Alkalimetalle. 1.1 Lithium (Li) (lithos (griech.) = Stein; Entdecker: Johan August Arfvedson, 1817) [1, 2]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie: Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2010/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Knoch, Franziska; Bauer, Marina Alkalimetalle Das Wort alkali leitet sich vom Arabischen al kalja ab. Dies bedeutet so viel wie aus Asche von See- und Strandpflanzen ausgelaugte Soda (Na 2 CO 3 ). [1] 1. Vorkommen und Verwendung [1] 1. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE): Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs) und Francium (Fr) am Aufbau der Erdrinde einschließlich der Luft- und Wasserhülle beteiligt: Li (2 x 10-3 Gew.-%), Na (2,7 Gew.-%), K (2,4 Gew.-%), Rb (9 x 10-3 Gew.-%), Cs (3 x 10-4 Gew.-%), Fr (1, 3 x Gew.-%) Gewichtsverhältnis: Li : Na : K : Rb : Cs : Fr entspricht 7 : 9000 : 8000 : 30 : 1 : Lithium (Li) (lithos (griech.) = Stein; Entdecker: Johan August Arfvedson, 1817) [1, 2] in Mineralien z. B. Amblygonit: (Li, Na) Al (F, OH) [PO 4 ], Triphylin: Li (Fe II, Mn II ) [PO 4 ], Spodumen (Triphan): LiAl [SiO 3 ] 2, Lepidolith (Lithionglimmer): (K, Li) {(Al 2 (OH, F) 2 [AlSi 3 O 10 ]}, Petalit (Kastor): LiAl [Si 2 O 5 ] 2, Kryolithionit: Li 3 Na 3 [AlF 6 ] 2 in der Metallurgie zur Raffination von Metallschmelzen, Synthese von lithiumorganischen Verbindungen, Legierungsbestandteil, Lithiumakkumulatoren und -batterien 1.2 Natrium (Na) (netjerj (ägyptisch) = Soda; Entdecker: Humphry Davy, 1807) [1, 3] in Mineralien z. B. Natronfeldspat (Albit): Na[AlSi 3 O 8 ], Steinsalz: NaCl, Chilesalpeter: NaNO 3, Soda: Na 2 CO 3, Glaubersalz: Na 2 SO 4, Kryolith: Na 3 [AlF 6 ], Oligoklas: (Na,Ca)Al(Si,Al) 3 O 8, Salzlagerstätten (v. a. NaCl) und Meerwasser meistbenötigtes Alkalimetall, flüssiges Kühlmittel in Kernreaktoren, Natriumdampf- Entladungslampen, Trockenmittel für organische Lösungsmittel, kräftiges Reduktionsmittel, Darstellung von Natronlauge (NaOH), Natriumperoxid (Na 2 O 2 ) (Bleichmittel), Natriumhydrid (NaH), Natriumcyanid (NaCN) und Natriumamid (NaNH 2 ) 1

2 1.3 Kalium (K) ( Kali von al qalya (s. o.); Entdecker: Humphry Davy, 1807) [1, 4] in Mineralien z. B. Kalifeldspat: K[AlSi 3 O 8 ], Kaliglimmer (Muskovit): KAl 2 (OH, F) 2 [AlSi 3 O 10 ], Phlogipit: KMg 3 (OH,F) 2 [AlSi 3 O 8 ], Kaliumchlorid (Sylvin): KCl, Sylvinit: (KCl NaCl), Carnallit: (KCl MgCl 2 6 H 2 O), außerdem geringe Vorkommen im Meerwasser Na-K-Legierungen als Kühlflüssigkeit in Kernreaktoren, Herstellung von Glühlampenwendeln (Dotierung von Wolframdrähten), Trockenmittel für organische Lösungsmittel, Darstellung von Kaliumhyperoxid (KO 2 ), Kaliumverbindungen in Düngemitteln, Alkaliphotozellen 1.4 Rubidium (Rb) (rubidus (lat.) = tiefrot; Entdecker: Robert Bunsen, Gustav Kirchoff, 1861) [5-8] in kleiner Konzentration in einigen Mineralien wie Leucit (K[AlSi 2 O 6 ]), Pollucit ((Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 H 2 O) und Zinnwaldit (KLiFeAl(AlSi 3 )O 10 (F,OH) 2 ) ersetzt Natrium oder Kalium Wichtigste Verwendungen Hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung eingesetzt 1.5 Cäsium (Cs) (caesius (lat.) = himmelblau; Entdecker: Robert Bunsen, Gustav Kirchoff, 1861) [9] Seltenes Begleitelement in Alkalimetallsalzen, häufigstes Cäsiummineral: Pollucit: ((Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 H 2 O) wichtigste Verwendungen vorwiegend in der Forschung, Antriebsmittel in Ionenantrieben (Raumfahrt) 1.5 Francium (Fr) (Entdeckerin: Marguerite Perey, 1939; Element benannt nach dem Vaterland [10]) in der Natur nur in geringsten Spuren in Uranerzen wie in der Pechblende (Uraninit: UO 2 ) als Zwischenprodukt der Uran-Actinium-Zerfallsreihe wichtigste Verwendungen aufgrund der geringen Halbwertszeit (t ½ ( 222 Fr) = 14, 2 min, t ½ ( 223 Fr) = 21,8 min) und des geringen Vorkommens momentan keine technischen Anwendungen 2. Versuche 2.1 Versuch 1: Flammenfärbung [1, 11-13] Chemikalien: Lithiumchlorid (LiCl), Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl), Rubidiumchlorid (RbCl), Cäsiumchlorid (CsCl), konzentrierte Salzsäure (konzentrierte HCl) Geräte/Materialien: Bunsenbrenner, Tüpfelplatte, Spatel, Magnesiastäbchen Durchführung/Beobachtung: Auf ausgeglühten Magnesiastäbchen werden kleine Mengen der Alkalisalze in die nichtleuchtende Bunsenbrennerflamme gehalten und die jeweilige charakteristische Flammenfärbung beobachtet. 2

3 Tab. 1 Charakteristische Flammenfärbung der Alkalimetalle: [1] Element Li Na K Rb Cs Flammenfärbung rot gelb rotviolett violett blau Auswertung/Erklärung: Elektronen werden thermisch angeregt und auf ein höheres Energieniveau angehoben. Beim Zurückfallen in den Grundzustand wird Energie in Form von Licht frei. Das Licht wird für das jeweilige Element in einer bestimmten Wellenlänge emittiert, daraus resultiert die charakteristische Flammenfärbung. 2.2 Versuch 2: Reaktion von Natrium mit Wasser ( Pink Panther ) [13, 14] Chemikalien: Natrium (unter Paraffinöl), Phenolphthalein (Indikator), Spülmittel, Wasser Geräte/Materialien: große Kristallisierschale, Glasstab, Pinzette, Messer, Küchenpapier, Overhead- Projektor Durchführung/Beobachtung: Kristallisierschale (auf dem Overhead-Projektor) mit Wasser befüllen und wenige Tropfen Spülmittel und einige Spritzer Phenolphthalein zugeben. Ein kleines Stück Natrium wird nach vorsichtigem Abtupfen abgeschnitten und in die Kristallisierschale gegeben. Das Natriumstück saust auf der Wasseroberfläche und zieht eine rosa Spur hinter sich, zudem bildet sich ein Gas. Auswertung/Erklärung: Hierbei handelt es sich um eine Redox-Reaktion: Oxidation.: Na Na + + e - x2 Reduktion: 2 H 2 O + 2 e - H OH - Redoxreaktion.: 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 Hydroxidionen entstehen und deshalb verändert der Indikator seine Farbe von farblos nach pink (vgl. Pink Panther ). 2.3 Versuch 3: Fällung von Lithiumphosphat [2, 15] Chemikalien: Diammoniumhydrogenphosphat [(NH 4 ) 2 HPO 4 ], Lithiumchlorid (LiCl), destilliertes Wasser, Natriumhydroxid (NaOH) Geräte/Materialien: Reagenzgläser, Spatel, Reagenzglasständer Durchführung/Beobachtung: Zu einer Lösung von LiCl und destilliertem Wasser gibt man eine (NH 4 ) 2 HPO 4 -Lösung. Dabei entsteht ein weißer Niederschlag. Auswertung/Erklärung: 3 Li + + HPO OH - Li 3 PO 4 + H 2 O Es bildet sich das in Wasser schwerlösliche Lithiumphosphat. Falls kein weißer Niederschlag auftritt, kann noch etwas Base hinzugegeben werden ( OH - -Ionen). 3

4 Der weiße Niederschlag ist jedoch nur ein Hinweis auf Lithium-Ionen, zur Sicherheit kann die Flammenfärbung überprüft werden. 3. Eigenschaften der Alkalimetalle [16] Tab. 2 Tendenzen im Periodensystem der Elemente [16] Alkalimetall relative Atommasse Schmelzpunkt (K) Siedepunkt (K) Dichte (g/cm 3 ) Elektronegativität (Pauling) Lithium 6, ,534 0,98 Natrium 22, ,968 0,93 Kalium 39, ,89 0,82 Rubidium 85, ,532 0,82 Cäsium 132, ,93 0,79 Francium (223) ,87 0,70 Trend innerhalb der Gruppe von oben nach unten: o Zunahme der Reaktivität o Zunahme der Basizität o Abnahme der Ionisierungsenergie o Abnahme der Härte Die Größe des Atoms wird weitgehend durch die Elektronenschalen bestimmt. Nach Besetzen einer neuen Schale wird die gesamte Elektronenhülle des Atoms größer. Die Protonen im Kern ziehen aber Elektronen in der Schale an. Deswegen wird der Atomradius innerhalb einer Periode kleiner. Da bei den Alkalimetallen gerade eine neue Schale besetzt wird (1. Hauptgruppe) und die Kernladung relativ gering ist, resultiert ein großer Atomradius. Ionisierungsenergie: Um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen, müssen die Alkalimetalle ein Elektron abgeben (Edelgaskonfiguration). Durch den großen Atomradius und die geringe Kernladung wird die leichte Abgabe begünstigt. Farbe: silberweiß, Ausnahme: Cäsium (Goldton) 4. Lehrplanbezug Realschule [17-21] Wahlpflichtfächergruppe I (Schwerpunkt: mathematisch-naturwissenschaftlichtechnischer Bereich): o Kapitel 9.2 Redoxreaktionen: Alkalimetalle und Halogene: Hier können die Flammenfärbung und das Reaktionsverhalten mit Wasser besprochen werden, aber auch die Fällungsreaktion kann gezeigt werden. o Kapitel 9.3 Säuren und Basen: Anhand der Reaktion von Natrium mit Waser kann die Basenherstellung gezeigt werden. Wahlpflichtfächergruppen II (Schwerpunkt: wirtschaftlicher Bereich), III a (Schwerpunkt: zweite Fremdsprache Französisch) und III b (Schwerpunkt: musischgestaltend oder hauswirtschaftlich oder sozialer Bereich): o Kapitel 9.8 Säuren und Laugen: Hier findet die Reaktion von Natrium mit Wasser zur Basenherstellung Anwendung. 4

5 5. Literatur [1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie; 102. Auflage; W. de Gruyter-Verlag; Berlin, New York; 2007; S. 1259, 1260, 1270, 1271, 1274 [2] (Seite aktuell am ) [3] (Seite aktuell am ) [4] (Seite aktuell am ) [5] (Seite aktuell am ) [6] [7] [8] [9] (Seite aktuell am ) [10] (Seite aktuell am ) [11] (Seite aktuell am ) [12] G. Jander, E. Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie; 10. Auflage; S. Hirzel-Verlag; Stuttgart; 1995; S. 376, 378, 387 [13] H. Keune, W. Filbry: Chemische Schulexperimente, Band 2, Anorganische Chemie, Verlag Harri Deutsch Thun, Frankfurt /M., 1978, S , S. 65 [14] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie; 101. Auflage, W. de Gruyter-Verlag; Berlin, New York; 1995; S [15] H. J. Roth, G. Blaschke; Pharmazeutische Analytik; 3. überarbeitete Auflage; G. Thieme-Verlag; Stuttgart, New York; 1989; S. 27 [16] (Seite aktuell am ) [17] 27dd, Lehrpläne Jahrgangsstufe 9 (Seite aktuell am ) [18] [19] [20] [21] 5