II. Gruppe des PSE
"Erdalkalimetalle"
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©stu2007/01/22 (last update)

Erdalkalimetalle

Oxidationszahl +II, reaktionsfreudig, geringe Dichte, die Hydroxide sind Laugen.

Beryllium: Ist ein sehr seltenes Element, hat seinen Namen vom Edelstein Beryll, der Smaragd ist ein chromhaltiger Beryll, der Aquamarin ist durch Eisenverbindungen gefärbt. Be ist sehr hart und hitzebeständig, wird in Atomreaktoren und als Hitzeschild für Raumfahrzeuge verwendet. 

Magnesium: 2,5% der Erdrinde, 15% der Meersalze sind Mg-Salze, kommt in Mineralwasser vor, wichtiges Spurenelement, Zentralatom des Chlorophyll, bildet eine Oxidhaut, die vor Korrosion schützt. 
Gewinnung durch Schmelzelktrolyse von MgCl2 oder aus MgO mit Calziumcarbid: 
MgO  + CaC2 =>  Mg  +  CaO  +  2C
Mg-Legierungen (vor allem mit Al) haben eine sehr geringe Dichte ("Leichtmetall"), Verwendung für Fahr- und Flugzeuge.

Calcium: 2,8% der Erdrinde; Carbonate, Sulfate und Silikate kommen als Gestein vor, als Stützsubstanz in Organismen (Knochen, Schalen, Gehäuse), spielt eine Rolle bei Blutgerinnung und Muskelkontraktion ("Mineralstoff"). 
Gewinnung durch Schmelzelektrolyse von CaCl2 oder aus CaO mit Al: 
6 CaO  +  2 Al =>  3 Ca + 3 CaO . Al2O3
Ca wird zum "Trocknen" von Alkoholen und als Legierungsbestandteil verwendet.

Barium: Ba ist relativ selten, lösliche Ba-Verbindungen sind sehr giftig (1 g tödlich), es färbt die Flamme grün.

Wichtige Verbindungen:

MgO
Magnesiumoxid, "Magnesia"
zur Neutralisation von Magensäure, feuerfestes Material
MgCO3
Mg-Carbonat
Zur Herstellung von Gläsern und Keramik, in der Hitze zerfällt es in MgO und CO2
MgSO4
Mg-Sulfat, "Bittersalz"
mildes Abführmittel, Dünger
CaF2
Calciumfluorid, "Flußspat"
Zur Herstellung von HF.
CaC2
Calciumcarbid
Herstellung aus Kalk (CaCO3) und Koks (C), reagiert mit Wasser unter Bildung von C2H2 (brennbares Gas).
CaCO3
Ca-Carbonat, "Kalk"
Kalkstein, Marmor, Kreide; Kalkstein = Überreste von Muscheln und Korallen, löst sich in kohlensäurehältigem Wasser als Ca2+ und HCO3- (temporäre Wasserhärte),
CaO
Ca-Oxid, "gebrannter Kalk"
Herstellung aus CaCO3 durch Erhitzen, reagiert mit H2O zu Ca(OH)2 , CaO wird verwendet zur Herstellung von Zement, Carbid, Düngemittel, Glas, etc.
Ca(OH)2
Ca-Hydroxid, "Löschkalk"
Verwendung als Baustoff, zur Rauchgasreinigung, in der Zuckerindustrie, bei der Herstellung von Zitronensäure, etc.
CaSO4 . 2 H2O
Ca-Sulfat, "Gips"
kaum wasserlöslich (permanente Wasserhärte), kommt in der Natur vor, Gips gibt beim "Brennen" einen Teil seines "Kristallwassers" ab.

Beim "Gipsbrennen" wird Gips auf 130°C erhitzt, dabei verliert er 1,5 mol H2O pro mol CaSO4 , beim Abbinden wird das Wasser wieder aufgenommen und Energie abgegeben.
Kalkbrennen: CaCO3 => CaO  +  CO2
Kalklöschen: CaO  +  H2O =>  Ca(OH)2
Abbinden von Kalk: Ca(OH)2  +  CO2  =>  CaCO3  +  H2O

Wasserhärte

Im Wasser lösen sich auf dem Weg durch das Gestein vor allem CaCO3 und MgCO3 sowie CaSO4 und MgSO4
Die temporäre Wasserhärte (Carbonathärte) scheidet sich beim Erhitzen als CaCO3 und MgCO3 ab. 

in der Kälte:  CaCO3 + H2CO3 =>  Ca2+ + 2 HCO3- (Bildung der Carbonathärte) 
in der Hitze:  Ca2+ + 2 HCO3- =>  CaCO3 + H2O  + CO2 (Kalk scheidet sich beim Erhitzen ab)

Die permanente Wasserhärte (Sulfathärte) bleibt auch in heißem Wasser in Lösung. 

Wenn Wasser verdunstet, bleiben alle gelösten Stoffe als fester Rückstand ("Kalkflecken").


Was man gegen die Wasserhärte machten kann:

In Dampfbügeleisen wird am besten destilliertes Wasser gefüllt. 
Kaffeemaschinen werden von Zeit zu Zeit entkalkt: Mit Zitronensäure (geruchlos) oder mit Essig. 
In Geschirrspülern sind Ionenaustauscher* eingebaut, die die Ca2+-Ionen und Mg2+-Ionen gegen Na+-Ionen austauschen (deshalb muss in gewissen Abständen NaCl nachgefüllt werden, sog. "Regeneriersalz"). 
Waschmaschinen: Da die Heizstäbe verkalken und Ca2+- und Mg2+-Ionen mit Waschmitteln reagieren können (Abscheidung von "Kalkseife" auf der Wäsche), wurden früher Polyphosphate eingesetzt, um Abscheidung von Kalk verhindern. Aus ökologischen Gründen (Polyphosphate führen zur Überdüngung von Gewässern) wurden sie durch Zeolith (ein Silikat) ersetzt. Da Polyphosphate auch die Waschwirkung unterstützen, werden sie heute noch in Geschirrspülmitteln eingesetzt. 


*Ionenaustauscher: Stoffe, an deren (großer) Oberfäche sich geladene Gruppen befinden, an denen sich Ionen anlagern. Im Geschirrspüler werden zuerst Na+-Ionen und Cl--Ionen (Regeneriersalz) angelagert. Sie werden dann gegen die Ca2+- und Mg2+-Ionen der Wasserhärte ausgetauscht. Wenn der Ionenaustauscher von der Wasserhärte mit Ca2+- und Mg2+-Ionen voll ist, muss wieder Regeneriersalz (NaCl) nachgefüllt werden.

Übung:

1) Zur Herstellung von Beryllium wird Berylliumfluorid mit Magnesium reduziert 

2) Berylliumhydroxid zerfällt in der Hitze zu Berylliumoxid und Wasser. 

3) Titan wird aus Titan(IV)-chlorid mit Magnesium hergestellt. 

4) Magnesiumhydroxid wird aus Magnesiumchlorid und Calciumhydroxid hergestellt. 

5) Aus Calciumfluorid und Schwefelsäure kann Fluorwasserstoff hergestellt werden. 

6) Reines Calciumchlorid lässt sich durch Reaktion von Salzsäure mit Calziumcarbonat herstellen. 

7) Calciumcarbid lässt sich aus Calciumoxid und Kohlenstoff herstellen, dabei entsteht auch Kohlenmonoxid. 

8) Calciumcarbid reagiert mit Wasser, dabei entsteht das brennbare Gas C2H2 und Calciumhydroxid. 

9) Aus Calciumsulfat kann unter besonderen Bedingungen Calziumoxid, Schwefeldioxid und Sauerstoff entstehen. 

10) Calciumphosphat kann durch Reaktion von Calciumhydroxid mit Phosphorsäure hergestellt werden. 

11) Calciumnitrat entsteht bei der Reaktion von Calciumcarbonat mit Salpetersäure. 

12) In welchem Verhältnis muss gebrannter Gips mit Wasser gemischt werden um Abzubinden? 
Wieviel Wasser braucht man für 1/2 kg Gips?


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