Chemie von Beryllium untypisch für Gruppe 2
Wenn Beryllium ein 2+ Ion bildet, verliert es die 2 Elektronen im 2s Orbital. Dadurch bleibt das 2-Niveau völlig leer.
Die Orbitale des 2-Niveaus ordnen sich neu an (hybridisieren) und bilden vier gleiche Orbitale, von denen jedes ein einsames Elektronenpaar von einem Wassermolekül aufnehmen kann. Im nächsten Diagramm wurden die 1s-Elektronen weggelassen. Sie sind für die Bindung nicht relevant.
Jedes Wassermolekül hat natürlich zwei einsame Elektronenpaare. Um das Diagramm nicht zu unübersichtlich zu machen, wird nur eines von ihnen dargestellt.
Wenn vier Wassermoleküle auf diese Weise gebunden sind, ist auf der Bindungsebene kein Platz mehr frei. Alle leeren Orbitale des ursprünglichen Beryllium-Ions werden genutzt.
Die Wassermoleküle ordnen sich so an, dass sie so weit wie möglich voneinander entfernt sind – was auf die Ecken eines Tetraeders hinweist. Das Ion hat also eine tetraedrische Form.
Die Hydratation von Magnesium
Man könnte meinen, dass sich Magnesium genauso verhält, aber auf dem 3-Niveau gibt es neben 3s und 3p auch 3d-Orbitale.
Wenn das Magnesium-Ion gebildet wird, lässt es 3s, 3p und 3d-Orbitale leer. Wenn dieses Ion hydratisiert wird, nutzt es das 3s-Orbital, alle drei 3p-Orbitale und zwei der 3d-Orbitale. Diese werden umorganisiert, so dass insgesamt sechs leere Orbitale übrig bleiben, die dann für die Bindung genutzt werden.
Warum bleibt Magnesium bei der Bindung von sechs Wässern stehen? Warum nutzt es nicht auch die restlichen 3d-Orbitale? Mehr als sechs Wassermoleküle passen physikalisch nicht um das Magnesium herum – sie nehmen zu viel Platz ein.
Was ist mit den anderen Ionen der Gruppe 2?
Wenn die Ionen größer werden, haben sie weniger Neigung, richtige koordinative Bindungen mit Wassermolekülen zu bilden. Die Ionen werden so groß, dass sie für die einsamen Paare der Wassermoleküle nicht mehr attraktiv genug sind, um formale Bindungen zu bilden – stattdessen neigen die Wassermoleküle dazu, sich lockerer um die positiven Ionen zu gruppieren.
Wenn sie jedoch koordinative Bindungen mit dem Wasser bilden, sind sie genau wie das Magnesium 6-fach koordiniert.
Berylliumhydroxid ist amphoter
Amphoterisch bedeutet, dass es sowohl mit Säuren als auch mit Basen unter Bildung von Salzen reagieren kann.
Die anderen Hydroxide der Gruppe 2
Die anderen Hydroxide der Metalle der Gruppe 2 sind alle basisch. Sie reagieren mit Säuren unter Bildung von Salzen. Zum Beispiel:
Calciumhydroxid reagiert mit verdünnter Salzsäure zu Calciumchlorid und Wasser.
Berylliumhydroxid
Berylliumhydroxid reagiert mit Säuren und bildet Lösungen von Berylliumsalzen. Zum Beispiel:
Es reagiert aber auch mit Basen wie Natriumhydroxidlösung. Berylliumhydroxid reagiert mit Natriumhydroxid zu einer farblosen Lösung von Natriumtetrahydroxoberyllat.
Dieses enthält das Komplexion 2. Der Name beschreibt dieses Ion. Tetra bedeutet vier; Hydroxo bezieht sich auf die OH-Gruppen; Beryllat zeigt, dass das Beryllium in einem negativen Ion vorliegt. Die Endung „ate“ zeigt immer, dass das Ion negativ ist.
Betrachten wir dies als einfaches Fließschema, ausgehend von Beryllium-Ionen in Lösung:
Dies zeigt, dass, wenn man Hydroxid-Ionen zu Beryllium-Ionen in Lösung hinzufügt, man zunächst einen Niederschlag von Berylliumhydroxid erhält. Gibt man aber mehr Hydroxidionen hinzu, löst sich der Niederschlag wieder auf und man erhält eine Lösung, die Tetrahydroxoberyllationen enthält.
Das Berylliumhydroxid reagiert mit einer Base (Hydroxidionen) und muss daher saure Eigenschaften haben.
Gibt man aber Säure zu den Tetrahydroxoberyllationen, erhält man wieder den Niederschlag von Berylliumhydroxid. Und wenn man noch mehr Säure hinzufügt, kehrt man zu den ursprünglichen Berylliumionen in Lösung zurück.
Weil das Berylliumhydroxid mit Säure reagiert, muss es sowohl basische als auch saure Eigenschaften haben – es ist amphoter.
Eine einfache Erklärung für das, was passiert
Wir müssen uns das noch einmal ansehen, aber das Berylliumion in Lösung genauer betrachten – mit anderen Worten als Be(H2O)42+.
Das sehr kleine positiv geladene Beryllium-Ion im Zentrum des Komplexes zieht Elektronen in den Wassermolekülen zu sich hin – wir sagen, es hat eine stark polarisierende Wirkung auf die Wassermoleküle.
Das Beryllium hat eine so stark polarisierende Wirkung auf die Wassermoleküle, dass Wasserstoffionen sehr leicht aus ihnen entfernt werden.
Die Natriumhydroxidlösung enthält Hydroxidionen, die starke Basen sind. Wenn man genau die richtige Menge Natronlauge hinzufügt, erhält man einen Niederschlag von etwas, das normalerweise „Berylliumhydroxid“ genannt wird – das aber strukturell etwas komplizierter ist!
Das Produkt (außer Wasser) ist ein neutraler Komplex, und er ist kovalent gebunden. Alles, was mit dem ursprünglichen Komplexion passiert ist, ist, dass zwei Wasserstoffionen von den Wassermolekülen entfernt wurden.
Das Produkt (außer Wasser) ist ein neutraler Komplex, der kovalent gebunden ist, und man erhält einen Niederschlag, weil er keine Ladung hat. Die Anziehungskraft zwischen dem neutralen Komplex und den Wassermolekülen reicht nicht aus, um ihn in Lösung zu bringen.
Was passiert, wenn man mehr Hydroxid-Ionen hinzufügt?
Wenn man dem neutralen Komplex mehr Hydroxidionen hinzufügt, werden mehr Wasserstoffionen von den Wassermolekülen abgezogen, so dass das Tetrahydroxoberyllat-Ion entsteht:
Das Berylliumhydroxid löst sich auf, weil der neutrale Komplex in ein Ion umgewandelt wird, das ausreichend von den Wassermolekülen angezogen wird.
Was passiert, wenn man dem Berylliumhydroxid-Niederschlag (dem neutralen Komplex) eine Säure hinzufügt?
Die Wasserstoff-Ionen, die ursprünglich entfernt wurden, werden einfach ersetzt. Der Niederschlag löst sich auf, während das ursprüngliche hydratisierte Beryllium-Ion wieder gebildet wird.
Lassen Sie uns dies noch einmal als Flussschema betrachten, damit Sie es mit dem obigen vergleichen können:
Berylliumhydroxid (der neutrale Komplex) ist amphoter, weil es mit einer Base und einer Säure reagieren kann. In jedem Fall werden den Wassermolekülen entweder Wasserstoffionen entzogen oder ersetzt.
Warum geschieht dies nicht mit Calciumhydroxid?
Calciumhydroxid ist wirklich ionisch – und enthält einfache Hydroxidionen, OH-. Diese reagieren mit Wasserstoffionen aus einer Säure zu Wasser – und so reagiert das Hydroxid mit Säuren.
Es gibt jedoch keine Entsprechung zum neutralen Komplex. Wenn man mehr Hydroxidionen aus einer Base hinzufügt, hat das keine Wirkung, weil sie nichts haben, womit sie reagieren können.