Eigenschaften der Elemente der 1. Gruppe

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1 Eigenschaften der Elemente der 1. Gruppe

2 1. Gruppe (Alkalimetalle) Li, Na, K, Rb, Cs, (Fr) Elektronenkonfiguration: ns 1 reagieren mit H 2 O: M + H 2 O MOH + ½ H 2 reagieren mit H 2 : M + ½ H 2 MH reagieren mit O 2 : Li 2 O Na 2 O 2 KO 2 Li reagiert mit N 2 : 3 Li + ½ N 2 Li 3 N Charakteristische Flammenfärbung: Li karminrot Na gelb K violett Rb rötlich violett Cs bläulich violett

3 (Fajanssche) Schrägbeziehung Ähnlichkeit der Eigenschaften Li Be (B) (C) Mg Al (Si) (P) Grund: ähnliche Ladungsdichte der Ionen (Ladungsdichte = Ladung / Oberfläche) Zum Beispiel: Li und Mg bilden Nitride Li 2 CO 3 und MgCO 3 zersetzen sich leicht beim Erhitzen Li + und Mg 2+ sind in wässriger Lösung stärker hydratisiert als die höheren Homologen LiF und MgF 2 sind in H 2 O schlecht löslich usw.

4 Vorkommen: Alkalimetalle Li als Begleiter von Na und K; Spodumen [LiAl][Si 2 O 6 ] (Kettensilicat), Lepidolith (Schichtsilicat) Na K Steinsalz NaCl; Chilesalpeter NaNO 3 ; Natronfeldspat Na[AlSi 3 O 8 ] und andere Silicate; als NaCl im Meerwasser (ca. 3%) Sylvin KCl Carnallit KCl.MgCl 2.6H 2 O Kainit KCl.MgSO 4.3H 2 O Kalifeldspat K[AlSi 3 O 8 ] K-Salze in den Abraumsalzen Rb, Cs als Begleiter des K In der Natur: 40 K (0,001%), 87 Rb (28%)

5 Alkalimetalle Herstellung: Li durch Schmelzflusselektrolyse von LiCl (+KCl) Na K durch Schmelzflusselektrolyse von NaCl (+CaCl 2 ) bei ca. 600 C (Fp.(NaCl = 808 C) (Downs-Verfahren; ca. 11 kwh / kg Na) durch Reduktion von geschmolzenem KCl mit Na bei ca. 850 C Rb, Cs durch chemische Reduktion aus verschiedenen Verbindungen; z.b.: Cs 2 Cr 2 O Zr 2 Cs + 2 ZrO 2 + Cr 2 O C Hochvak.

6 Downs-Verfahren Kathode: 2 Na e - 2 Na (l) Anode: 2 Cl - Cl 2 (g) + 2 e - gesamt: 2 Na Cl - 2 Na (l) + Cl 2 (g) 2 NaCl (l) Schematisch:

7 Alkalimetalle phys. u. chemische Eigenschaften: weich; geringe Dichte; gute elektrische Leitfähigkeit; kristallisieren kubisch raumzentriert; Standardpotentiale stark negativ (unedel) negativer von Na Cs (Ausnahme Li, am negativsten, d.h. am unedelsten) Metalle sind silberweiß, laufen an feuchter Luft aber an: MOH viele Lithiumsalze sind hygroskopisch (Grund: kleiner Radius, hohe Ladungsdichte, stark negative Hydratationsenthalpie; zum Vergleich: Δ hydr H(Li + ) = -519 kj mol -1 Δ hydr H(Na + ) = -406 kj mol -1 ) NH 4 + hat ähnlichen Ionenradius wie K + und Rb +, daher viele NH 4+ -Verbindungen ähnlich den K + -Verbindungen

8 Alkalimetalle Verwendung der Elemente: Li Na Cs Li-Batterien; Li-Al, Li-Mg Legierungen (Flugzeugbau) Na-Dampflampen; flüssiges Na (bzw. Na-K Legierungen) in Wärmeaustauschern (Kernkraftwerke, Solarkraftwerke; Verbrennungsmotoren); Na zur Herstellung von Na 2 O 2, NaNH 2, NaH, NaCN, NaN 3 (Airbags); (Pb(C 2 H 5 ) 4 ); Na als Reduktionsmittel (Herstellung von Ti, Ta, Hf) Na/S-Batterien für Photozellen; ( 137 Cs in der Medizin)

9 Alkalimetalle / Verbindungen Hydride kristallisieren im NaCl-Gitter -I LiH (Fp: 686 C) in etherischer Lösung: 2 Li + H 2 2 LiH LiH + H 2 O LiOH + H 2 4 LiH + AlCl 3 3 LiCl + LiAlH 4 4 LiH + BF 3 3 LiF + LiBH 4 NaH -I + I Reduktionsmittel! 600 C (Lithiumhydridoaluminat = Lithiumalanat ) (Lithiumhydridoborat = Lithiumboranat ) wichtige Reduktions- und Hydrierungsmittel! 400 C 2 Na + H 2 2 NaH 300 C

10 Lithiumhydrid in H-Bomben ca. 100 kg D 2 + ca. 150 kg T 2 + normale Atombombe H-Bombe (20 Megatonnen TNT) 2 H + 3 H 4 He + 1 n (D) (T) Verwendung von 6 Li 2 H ( = LiD) wegen: Li + 1 n 3 H ( = T) + 4 He

11 Alkalimetalle / Verbindungen Halogenide kristallisieren im NaCl-Gitter (außer CsCl, CsBr, CsI) LiCl NaCl löslich in Ethanol Kochsalz bzw. Steinsalz Gewinnung: a) bergmännisch (Steinsalzlager) b) aus Meerwasser (insges. ca. 180 Mio t pro Jahr) industriell wichtigste Na-Verbindung, zur Herstellung von: Na, Na 2 CO 3, NaOH, Wasserglas (Na 4 SiO 4 ), Cl 2, HCl, reines NaCl ist nicht hygroskopisch! KCl NH 4 Cl wichtigstes Kaliumsalz Salmiak (sublimiert leicht)

12 Alkalimetalle / Verbindungen Sauerstoff-Verbindungen M + O 2 Li 2 O Na 2 O 2 KO 2, RbO 2, CsO 2 Oxide: M 2 O [ I O I ] 2 Li 2 O direkt: Na 2 O Na 2 Na 2 O 2 Li + ½ O 2 Li 2 O Peroxide: M 2 O 2 [ I O O I ] 2 Na 2 O 2 direkt: 2 Na + O 2 Na 2 O 2 (verwendet als Bleichmittel) Li 2 O 2 industriell aus LiOH H 2 O + H 2 O 2 mit Säure H 2 O 2, z.b. M 2 O H + 2 M + + H 2 O 2 ( H 2 O + ½ O 2 ) mit CO 2 O 2, z.b. Na 2 O 2 + CO 2 Na 2 CO 3 + ½ O 2 (in der Raumfahrt Li 2 O 2 ) -II -I

13 Alkalimetalle / Verbindungen Sauerstoff-Verbindungen Hyperoxide: MO 2 [ I O O I ] paramagnetisch! KO 2, RbO 2, CsO 2 direkt 450 C Na + O 2 NaO bar -½ -1/3 Ozonide: MO 3 [ O O O ] M = Na, K, Rb, Cs paramagnetisch! 3 MOH(s) + 2 O 3 (g) 2 MO 3 (s) + MOH H 2 O(s) + ½ O 2 (g) Suboxide: z.b.: Cs 7 O, Cs 4 O, Cs 11 O 3, Cs 3+x O Rb 6 O, Rb 9 O 2 (z.t. metallische Eigenschaften!)

14 Alkalimetalle / Verbindungen Hydroxide leicht wasserlöslich starke Basen! Basenstärke nimmt mit Ordnungszahl zu (NH 4 OH ist eine schwache Base) NaOH ( Ätznatron ): Herstellung durch (a) Chloralkali-Elektrolyse (b) Kaustifizierung von Soda (dzt. nur historisch) Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2 NaOH + CaCO 3 KOH ( Ätzkali ): Herstellung durch Chloralkali-Elektrolyse

15 Alkalimetalle / Verbindungen Sulfate Na 2 SO 4 : Herstellung z.b. als Nebenprodukt bei der HCl-Erzeugung 2 NaCl + H 2 SO 4 Na 2 SO HCl Gleichgewicht: Na 2 SO 4 10 H 2 O ( Glaubersalz ) 32 C Na 2 SO H 2 O ( Thenardit ) Verwendung in der Glas-, Papier- und Textilindustrie (Abführmittel!) K 2 SO 4 : (NH 4 ) 2 SO 4 : Düngemittel Düngemittel z.b. durch 2 NH 3 + H 2 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4

16 Alkalimetalle / Verbindungen Carbonate Na 2 CO 3 ( Soda ): (40 Mio t/a, 70% synthetisch) 32 C 35 C Na 2 CO 3 10 H 2 O Na 2 CO 3 7 H 2 O Na 2 CO 3 H 2 O ( Kristallsoda ) Na 2 CO 3 Darstellung: Solvay-Verfahren ( = Ammoniak-Soda-Verfahren) 50 C 2 x ( NaCl + NH 3 + CO 2 + H 2 O NaHCO 3 + NH 4 Cl ) 2 NaHCO 3 Δ Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O CaCO 3 Δ CaO + CO 2 wässrige Lösung reagiert alkalisch: CO H 2 O HCO 3 + OH Verwendung: Glasindustrie (50%), Wasserglas, Waschmittel (Wasserenthärtung) 2 NH 4 Cl + CaO 2 NH 3 + H 2 O + CaCl 2 2 NaCl + CaCO 3 Na 2 CO 3 + CaCl C

17 Alkalimetalle / Verbindungen Carbonate NaHCO 3 ( Speisesoda ): Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2 NaHCO 3 reagiert leicht basisch: HCO 3 + H 2 O H 2 CO 3 + OH Verwendung: Brausepulver, Backpulver (NaHCO 3 + Ca(H 2 PO 4 ) 2 bzw. NaH 2 PO 4 ), Medizin ( Bullrichsalz ) K 2 CO 3 ( Pottasche ): (geht nicht über Solvay-Verf.!) durch Carbonisierung von KOH, d.h. 2 KOH + CO 2 K 2 CO 3 + H 2 O Verwendung für Schmierseifen, Kaligläser, (NH 4 ) 2 CO 3 : 2 NH 3 + CO 2 + H 2 O (NH 4 ) 2 CO 3 zersetzt sich an der Luft -NH 3 (NH 4 ) 2 CO 3 NH 4 HCO 3 NH 3 + CO 2 + H 2 O (als Hirschhornsalz in Backpulvern) Δ

18 Nitrate Alkalimetalle / Verbindungen NaNO 3 ( Chilesalpeter ) KNO 3 ( Salpeter ): Darstellung (a) ( Konversionssalpeter ) NaNO 3 + KCl KNO 3 + NaCl reziprokes Salzpaar (b) 2 HNO 3 + K 2 CO 3 2 KNO 3 + H 2 O + CO 2 Verwendung als Düngemittel, im Schwarzpulver (KNO 3 + C + S) NH 4 NO 3 ( Ammonsalpeter ): NH 3 + HNO 3 NH 4 NO 3 vorsichtige thermische Zersetzung: Δ NH 4 NO 3 N 2 O + 2 H 2 O Verwendung als Stickstoffdünger (im Gemisch), für Sprengstoffe, in der Pyrotechnik

19 Salpeter zur Herstellung von Schwarzpulver Ausblühung von Salpeter an der Kellerwand einer alten Mühle; außerhalb hatte sich früher an dieser Stelle die Jauchegrube eines Pferdestalls befunden. Salpetergärten Gewinnung von Salpeter

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22 Kaliumhaltige Düngemittel KNO 3 KCl Carnallit (KCl MgCl 2 6 H 2 O) Kainit (KCl MgSO 4 3 H 2 O) K 2 SO 4 Schönit (K 2 Mg(SO 4 ) 2 6 H 2 O) allerdings meist in Form von Mischdüngern: Kaliammonsalpeter KNO 3 + NH 4 Cl Nitrophoska (NH 4 ) 2 SO 4 + KNO 3 + (NH 4 ) 2 HPO 4 Hakaphos Harnstoff + KNO 3 + (NH 4 ) 2 HPO 4