Erdalkalimetalle: Gruppe 2 zwischen Reaktivität und Stabilität

Erdalkalimetalle: die zweite Hauptgruppe im Überblick

Die zweite Hauptgruppe des Periodensystems umfasst sechs Elemente: Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und das radioaktive Radium (Ra). Sie stehen direkt neben den Alkalimetallen der ersten Gruppe, sind aber deutlich weniger reaktiv als diese. Dennoch gehören sie zu den reaktivsten Metallen überhaupt und kommen in der Natur ausschließlich in gebundener Form vor.

Elektronenkonfiguration und Bindungsverhalten

Alle Erdalkalimetalle besitzen zwei Valenzelektronen in der äußersten s-Schale, entsprechend der Konfiguration [Edelgas] ns2. Im Gegensatz zu den Alkalimetallen müssen sie zwei Elektronen abgeben, um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die dabei entstehenden zweifach positiv geladenen Ionen (M2+) bilden ionische Verbindungen mit den meisten Nichtmetallen.

Die Ionenradien der Erdalkalimetalle sind kleiner als die der entsprechenden Alkalimetalle in der gleichen Periode. Gleichzeitig sind die Ionenladungen doppelt so groß, was zu stärkeren Gitterkräften und höheren Schmelzpunkten ihrer Verbindungen führt.

Physikalische Eigenschaften

Erdalkalimetalle sind silberglänzende, relativ weiche Metalle mit vergleichsweise hohen Schmelzpunkten für Hauptgruppenmetalle. Einige typische Werte:

• Beryllium: Schmelzpunkt 1287 °C, sehr leicht und fest
• Magnesium: Schmelzpunkt 650 °C, besonders leicht (Dichte 1,74 g/cm3)
• Calcium: Schmelzpunkt 842 °C, weich und silberweiss
• Barium: Schmelzpunkt 727 °C, schwerer und reaktiver

Die Dichten nehmen innerhalb der Gruppe von oben nach unten zu, und die Schmelzpunkte zeigen einen weniger einheitlichen Trend als bei den Alkalimetallen.

Reaktion mit Wasser und Säuren

Calcium reagiert bereits mit kaltem Wasser unter Entwicklung von Wasserstoffgas:

Ca + 2 H2O → Ca(OH)2 + H2

Das entstehende Calciumhydroxid (Löschkalk) ist schwer löslich und macht die Lösung schwach basisch. Magnesium reagiert dagegen kaum mit kaltem Wasser, aber heftig mit verdünnten Säuren. Beryllium, das leichteste Erdalkalimetall, zeigt einen amphoteren Charakter: Es reagiert sowohl mit Säuren als auch mit starken Basen.

Mit Sauerstoff bilden alle Erdalkalimetalle stabile Oxide der Form MO. Calciumoxid (CaO, Branntkalk) ist eines der technisch bedeutendsten Verbindungen überhaupt.

Calcium: das Knochen- und Baumaterial

Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste und kommt vor allem als Calciumcarbonat (CaCO3) in Form von Kalkstein, Marmor und Kreide vor. Es ist ein unverzichtbarer Baustoff in der Natur und in der Industrie.

Im menschlichen Körper befinden sich etwa 99 Prozent des Calciums in den Knochen und Zähnen als Hydroxylapatit [Ca10(PO4)6(OH)2]. Das restliche Prozent ist im Blut und in den Zellen gelöst und reguliert dort Muskelkontraktion, Nervenimpulse und Blutgerinnung.

In der Bauindustrie spielt der Kalkkreislauf eine zentrale Rolle:

CaCO3 → CaO + CO2 (Brennen) CaO + H2O → Ca(OH)2 (Löschen) Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (Erhärten)

Zement und Mörtel beruhen auf diesem Prinzip. Ohne Calcium wären weder Beton noch viele andere Baumaterialien denkbar.

Magnesium: der Leichtbauwerkstoff

Magnesium ist das achthäufigste Element der Erdkruste. Wegen seiner geringen Dichte und gleichzeitig guten Festigkeit wird es im Leichtbau eingesetzt, zum Beispiel in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Magnesiumlegierungen sind bis zu 75 Prozent leichter als Stahl bei vergleichbarer Festigkeit.

In der Biologie ist Magnesium unverzichtbar: Das Chlorophyllmolekül der Pflanzen enthält im Zentrum ein Magnesiumion. Ohne dieses Ion kann kein Chlorophyll gebildet werden, und ohne Chlorophyll keine Photosynthese.

Beryllium: das giftige Leichtmetall

Beryllium ist das leichteste Erdalkalimetall und besitzt ungewöhnliche Eigenschaften: Es ist extrem leicht, aber gleichzeitig außerordentlich hart und hitzebeständig. Wegen seiner Fähigkeit, Röntgenstrahlung besonders gut durchzulassen, wird es in Röntgenapparaten und Instrumenten der Kernphysik eingesetzt.

Allerdings sind Beryllium und seine Verbindungen hochtoxisch. Berylliumstaub verursacht eine chronische Lungenerkrankung (Berylliose) und gilt als krebserregend. Der Umgang erfordert strenge Schutzmaßnahmen.

Barium und Strontium: seltener, aber bedeutsam

Bariumsulfat (BaSO4) ist wasserunlöslich und röntgendicht. Es wird als Kontrastmittel bei Röntgenuntersuchungen des Magen-Darm-Trakts eingesetzt. Strontiumchlorid wird zur Behandlung von Überempfindlichkeiten der Zähne verwendet.

Radioaktives Strontium-90, ein Spaltprodukt aus Kernreaktoren, ist biologisch gefährlich, weil der Körper es wie Calcium behandelt und in die Knochen einlagert, wo es durch seine Strahlung langfristigen Schaden anrichten kann.

Erdalkalimetalle im Periodensystem

Das Periodensystem macht deutlich, dass die Erdalkalimetalle eine kohärente Gruppe mit klaren Trends bilden: Von Beryllium zu Barium nehmen die Ionenradien zu, die Ionisierungsenergien ab und die Reaktivität mit Wasser zu. Sie belegen die zweite Hauptgruppe und zeigen, wie eine gemeinsame Elektronenkonfiguration unterschiedlichste Eigenschaften verbinden kann, von dem harmlosen Knochenmineral Calcium bis hin zum giftigen Beryllium.