1. Alkalimetalle. 1.1 Vorkommen. 1.2 Gruppeneigenschaften Gruppe. 1.3 Darstellung 1.4 Technische Verwendung. 1.5 Flammenfärbungen

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1 Gliederung 1.1 Vorkommen 1. Alkalimetalle 1.2 Gruppeneigenschaften Gruppe Ib bzw. IA 1.3 Darstellung 1.4 Technische Verwendung Flammenfärbungen Li 1.6 Löslichkeit der Salze Komplexe mit Kronenethern Na 1.8 Sauerstoffverbindungen Salze der xosäuren K 1.10 Biologische Aspekte 37 Rb 55 Cs 87 Fr Alkalimetalle Folie 1

2 1.1 Vorkommen Anteil am Aufbau der Erdkruste Li: %, Na: 2.7%, K 2.4%, Rb: %, Cs: % Lithium (lithos) LiAl[Si 3 ] 2 Spodumen: Kettensilikat griech.: Stein LiAl[Si 2 5 ] 2 Petalit (Kastor): Phyllosilikat Natrium (neter) NaCl Steinsalz ägypt.: Soda NaN 3 Chilesalpeter Na 2 S 4 Glaubersalz Na[AlSi 3 8 ] Natronfeldspat (Albit) Kalium (potasse) KCl Sylvin franz.: Pottasche KMgCl 3. 6H 2 Carnallit Rubidium (rubidus) griech.: tiefrot Begleiter der anderen Alkalimetalle Caesium (caesius) Begleiter der anderen Alkalimetalle griech.: himmelblau CsAl[Si 3 ] Pollux Folie 2

3 1.2 Gruppeneigenschaften Alle Elemente der Gruppe sind reaktive Metalle und kommen in der xidationsstufe +I vor Li Na K Rb Cs rdnungszahl Elektronen- [He] [Ne] [Ar] [Kr] [Xe] konfiguration 2s 1 3s 1 4s 1 5s 1 6s 1 Elektronegativität Ionisierungsenergie [ev] Ionenradius Me + für KZ 6 [pm] Schmelzpunkt T m [ C] Siedepunkt T b [ C] Dichte [g/cm 3 ] Flammenfärbung purpurrot gelb hellviolett rotviolett blauviolett Verbrennung der Metalle liefert je nach Kationengröße xide, Peroxide oder Hyperoxide Lithium bildet mit Stickstoff das Nitrid Li 3 N Der basische Charakter der Hydroxide nimmt mit steigender rdnungszahl zu Alle Alkalimetalle kristallisieren kubisch-raumzentriert (KZ 8) Folie 3

4 1.3 Darstellung Durch Schmelzflusselektrolyse oder durch chemische Reduktion mit extrem starken Reduktionsmitteln Lithium Schmelzflusselektrolyse von LiCl/KCl (Eutektikum) Li + + e - Li(l) (E 0 = V Lithium hat das negativste Standardpotential aller Elemente) Natrium Schmelzflusselektrolyse von NaCl (Downs-Zelle) Kathode: Na + (solv) + e - Na(s) Anode: 2 Cl - (solv) Cl 2 (g) + 2 e - Kalium Reduktion von geschmolzenem KCl mit Na Rubidium, Caesium Durch chemische Reduktion Cs 2 Cr 2 7 (s) + Zr(s) 2 Cs(g) + 2 Zr 2 (s) + Cr 2 3 (s) Folie 4

5 1.4 Verwendung Lithium Li-Salze spielen in der Medizin eine Rolle 6 Li 2 H bzw. 6 LiD dient als Kernsprengstoff in Fusionswaffen Legierungsbestandteil il zum Härten von Pb, Al und Mg Li-Ionenbatterien Natrium Wichtiges Reduktionsmittel Ausgangsmaterial zur Synthese von Na 2 2, NaNH 2, NaH, NaCN, Na/Pb.. Kühlmittel in schnellen Brutreaktoren Na-Nieder- und Na-Hochdruckgasentladungslampen ( nm) Kalium KCl, K 2 S 4 und KN 3 als Düngemittel Caesium Photoelektrischer Effekt Photozellen 137 Cs (t 1/2 = 30 a) ist ein ß-Strahler (512 kev) Strahlungsquelle in der Medizin Folie 5

6 1.5 Flammenfärbungen Thermische h Anregung von Elektronen kann zur Emission i von sichtbarem Licht führen und somit zu einer Flammenfärbung Element Flammenfärbung Li Purpurrot Na Gelb K Hellviolett np 1 Rb Rotviolett Cs Blauviolett T -h Ca Ziegelrot Sr Rot ns 1 Ba Fahlgrün B Grün Pb Fahlblau As Fahlblau Bei Alkalimetallen wird das äußerste Elektron ns Sb Fahlblau Cd Rot thermisch angeregt. Bei der Rückkehr in den Cu Grün bis blau Grundzustand wird ein Photon (h )miteiner Y Rot Energie, welcher der Energiedifferenz zwischen dem 1. angeregten Zustand und dem Grundzustand entspricht, emittiert. Energie Folie 6

7 1.6 Löslichkeit der Salze Die Löslichkeit it der Alkalimetallsalze li ll l wird vom Verhältnis r(k + )/r(a - )b bestimmt t Gleichgewichtsreaktion: LiI(s) + CsF(s) LiF(s) + CsI(s) Gitterenthalpie th i [kj/mol] H 0 = -140 kj/mol Löslichkeit der Alkalimetallfluoride und der iodide (r okt. (F - ) = 119 pm, r okt. (I - ) = 206 pm) ) bei 20 C Löslic chkeit (mol/l ,1 LiI LiF NaI NaF KF KI RbF RbI CsF CsI 0, r(kation) )(pm)in oktaedrischer di Koordination Schlecht lösliche Salze der großen Alkalimetalle (Me = K, Rb, Cs) sind solche mit großen Anionen: Perchlorate Tetraphenylborate MeCl 4 Me[B(C 6 H 5 ) 4 ] Hexanitrocobaltate Me 3 [Co(N 2 ) 6 ] Folie 7

8 1.7 Komplexe mit Kronenethern Die Löslichkeit it von Alkalimetallsalzen li ll l kann in organischen Lösungsmitteln durch Komplexbildner stark verbessert werden Kronenether Komplex des Kalium- ions mit 18-Krone-6 12-Krone-4 15-Krone-5 18-Krone-6 Diese cyclischen Polyether bilden mit Alkalimetallkationen sehr stabile Komplexe Alkalimetallsalze, wie z.b. KMn 4, lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln wie CHCl 3 (Trichlormethan), sobald man etwas Kronenether hinzufügt. Selbst elementares Na wird durch 18-Krone-6 unter Bildung von Na-Anionen(!) gelöst: 2 Na(s) + C H (l) H () [Na(C )] Na (s) Folie 8

9 1.8 Sauerstoffverbindungen Die gering polarisierenden i Alkalikationen lik stabilisieren i auch große Anionen, d.h. die Reaktion mit Sauerstoff ergibt, außer mit Lithium, Peroxide und Hyperoxide Mtll Metall Produkt der Reaktion mit 2 Magnetismus Farbe Li Li 2 diamagnetisch weiß Na Na 2 2 diamagnetisch weiß KRbCs K, Rb, K 2, Rb 2, Cs 2 paramagnetisch orange Alle Sauerstoffverbindungen reagieren heftig mit H 2 und bilden Hydroxide: Li 2 (s) + H 2 (l) 2 LiH(s) Na 2 2 (s) + 2 H 2 (l) 2 NaH(s) + H 2 2 (l) 2 K 2 (s) + 2 H 2 (l) 2 KH(s) + H 2 2 (l) + 2 (g) Reaktion mit C 2 ergibt Carbonate: Li 2 (s) + C 2 (g) Li 2 C 3 (s) 2Na 2 2 (s) + 2C 2 (g) 2Na 2 C 3 (s) + 2 (g) 4 K 2 (s) + 2 C 2 (g) K 2 C 3 (s) (g) K 2 C 3 (s) + H 2 (l) + C 2 (g) 2 KHC 3 (s) K 2 wird als C 2 und H 2-Absorber in Tauchgeräten eingesetzt Folie 9

10 1.8 Sauerstoffverbindungen zonide entstehen t bei ider Reaktion der Hyperoxide mit itzon 3 Synthese: 2 Me Me (Me = K, Rb, Cs) Zersetzung: 2 Me 3 2 Me (Me = K, Rb, Cs) Das 3- Anion besitzt 19 Valenzelektronen und ist demnach paramagnetisch!.. - Die Bindungsordnung der --Bindung beträgt 1.5 Folie 10

11 1.9 Salze der xosäuren Salze der Kohlensäure (Carbonate und Hydrogencarbonate) Me 2 C 3 2 Li + (aq) + C 2 (g) + H 2 (l) 2 H + (aq) + Li 2 C 3 (s) unlöslich Na 2 C 3 Soda K 2 C 3 Pottasche MeHC 3 2 NaHC 3 (s) Na 2 C 3 (s) + H 2 (l) + C 2 (g) Brause- und Backpulver Salze der Phosphorsäure (Phosphate, Hydrogenphosphate und Dihydrogenphosph.) Me 3 P 4 alkalische Salze Me 2 HP 4 MeH 2 P 4 saure Salze Salze der Salpetersäure (Nitrate) MeN 3 NaN 3 Chilesalpeter KN 3 Salpeter Salze der Schwefelsäure (Sulfate und Hydrogensulfate) Me 2 S 4 Na 2 S 4. 10H 2 Glaubersalz Abführmittel MeHS 4 saure Salze Folie 11

12 1.10 Biologische Aspekte Lithium i Behandlung von psychischen Erkrankungen (manische Depressionen) Li greift im Gehirn in den Stoffwechsel ein (Blockierung einer enzymatischen Umsetzung bei der Mg 2+ -Ionen eine Rolle spielen) Schrägbeziehung Li/Mg Natrium/Kalium Aufrechterhaltung von Membranpotentialen (~ 60 mv) mittels Konzentrationsgradienten von Na + und K + über der Zellmembran Signalleitung, Nierenfunktion Ionentransport erfolgt über Ionenkanäle Na + [mmol/l] K + [mmol/l] Na + Na + Rote Blutkörperchen Na + Blutplasma K + K + K + K + Na + Rubidium, Caesium Keine biologische Bedeutung K + K + K + K + Na + Na + Folie 12