Alkalimetalle. 2. Betrachtung der Elemente der I. Hauptgruppe [1]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie: Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2011/ Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: N. Achtenberg und K. Winter Alkalimetalle 1. Allgemeines [1] Die Gruppe der Alkalimetalle besteht aus folgenden Elementen: Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs) und Francium (Fr). Sie befinden sich in der I. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Das Wort Alkali leitet sich ab vom arabischen Wort al kalja, was ausgelaugte Soda (Na2CO3) bedeutet. 2. Betrachtung der Elemente der I. Hauptgruppe [1] Die Alkalimetalle haben im Vergleich zu den zweiwertigen Erdalkalimetallen größere Weichheit, niedrigere Schmelzpunkte, niedrigere Siedepunkte, kleinere Dichten, größere Atomradien. Sie haben in den äußersten Schalen nur ein Valenzelektron, deswegen sind sie bestrebt, dieses Elektron abzugeben und damit Edelgaskonfiguration zu erreichen, was zu einer hohen Reaktionsfähigkeit führt. Innerhalb der Hauptgruppe nimmt die Reaktivität von oben nach unten mit steigender Atommasse zu. Alle Alkalimetalle reagieren mit Sauerstoff. Die Reaktionen laufen aber unterschiedlich ab. a) 4 Li + O2 2 Li2O (Lithiumoxid) b) 2 Na + O2 Na2O2 (Natriumperoxid) c) Kalium, Rubidium, Cäsium: Me + O2 MeO2 (Alkalihyperoxid) 2.1 Lithium (Li) [1] im gebundenen Zustand häufig als Begleiter des Natriums und Kaliums verbreitete Mineralien: Amblygonit (Li, Na)Al(F,OH)[PO4], Spodumen LiAl[SiO3]2, Kryolithionit Li3Na3[AlF6]2 etc. Raffination von Metallschmelzen Legierungsbestandteil (verleiht dem Grundmetall große Härte und Beständigkeit) Lithiumbatterie (hohes Reduktionvermögen) 1

2 2.2 Natrium (Na) [1] 6. häufigstes Element der Erdrinde die meistverbreiteten Mineralien des Natriums sind: Natronfeldspat Na[AlSi3O8], Kalknatronfeldspat, Steinsalz NaCl kräftiges Reduktionsmittel Darstellung von Natriumperoxid Na2O2 (Bleichmittel) verflüssigtes Natrium als Kühlmittel in Kernreaktoren Natriumbatterien 2.3 Kalium (K) [1] 7. häufigstes Element der Erdrinde weitverbreitete Mineralien sind: Kalifeldspat K[AlSi3O8], Kaliglimmer KAl2(OH,F)2[AlSi3O10], Carnallit KMgCl3 6 H2O Herstellung von Kaliumhyperoxid KO2 Reduktionsmittel Kühlmittel in Kernreaktoren Düngemittel (Kaliumchlorid KCl, Carnallit KMgCl3 6 H2O, Kainit KMgCl(SO4) 3 H2O) 2.4 Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs) [1] Rb und Cs kommen in Begleitung der anderen Alkalimetallsalze in sehr geringen Konzentrationen vor. [2, 3] Rubidium und Cäsium sind hochreaktive Elemente und werden deshalb nur in geringerem Maß, vorwiegend in der Forschung, eingesetzt. 2.5 Francium (Fr) [1] Francium tritt nur in geringsten Spuren auf. [4] Gegenwärtig gibt es keine Verwendung für das radioaktive Element Francium, da die Isotope kurze Halbwertszeiten besitzen. 2

3 3. Versuche Versuch 1: Reaktion von Natrium mit Wasser [1, 5] Messer, Pinzette, Küchenrolle, große Kristallisierschale, Becherglas Chemikalien: Natrium (Na), Wasser (H2O), Phenolphthalein, Geschirrspülmittel, Petrolether Zu Beginn füllt man die Kristallisierschale mit Wasser auf, so dass die Schale zu ca. ¾ voll ist. Danach gibt man etwas Spülmittel und einige Tropfen Phenolphthalein in das Wasser zu. Im nächsten Schritt nimmt man mit der Pinzette Natrium aus der Flasche heraus und legt es auf ein Papiertuch. Anschließend schneidet man ein kleines Stückchen vom Natrium ab und entrindet es. Danach wird dieses mit Hilfe von Petrolether vom Lösungsmittel befreit. Zum Schluss legt man das Natriumstückchen auf die Wasseroberfläche. Beachte: Man gibt etwas Spülmittel in das Wasser zu, um die Oberflächenspannung des Wassers herabzusetzen. Natrium wird immer im Petroleum aufbewahrt, um eine schnelle Oxidation des Natriums zu vermeiden. Deshalb muss die Arbeit mit Natrium zügig vorangehen. Das Natrium flitzt schnell über die Wasseroberfläche, dabei hinterlässt es eine rosa Spur. Im Wasser entstehen kleine Gasbläschen. Das Natriumstück wird immer kleiner, bis es ganz verschwindet. Das Wasser färbt sich rosa. Erklärung: Natrium hat eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt deshalb auf der Oberfläche. Natrium reagiert heftig mit Wasser zu Natrium Kationen, dabei wird das Wasser zu Wasserstoff reduziert und es bilden sich Hydroxidionen. Durch die Abgabe eines Elektrons erreicht Natrium die Edelgaskonfiguration. Oxidation: 2 Na Reduktion: 2 H2O H2 Redoxreaktion: 2 Na + 2 H2O H2 Durch Zugabe des Indikators Phenolphthalein färbt sich Wasser rosa. Versuch 2: Flammenfärbung [1, 6] Tüpfelplatte, Pipette, Magnesiastäbchen, Bunsenbrenner, Spatel, Kobaltglas 3

4 Chemikalien: Lithiumchlorid (LiCl), Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), Rubidiumchlorid (RbCl), Cäsiumchlorid (CsCl), konzentrierte Salzsäure (HCl) Auf eine Tüpfelplatte gibt man mit Hilfe eines Spatels die benötigten Chemikalien. In eine Mulde gibt man konzentrierte Salzsäure. Zuerst wird ein Magnesiastäbchen ausgeglüht und in die Salzsäure getaucht. Danach nimmt man mit dem Stäbchen ein bisschen Festsubstanz auf und hält es in die Oxidationszone einer starken Bunsenbrennerflamme. Alkalimetalle und Alkalimetallsalze ergeben charakteristische Flammenfärbungen. Tab.1: Flammenfärbung der Alkalimetalle und Alkalisalze Li Na K Rb Cs karminrot gelb rot/violett rot blau Dabei muss beachtet werden, dass Rubidium und Cäsium dem Kalium ähnliche Flammenfärbungen haben. Die in der Tabelle genannten Farben lassen sich gut bei einer Spektralanalyse erkennen. Dabei hat Rubidium eine dunkelrote Spektrallinie und Cäsium eine himmelblaue. Erklärung: Das schwach gebundene Außenelektron wird thermisch in angeregte Zustände angehoben. Beim Übergang in den Grundzustand wird Licht bestimmter Wellenlängen emittiert. Versuch 3: Fällung von Kaliumionen mit Perchlorsäure (HClO4) [6] Reagenzglas, Pipette, Spatel Chemikalien: Kaliumchlorid (KCl), Perchlorsäure (HClO4, 60 %), Wasser 2 Spatel voll Kaliumchlorid werden im Reagenzglas mit etwas Wasser gelöst. Die Lösung wird danach mit wenigen Tropfen Perchlorsäure versetzt. Es fällt ein weißer Niederschlag aus. 4

5 Erklärung: KCl + HClO4 KClO4 + HCl Mit Perchlorsäure fällt schwerlösliches Kaliumperchlorat aus. 4. Lehrplanbezug [7] Das Thema Alkalimetalle ist in der Realschule, 9. Jahrgangsstufe Zweig I (mathematischnaturwissenschaftlicher Zweig) unter Ch 9.2 Redoxreaktionen verankert. In den Zweigen II (wirtschaftskundlicher Zweig) und III (fremdsprachlicher oder künstlerischer Zweig) werden die Alkalimetalle nicht extra behandelt. Sie können aber unter Ch 9.6 Atombau und Periodensystem aufgegriffen werden. 5. Literaturverzeichnis [1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, W. de Gruyter Verlag, Berlin, New York, 2007, S , 1263, , , 1283, 1285 [2] (Stand: ) [3] (Stand: ) [4] (Stand: ) [5] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: G. Czermak und T. Mauch; Alkalimetalle, , Sommersemester 2007, Regensburg, s. auch: [6] G. Jander, E. Blasius, Einführung in das anorganisch chemische Praktikum, 13. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2005, S. 185, [7] df0d84 d027dd (Stand: ) 5