Vorlesung Chemie der Metalle
3. Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe: Be, Mg, Ca, Sr, Ba)
3.2. Elementare Metalle
Die Erdalkalimetalle sind silber- bis dunkelmetallisch glänzende Metalle
(s. Fotos in den Abb. 3.2.1. bis 3.2.5.).
Beryllium und Magnesium sind an Luft stabil, während Calcium, Strontium und Barium
unter Schutzgas aufbewahrt werden müssen.
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| Abb. 3.2.2. Magnesium |
Abb. 3.2.3. Calcium |
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| Abb. 3.2.1. Beryllium (Fenster in Röntgenröhre) |
Abb. 3.2.4. Strontium |
Abb. 3.2.5. Strontium und Barium |
Strukturen: Die Elemente kristallisieren in (verschiedenen!) typischen Metallpackungen:
- Beryllium kommt in zwei Modifikationen vor. Die
Tieftemperatur-Form (α-Form) bildet eine hexagonal-dichte Kugelpackung
(h.c.p.), die
Hochtemperaturform kristallisiert in der kubisch-innenzentrierten Packung
(b.c.c., W-Typ).
- Magnesium und β-Calcium bilden die hexagonal
dichte Kugelpackung (h.c.p., größere Härte, da weniger Gleitsysteme).
- α-Ca und Strontium kristallisieren in der
kubisch dichtesten Kugelpackung (f.c.c.)
und
- Barium bildet wie die Alkalimetalle ein
b.c.c.-Gitter.
Die Darstellung der Erdalkalimetalle durch wässrige Elektrolyse ist wegen
ihrer deutlich negativen Normalpotentiale
(d.h. H2-Entwicklung, s. Tab. 3.1.2.) unmöglich. Meist wird die Schmelzflußelektrolyse der Chloride
(die deutlich weniger hoch schmelzen als die Oxide, jedoch aus diesen zunächst hergestellt werden müssen)
oder die aluminothermische Reduktion eingesetzt. Für die einzelnen Elemente:
- Beryllium wird aluminothermisch aus BeO und BeF2
hergestellt. Auch die chemische Reduktion mit Magnesium oder Silicium ist möglich:
BeF2 + Mg ⟶ 1300oC ⟶ Be + MgF2
Das hierfür erforderliche BeF2 kann geschickt durch Rösten von Beryll mit
Na2SiF6 gewonnen werden:
Be3Al2[Si6O18] + Na2[SiF6]
⟶ 3 BeF2 + Na2[Al2Si7O18]
- Magnesium kann sowohl chemisch, als auch elektrochemisch
gewonnen werden:
- Die Schmelzelektrolyse wird bei 750 oC durchgeführt
und dient zugleich zur Herstellung von Chlor für den Aufschluß (Carbochlorierung) von Magnesiumoxid,
das durch Brennen von Magnesit zugänglich ist:
- Brennen von Magnesit: MgCO3 ⟶ MgO + CO2
- Carbochlorierung: MgO + Cl2 + C ⟶ MgCl2 + CO
- Elektrolyse: MgCl2 ⟶ Mg + Cl2
Das entstehende Magnesium ist leichter als die Schmelze und schwimmt daher auf ihr. Das entstehende Chlor
wird wieder zur Carbochlorierung (Schritt 2) genutzt.
- Zur chemischen Reduktion wird gebrannter Dolomit (CaMg[CO3]2) mit Ferrosilicium
umgesetzt:
2 MgO.CaO + FeSi ⟶ 2 Mg + Ca2SiO4 + Fe
- Calcium, Strontium und Barium werden heute durch
Reduktion der Oxide mit Aluminium gewonnen.
Calcium wurde früher durch Elektrolyse von CaCl2 hergestellt.
Eigenschaften und Verwendung der elementaren Metalle:
- Beryllium ist ein hartes Leichtmetall mit
einem Schmelzpunkt von 1280 oC. Es hat einen größeren Elastizitätsmodul
als Stahl und wird wegen seines niedrigen Neutroneneinfangquerschnitts zur
Konstruktion von Kernreaktoren verwendet. Die Fenster von Röntgenröhren
bestehen aus Beryllium (Abb. 3.2.1., rote Markierung).
Cu-Be-Legierungen (Berylliumbronzen), die nur 2-3 % Beryllium enthalten, sind
wie Kupfer selber gute elektrische und Wärmeleiter, zugleich aber sehr hart und zäh.
Beryllium ist an Luft auch bei höherer Temperatur stabil, da sich eine Oxidschicht aus BeO
bildet. Das Element und seine Verbindungen schmecken süß.
Beryllium ist sehr giftig (Berylliose=Lungenschäden), kanzerogen.
Die Giftwirkung beruht auf der Verdrängung von Magnesium bei zugleich stärkerer
Bindung als Magnesium (CHIUZ 27, 310 (1993)).
- Magnesium schmilzt bei 650 oC und
reagiert nicht mit H2O, da sich eine in Wasser unlösliche Schutzschicht
aus Mg(OH)2 bildet. In Säuren ist Magnesium dagegen löslich.
| ⚗ Reaktion von elementarem Mg mit Wasser und 1 M HCl
(9MB|MP4|H264) |
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Magnesium ist ein Leichtmetall, Legierungen mit Aluminium sind zudem korrosionsbeständig
und mechanisch deutlich besser als reines Aluminium.
Als 'Dow'-Metalle bezeichnet man Mg-Legierungen mit einem Mg-Gehalt von mehr als 90 %,
weitere Bestandteile sind Al, Zn, Mn etc. 'Dural' besteht überwiegend
aus Aluminium, enthält aber neben 3-5 % Cu auch 1 % Mg.
Neben seinen mechanischen Werkstoff-Eigenschaften wird das Element
vor allem als Reduktionsmittel eingesetzt.
Mg + 1/2 O2 ⟶ MgO
Diese Reaktion wurde zum Erzeugen von 'Blitzlicht' früher in der Fotografie
verwendet. Sie ist mit -600 kJ/mol stark exotherm. Bei Verwendung von Luft statt
reinem Sauerstoff entsteht außerdem (gelbliches) Magnesiumnitrid, Mg3N2.
| ⚗ Mg-Spitzer verbrennen, Nachweis von Mg3N2
(+ Wasser ⟶ NH3) (54MB|MP4|H264) |
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- Calcium, Strontium und Barium
sind luft- und feuchtigkeitsempfindlich und reagieren recht heftig mit Wasser:
Ca + 2 H2O ⟶ Ca(OH)2 + H2
| ⚗ Reaktion von Ca, Sr und Ba mit Wasser
(31MB|MP4|H264) |
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Calcium wird als Reduktionsmittel bei der Chrom- und Zirkonium-Herstellung eingesetzt,
während Strontium und Barium als Elemente ohne technische Bedeutung sind.
Barium und seine Verbindungen sind giftig, BaCO3 wurde früher als Rattengift
verwendet. BaSO4 kann wegen seiner extremen Schwerlöslichkeit
dagegen als Röntgenkontrastmittel und Lebensmittelzusatzstoff verwendet werden
(s. bei Sulfaten/Carbonaten etc.).
Links zu anderen Fotos der Metalle:
Als erste und einfachste Verbindungsklasse geht es mit den Halogeniden, d.h. auch
mit Salzen MX2, weiter.
