln
SkelettDickdarm
Blinddarm (Wurmfortsatz)
Die violetten Zonen entsprechen der Absorption von Röntgenstrahlen durch Barium Röntgenaufnahme des Darmtrakts
• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm
Schwerspat - BaSO4
Phosphoreszenz:
- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand
- geringe Emissionsraten
- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)
- Röntgenkontrastmittel
Radium - bei der Aufarbeitung von Uranerz (Pechblende)
- 10000 t für 1 g Radium
- Radius (lat.) ≙ Strahl
- 2 Eisenbahnwaggons – 100 mg RaBr2
- Marie Curie: 2x Nobelpreis
• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm
Schwerspat - BaSO4
Phosphoreszenz:
- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand
- geringe Emissionsraten
- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)
- Röntgenkontrastmittel
Radium - bei der Aufarbeitung von Uranerz (Pechblende)
- 10000 t für 1 g Radium
- Radius (lat.) ≙ Strahl
- 2 Eisenbahnwaggons – 100 mg RaBr2
- Marie Curie: 2x Nobelpreis
- 1x mit Mann und Becquerel (Physik)
- 1x in Chemie
- 1 Curie ≙ Aktivität von 1 g Ra pro Sekunde
25.3 Darstellung
- Elemente durch Schmelzflusselektrolyse der Chloride (teilweise Fluoride)
z.B. MgCl2 Mg + Cl2700 – 800 °C
Elektrolyse
- BeF2 + Mg Be + MgF2 im Graphittiegel1300 °C
- aluminothermisch
4 CaO + 2 Al Ca[Al2O4] + 3 Ca1200 °C
≙
CaO • Al2O3
25.4 Eigenschaften und Reaktionen
- Basischer Charakter der Hydroxide:
- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung
Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren
Mengen jedoch Reaktion
Ca - reagiert bei Zimmertemperatur
Experiment:
- Calcium reagiert bei Zimmertemperatur mit Wasser:
Ca + 2 H2O Ca(OH)2 + H2
Experiment:
- Leichtmetallbrände nicht mit Wasser löschen!
- Magnesiumbrand + Wasser
25.4 Eigenschaften & Reaktionen
- Basischer Charakter der Hydroxide:
- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung
Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren
Mengen jedoch Reaktion
Ca - reagiert bei Zimmertemperatur
- Elektronen sind leicht anregbar
25.4 Eigenschaften & Reaktionen
- Basischer Charakter der Hydroxide:
- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung
Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren
Mengen jedoch Reaktion
Ca - reagiert bei Zimmertemperatur
- Elektronen sind leicht anregbar
- Löslichkeit der Salze
Experiment:
- Auflösen von:
Calciumchlorid (CaCl2) und Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 • 6 H2O)
Erwärmung Abkühlung(mit Eis-Kältemischungen bis -55 °C)
25.4 Eigenschaften & Reaktionen
- Basischer Charakter der Hydroxide:
- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung
Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren
Mengen jedoch Reaktion
Ca - reagiert bei Zimmertemperatur
- Elektronen sind leicht anregbar
- Löslichkeit der Salze
M2+ (g) + A2- (g) M2+A2- (s)
Gitter --> Gitterenergie
- für die Zerstörung des Gitters wird Energie benötigt
M2+A2- + x H2O [M(H2O)y]2+ + [A(H2O)x-y]
2-
- bei der Hydration wird Energie frei
Hydrationsenthalpie
CaCl2 - wasserfrei : |Hydrationsenthalpie| > |Gitterenthalpie|
--> Erwärmung
CaCl2 • 6 H2O : |Hydrationsenthalpie| < |Gitterenthalpie|
Wärme aus der Umgebung --> Abkühlung
Löslichkeit:
Mg2+
Ca2+
Sr2+
Ba2+
HydroxideChromateSulfate
Ursache: |Gitterenergie| bei kleinen Ionen am größten,aber die |Hydrationsenthalpie| ist ebenfalls hoch
25.5 Bedeutung und Verwendung
Beryllium: - Fenster in Röntgenröhren
- Legierungsbestandteil --> hart, aber elastisch (Uhrenfedern)
- neutronenbremsend
Magnesium: - Verwendung als Reduktionsmittel
Experiment:
- Einsatz als Reduktionsmittel in Blitzlichtpulvern (früher)
- Legierungsbestandteil mit Aluminium und Lithium (SATURN-V-Rakete)
- Chlorophyll
25.5 Bedeutung & Verwendung
Beryllium: - Fenster in Röntgenröhren
- Legierungsbestandteil --> hart, aber elastisch (Uhrenfedern)
- neutronenbremsend
Magnesium: - Verwendung als Reduktionsmittel
Experiment:
- Einsatz als Reduktionsmittel in Blitzlichtpulvern (früher)
- Legierungsbestandteil mit Aluminium und Lithium (SATURN-V-Rakete)
- Chlorophyll
Calcium: - Baustoffe
Calciumcarbonat (CaCO3)
Kalkbrennen: CaCO3 CaO + CO2
Kalkstein Branntkalk
- Durchführung in Kalk-(schacht)öfen
GipsCaSO4 • 2 H2O
120 – 130 °Cgebrannter GipsCaSO4 • ½ H2O
(Volumenzunahme beim Abbinden)
130 – 180 °C
StuckgipsCaSO4 • (0,2 – 0,5) H2O
500 °C
„totgebrannter Gips“CaSO4
(keine Abbindefähigkeit mehr)
800 - 900 °C
Estrichgips
(Abbindefähigkeit durch CaO – Bildung beim thermischen Zerfall)
> 1200 °C
CaO + ½ O2 + SO2 --> Schwefelsäureproduktion
Wasserhärte
- Gesamtgehalt an Erdalkalisalzen
--> Ca2+ , Mg2+ , HCO3- , SO4
2- , Cl-
- bezogen auf CaO: 1 °dH ≙ 10 mg CaO pro Liter
Experiment:
- bidestilliertes Wasser
- Golmer Wasser
- CaCl2 – Zusatz zum Wasser
Zugabe von SeifeHärte
--> Schaumbildung nimmt ab
--> Trübung (Niederschlagsbildung nimmt zu, Kalkseife)
Wasserhärte
- Gesamtgehalt an Erdalkalisalzen
--> Ca2+ , Mg2+ , HCO3- , SO4
2- , Cl-
- bezogen auf CaO: 1 °dH ≙ 10 mg CaO pro Liter
Temporäre Härte (Carbonathärte)
Experiment:
CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3-
- Wärme verschiebt das Gleichgewicht nach links
Permanente Härte (Sulfat- und Chloridhärte)
- Calcium- und Magnesiumsalze sind nicht durch Kochen fällbar
- meist 70 – 85 % Calciumhärte
und 30 – 15 % Magnesiumhärte
--> Kesselsteinbildung, Störung von Waschvorgängen