Erdalkalimetalle - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Die Erdalkalimetalle bilden die zweite Hauptgruppe des Periodensystems. Zu ihnen gehören Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium. Ihre Atome besitzen zwei Außenelektronen. Deshalb bilden sie meist zweifach positiv geladene Ionen.

Du begegnest Erdalkalimetallen vor allem in Verbindungen: Calciumcarbonat steckt in Kalkstein und Kreide, Calcium- und Magnesiumionen verursachen Wasserhärte, Magnesium ist für viele technische Leichtmetalllegierungen wichtig und Strontium- sowie Bariumverbindungen können Flammen färben. Radium ist radioaktiv und gehört nicht in Schulexperimente.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die sechs Erdalkalimetalle nennen, ihre Stellung im Periodensystem erklären, typische Reaktionen beschreiben und wichtige Verbindungen aus Alltag und Technik zuordnen. Du kannst außerdem Gruppentrends begründen und Sicherheitsrisiken einschätzen.

Die Elemente der zweiten Hauptgruppe

Element	Symbol	Ordnungszahl	Typische Bedeutung	Besonderheit
Beryllium	Be	4	Leichtbau, Speziallegierungen, Röntgenfenster	Staub und viele Verbindungen sind stark gesundheitsschädlich
Magnesium	Mg	12	Leichtmetall, Legierungen, Biologie	Brennt mit sehr hellem Licht
Calcium	Ca	20	Kalk, Baustoffe, Knochen und Zähne	Reagiert mit kaltem Wasser
Strontium	Sr	38	Rote Flammenfärbung, Spezialkeramik	Sehr reaktionsfreudig
Barium	Ba	56	Grüne Flammenfärbung, Bariumsulfat als Kontrastmittel	Lösliche Bariumverbindungen sind giftig
Radium	Ra	88	Historische Forschung zur Radioaktivität	Stark radioaktiv

Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Erdalkalimetalle sind metallisch, leiten elektrischen Strom und sind im elementaren Zustand meist silbrig glänzend. An Luft laufen viele schnell an, weil sie mit Sauerstoff reagieren. Beryllium und Magnesium werden durch eine dünne Oxidschicht teilweise geschützt. Calcium, Strontium und Barium sind deutlich reaktionsfreudiger.

Von oben nach unten nimmt der Atomradius zu. Die Außenelektronen sind dann weiter vom Kern entfernt und werden schwächer angezogen. Deshalb können sie leichter abgegeben werden. Die Reaktivität nimmt innerhalb der Gruppe im Allgemeinen nach unten zu.

Elektronen und Ionenbildung

Die allgemeine Außenelektronenkonfiguration der Erdalkalimetalle lautet $n{s}^2$. Ein Atom gibt meist beide Außenelektronen ab:

$\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{\to }\mathrm{M}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Dabei steht Me für ein Erdalkalimetall. Das entstehende Ion besitzt eine stabile Edelgaskonfiguration. Typische Ionen sind $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}$, $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}$ und $\mathrm{B}{\mathrm{a}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}$.

Die häufigste Oxidationszahl ist daher +2. Mit Chloridionen entstehen Verbindungen der Form $\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$, mit Oxidionen Verbindungen der Form $\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{O}$.

Typische chemische Reaktionen

Reaktion mit Sauerstoff

Viele Erdalkalimetalle bilden beim Verbrennen Oxide:

$\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{O}$

Ein bekanntes Beispiel ist die Verbrennung von Magnesium:

$\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{O}$

Dabei entsteht weißes Magnesiumoxid. Das Licht ist so hell, dass Du nicht direkt in die Flamme schauen darfst.

Reaktion mit Wasser

Calcium, Strontium und Barium reagieren mit Wasser zu einem Hydroxid und Wasserstoff:

$\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Für Calcium lautet die Gleichung:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Magnesium reagiert mit kaltem Wasser nur langsam, weil seine Oxidschicht schützt. Mit heißem Wasser oder Wasserdampf läuft die Reaktion deutlich schneller. Beryllium wird stark passiviert.

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Reaktion mit Halogenen

Mit Halogenen entstehen Salze. Am Beispiel Chlor gilt:

$\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$

Calcium reagiert also zu Calciumchlorid:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$

Flammenfärbung und Nachweis

Beim Erhitzen nehmen Elektronen Energie auf. Beim Zurückfallen auf niedrigere Energieniveaus wird Licht bestimmter Wellenlängen ausgesendet. Dadurch entstehen charakteristische Flammenfarben.

Ion	Typische Flammenfarbe	Schulischer Hinweis
Calciumion	orange-rot bis ziegelrot	gut erkennbar
Strontiumion	intensiv rot	wird für rote Feuerwerkseffekte genutzt
Bariumion	gelb-grün bis grün	nur unter sicheren Bedingungen untersuchen
Magnesiumion	keine deutliche typische Flammenfarbe	Nachweis meist anders
Berylliumion	keine deutliche typische Flammenfarbe	wegen Giftigkeit kein Schulversuch

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Die Flammenprobe ist ein qualitativer Nachweis. Für genaue Analysen werden heute vor allem spektroskopische Methoden verwendet.

Vorkommen in der Natur

Wegen ihrer Reaktivität kommen Erdalkalimetalle kaum elementar vor. Sie sind in Mineralen und Salzen gebunden. Häufige Stoffklassen sind Carbonate, Sulfate und Silikate.

1. Calciumcarbonat: Bestandteil von Kalkstein, Marmor, Kreide und Muschelschalen
2. Calciumsulfat: Bestandteil von Gips
3. Magnesiumcarbonat: Bestandteil des Minerals Magnesit
4. Dolomit: enthält Calcium- und Magnesiumcarbonat
5. Strontiumsulfat: kommt als Coelestin vor
6. Bariumsulfat: kommt als Baryt vor

Bedeutung in Alltag, Biologie und Technik

Calcium und Magnesium im Körper

Calciumverbindungen sind wichtige Bestandteile von Knochen und Zähnen. Calciumionen spielen außerdem bei Muskelarbeit, Blutgerinnung und Signalübertragung eine Rolle. Magnesiumionen sind an vielen Enzymreaktionen beteiligt. Im Chlorophyll sitzt ein Magnesiumion im Zentrum des Moleküls.

Wasserhärte und Kesselstein

Gelöste Calcium- und Magnesiumionen verursachen Wasserhärte. Beim Erhitzen kann schwer lösliches Calciumcarbonat entstehen. Es lagert sich als Kesselstein ab:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Kesselstein verschlechtert den Wärmeübergang in Wasserkochern und Heizsystemen. Säuren können Calciumcarbonat unter Bildung von Kohlenstoffdioxid lösen.

Technische Anwendungen

Magnesiumlegierungen sind leicht und werden unter anderem im Fahrzeugbau und in Geräten eingesetzt. Calciumoxid und Calciumhydroxid sind wichtige Baustoffe. Strontiumsalze erzeugen rote, Bariumverbindungen grüne Flammenfarben. Reines, schwer lösliches Bariumsulfat kann als Röntgenkontrastmittel genutzt werden, weil es Röntgenstrahlung stark absorbiert. Lösliche Bariumsalze sind dagegen giftig.

Sonderfälle Beryllium und Radium

Beryllium unterscheidet sich deutlich von den übrigen Erdalkalimetallen. Es ist relativ hart, bildet häufig stärker kovalent geprägte Verbindungen und wird durch eine Oxidschicht geschützt. Berylliumstaub kann schwere Lungenerkrankungen verursachen.

Radium ist ein radioaktives Element. Es wurde 1898 von Marie Curie und Pierre Curie gemeinsam mit Gustave Bémont bei der Untersuchung von Pechblende entdeckt. Seine Strahlung macht Radium gefährlich. Es wird nicht für Schulexperimente verwendet.

Sicherheit

Wichtig: Experimente mit elementarem Calcium, Strontium oder Barium, mit brennendem Magnesium und mit Bariumverbindungen gehören ausschließlich in die fachkundige Aufsicht. Beryllium und Radium sind für den Schulversuch ungeeignet. Brennende Metalle dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden. Bei Magnesiumbrand werden geeignete Metallbrand-Löschmittel verwendet.

Merksätze

1. Erdalkalimetalle stehen in der zweiten Hauptgruppe und besitzen zwei Außenelektronen.
2. Sie bilden meist zweifach positiv geladene Ionen.
3. Ihre Reaktivität nimmt im Allgemeinen von oben nach unten zu.
4. Calcium, Strontium und Barium reagieren mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff.
5. Calcium-, Strontium- und Bariumionen zeigen typische Flammenfarben.
6. In der Natur treten Erdalkalimetalle fast nur gebunden in Verbindungen auf.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Elemente gehören zu den Erdalkalimetallen? (Beryllium Magnesium Calcium Strontium Barium und Radium) (!Lithium Natrium Kalium Rubidium Caesium und Francium) (!Fluor Chlor Brom Iod und Astat) (!Helium Neon Argon Krypton Xenon und Radon)

In welcher Hauptgruppe stehen die Erdalkalimetalle? (In der zweiten Hauptgruppe) (!In der ersten Hauptgruppe) (!In der siebten Hauptgruppe) (!In der achten Hauptgruppe)

Wie viele Außenelektronen besitzen Erdalkalimetallatome? (Zwei) (!Eins) (!Drei) (!Acht)

Welche Ladung besitzen typische Erdalkalimetallionen? (Zweifach positiv) (!Einfach positiv) (!Einfach negativ) (!Zweifach negativ)

Welches Erdalkalimetall verbrennt mit besonders hellem Licht? (Magnesium) (!Barium) (!Radium) (!Beryllium)

Welche Flammenfarbe ist typisch für Strontiumsalze? (Rot) (!Blau) (!Violett) (!Farblos)

Welche Flammenfarbe ist typisch für Bariumverbindungen? (Grün) (!Orange) (!Violett) (!Weiß)

Welche Ionen sind wesentlich an der Wasserhärte beteiligt? (Calciumionen und Magnesiumionen) (!Natriumionen und Kaliumionen) (!Chloridionen und Iodidionen) (!Eisenionen und Kupferionen)

Was entsteht bei der Reaktion von Calcium mit Wasser zusätzlich zu Calciumhydroxid? (Wasserstoff) (!Sauerstoff) (!Chlor) (!Stickstoff)

Warum kommen Erdalkalimetalle in der Natur kaum elementar vor? (Weil sie reaktionsfreudig sind) (!Weil sie immer gasförmig sind) (!Weil sie keine Verbindungen bilden) (!Weil sie nur im Weltall vorkommen)

Memory

Beryllium	gesundheitsschädlicher Staub
Magnesium	helles Verbrennen
Calcium	ziegelrote Flamme
Strontium	intensiv rote Flamme
Barium	grüne Flamme
Radium	Radioaktivität
Wasserhärte	Calcium- und Magnesiumionen
Außenelektronen	Ionenladung zwei plus

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Beryllium	besonders giftiger Staub
Magnesium	Verbrennung mit hellem Licht
Calcium	Bestandteil von Kalk und Knochen
Strontium	rote Feuerwerksfarbe
Barium	grüne Flammenfärbung
Radium	radioaktives Erdalkalimetall

Kreuzworträtsel

Magnesium	Welches Erdalkalimetall verbrennt mit sehr hellem Licht?
Calcium	Welches Element ist ein wichtiger Bestandteil von Kalk und Knochen?
Strontium	Welches Erdalkalimetall erzeugt eine intensive rote Flammenfarbe?
Barium	Welches Erdalkalimetall erzeugt eine grüne Flammenfarbe?
Radium	Welches Erdalkalimetall ist stark radioaktiv?
Kationen	Wie heißen positiv geladene Ionen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Erdalkalimetalle stehen in der Hauptgruppe des Periodensystems. Ihre Atome besitzen Außenelektronen. Bei der Ionenbildung entstehen meist zweifach positiv geladene . Die Reaktivität nimmt innerhalb der Gruppe im Allgemeinen nach zu. Magnesium verbrennt mit einem sehr Licht. Calcium reagiert mit Wasser und bildet dabei Calciumhydroxid sowie . Strontiumsalze färben die Flamme . Bariumverbindungen können eine Flammenfarbe erzeugen. Calcium- und Magnesiumionen tragen zur bei. Kalkstein besteht hauptsächlich aus . Radium ist aufgrund seiner Radioaktivität .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Element-Steckbrief: Gestalte einen Steckbrief zu einem Erdalkalimetall mit Symbol, Ordnungszahl, Vorkommen, Nutzung und Sicherheitsaspekt.
2. Periodensystem markieren: Zeichne ein vereinfachtes Periodensystem und markiere die zweite Hauptgruppe.
3. Flammenfarben-Plakat: Erstelle ein Plakat zu den Flammenfarben von Calcium, Strontium und Barium.
4. Alltagsprodukte untersuchen: Suche auf Verpackungen oder Produktinformationen nach Calcium- oder Magnesiumverbindungen und dokumentiere drei Beispiele.

Standard

1. Reaktionsgleichungen erklären: Erkläre mit eigenen Worten, warum bei der Reaktion von Calcium mit Wasser Wasserstoff entsteht.
2. Wasserhärte vergleichen: Recherchiere die Wasserhärte zweier Orte und erkläre mögliche Folgen für Haushalt und Technik.
3. Videobeobachtung: Analysiere ein Video zur Flammenfärbung und erstelle ein Beobachtungsprotokoll, ohne selbst gefährliche Stoffe zu verwenden.
4. Gruppentrend-Modell: Baue ein Modell, das die zunehmenden Atomradien und die steigende Reaktivität nach unten veranschaulicht.

Schwer

1. Beryllium-Sonderstellung: Vergleiche Beryllium mit Calcium und erkläre mindestens drei chemische Unterschiede.
2. Experiment planen: Entwirf unter Lehrkraftaufsicht einen sicheren Plan zur Untersuchung von Wasserhärte, ohne giftige oder stark reaktive Stoffe einzusetzen.
3. Anwendungsbewertung: Bewerte Nutzen und Risiken von Bariumsulfat als Kontrastmittel im Vergleich zu löslichen Bariumsalzen.
4. Erklärvideo produzieren: Produziere ein kurzes Lernvideo, das Elektronenabgabe, Ionenbildung und Gruppentrend der Erdalkalimetalle verbindet.

Lernkontrolle

1. Gruppentrend begründen: Begründe mit dem Schalenmodell, warum Calcium reaktiver als Magnesium ist.
2. Unbekannte Probe auswerten: Eine Salzprobe färbt die Flamme intensiv rot. Entwickle eine begründete Vermutung und nenne eine zusätzliche Nachweismöglichkeit.
3. Wasserkocher erklären: Erkläre, warum sich in Regionen mit hartem Wasser schneller Kesselstein bildet und wie eine Säure beim Entkalken wirkt.
4. Sicherheitsentscheidung: Bewerte, welche der Stoffe Magnesiumband, Berylliumstaub, Calciumcarbonat und Radium für eine Schuldemonstration geeignet sind.
5. Reaktionsschema übertragen: Übertrage die allgemeine Reaktionsgleichung mit Wasser auf Strontium und gleiche sie aus.
6. Anwendung und Eigenschaft: Erkläre den Zusammenhang zwischen der Flammenfarbe von Strontiumverbindungen und ihrer Nutzung in Feuerwerk.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du:

1. die sechs Erdalkalimetalle sicher benennen und im Periodensystem einordnen,
2. die Bedeutung der zwei Außenelektronen für die Ionenbildung erklären,
3. die Oxidationszahl +2 begründen,
4. Gruppentrends zu Atomradius und Reaktivität erläutern,
5. Reaktionsgleichungen mit Sauerstoff, Wasser und Chlor aufstellen,
6. Flammenfarben den passenden Ionen zuordnen,
7. wichtige Verbindungen und Anwendungen aus Alltag, Biologie und Technik erklären,
8. Risiken von Beryllium, löslichen Bariumverbindungen und Radium beurteilen,
9. Zusammenhänge zwischen Wasserhärte, Calciumcarbonat und Kesselstein darstellen.

Verknüpfte Lernbereiche

Erdalkalimetalle Periodensystem Hauptgruppe Valenzelektron Ionenbindung Redoxreaktion Flammenfärbung Wasserhärte Calciumcarbonat Magnesium Radioaktivität