Schneiden der Alkalimetalle und Autoxidation

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1 Reaktionsgleichungen 4 Li s + O 2 g 2 Li 2 O s 2 Na s + O 2 g Na 2 O 2 s K s + O 2 g KO 2 s Zeitbedarf Vorbereitung: 1 min. Durchführung: 10 min. Nachbereitung: 1 min. Chemikalienliste Edukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Schuleinsatz Lithium Li (s) 14/ F, C S1 Natrium Na (s) 14/ F, C S1 Kalium K (s) 14/ F, C LV Hauptprodukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Schuleinsatz Lithiumoxid Li 2 O (s) /37/39-45 C S1 Natriumperoxid Na 2 O 2 (s) O, C S1 Kaliumhyperoxid KO 2 (s) /37/39-45 O, C S1 Lithiumhydroxid LiOH (s) /37/39-45 C S1 Natriumhydroxid NaOH (s) S1 Kaliumhydroxid KOH (s) /37/39-45 Xi S1 Gefahrensymbole Materialien und Geräte Pinzette, Messer, Filterpapier

2 Versuchsaufbau Abb. 1: Versuchsaufbau mit Lithium Durchführung Augenschutz Schutzhandschuhe Schutzkleidung Ein Stück Lithium wird aus der Aufbewahrungsflasche genommen und auf einem Filterpapier durchgeschnitten. Dann wird es so platziert, dass die Schnittflächen gut zu sehen sind. Nun werden die beiden Stücke beobachtet, bis sich eine deutliche Veränderung zeigt. Genauso verfährt man mit einem Stück Natrium und einem Stück Kalium. Beobachtungen Das Lithium lässt sich relativ schwer zerteilen, das Natrium deutlich leichter und das Kalium lässt sich wie Butter schneiden. Die frischen Schnittflächen sind jeweils silbrig glänzend. Beim Lithium färben sie sich an der Luft innerhalb von ca. 15 Minuten schwarz. Auf den Schnittflächen des Natriums hat sich bereits nach ca. 5 Minuten eine matt-weiße bis graue Schicht gebildet. Beim Kalium ist direkt nach dem Zerteilen ein Teil der Schnittflächen dunkelgrau verfärbt. Der Rest ist nach ca. 60 Sekunden matt-grau. Abb. 2: Lithium Abb. 3: Natrium Abb. 4: Kalium

3 Entsorgung Die Stücke der Alkalimetalle werden in ihre jeweiligen Aufbewahrungsgefäße zurück gegeben. Fachliche Analyse Die Alkalimetalle stehen im Periodensystem der Elemente (PSE) in der ersten Gruppe und gehören zu den Metallen. Die Atome der Metalle besitzen relativ niedrige Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten. Dies bedingt, dass sie ihre Valenzelektronen sehr leicht abgeben. Die so entstehenden Ionen eines Metall (M x+ ) bilden einen Kristall, in welchem die abgegebenen Elektronen eine Art Gas (Elektronengas) bilden, welches sich frei durch den Kristall bewegen kann. Dieses Elektronengas hält mit seiner negativen Ladung die positiv geladenen Metall-Kationen zusammen. Die Atome der Alkalimetalle besitzen jeweils nur ein Valenzelektron, welches sie an das Elektronengas abgeben können. Daher entwickeln sie auch nur schwache Bindungskräfte in ihrem jeweiligen Kristall, im Gegensatz z.b. zu den Erdalkalimetallen. Diese besitzen zwei Valenzelektronen und können dadurch stärkere Bindungen aufbauen. Aufgrund dieser schwachen Bindungskräfte sind die Alkalimetalle sehr weiche Metalle. Ihre Ionen bzw. Atome lassen sich sehr leicht voneinander trennen, so dass man Lithium, Natrium und Kalium mit einem Messer schon durch einfachen Druck zerteilen kann, d.h. man muss nicht einmal wirklich schneiden. Auch ist es möglich, sie in der Hand sehr leicht zu verformen bzw. zu zerdrücken. Dabei sinkt die Härte ausgehend vom Lithium mit steigender Atommasse immer weiter ab. Dies liegt an der sinkenden polarisierenden Wirkung der Ionen aufgrund des ansteigenden Ionenradius. Die Veränderungen auf den frischen Schnittflächen der Alkalimetalle sind auf den Kontakt mit der Luft zurückzuführen. Dabei kommt es vor allem zu Reaktionen mit dem Luftsauerstoff. Diese Reaktionen laufen, im Gegensatz zur Reaktion mit Sauerstoff bei einer Verbrennung, freiwillig und ohne äußere Energiezufuhr ab (Autoxidation). Lithium bildet dabei das einfache Oxid, Natrium ein weißes Peroxid und Kalium ein Hyperoxid: 4 Li s + O 2 g 2 Li 2 O s 2 Na s + O 2 g Na 2 O 2 s K s + O 2 g KO 2 s Des Weiteren reagieren die Metalle mit dem in der Luft enthaltenen Wasser zu einem Alkalimetallhydroxid und setzen dabei Wasserstoffgas frei. Diese Reaktionen laufen bei allen Alkalimetallen auf die gleiche Weise ab: 2 M (s) + 2 H 2 O (g) 2 MOH (s) + H 2 (g)

4 Auch der Stickstoff, welcher in großen Mengen in der Luft enthalten ist, kann an den Reaktionen beteiligt sein. Dabei entstehen Nitride, welche im Falle des Lithiums eine rote Färbung aufweisen sollen. Allerdings konnte dies im Versuch nicht beobachtet werden. 6 Li (s) + N 2 (g) 2 Li 3 N (s) Bei genauem Hinsehen sind an den frischen Schnittflächen manchmal auch bunte Schlieren zu erkennen. Die Wissenschaft ist sich heute darüber einig, dass diese vermutlich durch die Bildung von Suboxiden hervorgerufen werden. Methodisch didaktische Analyse Einordnung Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema Ordnung in der Vielfalt, Atombau und Periodensystem und in das Unterthema 2.4 Alkalimetalle einzuordnen. Die Schüler sollen dabei die Eigenschaften der Alkalimetalle kennenlernen, zu denen auch die außergewöhnliche Weichheit und die Autoxidation zählen. Ebenfalls einsetzbar ist der Versuch bereits in der Jahrgangsstufe 7G.2 im Thema Stoffe werden verändert, Die chemische Reaktion, als Unterpunkt bei 2.1 Einführung in die chemische Reaktion. Hier sind Reaktionen von Metallen mit Luft (Sauerstoff) und die Bildung von Oxiden genannt. Als Vorwissen sollten die Schüler ungefähr über die Bestandteile der Luft Bescheid wissen, um abzuschätzen, welche Reaktionen hier ablaufen könnten. Sie können aber auch mithilfe dieses Versuchs auf die Spur der Bestandteile geführt werden, da dies im gleichen Themengebiet der 7G.2 besprochen wird. Aufwand Der Materialien- und Chemikalienaufwand ist sehr gering und es sollte alles in einem Schullabor vorrätig sein. Allerdings muss man etwas Zeit einplanen, da vor allem die Reaktionen auf der Lithiumschnittfläche etwas länger dauern können. Durchführung Der Versuch funktioniert gut und die Effekte sind gut zu sehen. Aber die Durchführung sollte besser im Live-Experiment erfolgen, wobei die Schüler selbst das Lithium und das Natrium schneiden können, um so auch deren Weichheit zu erkennen. Mit Kalium dürfen sie leider nicht arbeiten.

5 Fazit Ein schöner Versuch, der die Weichheit der Alkalimetalle sowie die Fähigkeit zur Autoxidation zeigt. Allerdings kann es vor allem beim Lithium sehr lange dauern, bis der gewünschte Effekt gut zu sehen ist. Literaturangaben Versuchsquelle - Sekundärliteratur [1] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G bis 12G Zu finden unter URL: Letzter Zugriff am [2] Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Seite, 1260, , stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. [3] Mortimer, C. E. (2001). Chemie Das Basiswissen der Chemie. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag. [4] Unfallkasse Hessen, Hessisches Kultusministerium. Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version /2009.

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