Allgemeines
IMPP-Score: 0.9
Die Alkalimetalle und ihre chemische Reaktivität
Die Alkalimetalle bilden die 1. Hauptgruppe im Periodensystem und sind bekannt für ihre außergewöhnliche chemische Reaktivität. Zu dieser Gruppe gehören Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs) und Francium (Fr). Als angehende Chemikerinnen und Chemiker ist es entscheidend, die charakteristischen physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Elemente zu verstehen, als auch die Gründe für ihre hohe Reaktivität.
Physikalische Eigenschaften
Die korrespondierenden physikalischen Eigenschaften helfen uns, das Verhalten der Alkalimetalle vorherzusagen und sicher mit ihnen umzugehen.
Weichheit und niedrige Dichte
Eine der auffälligsten physikalischen Eigenschaften der Alkalimetalle ist ihre Weichheit. Tatsächlich können sie mit einem Messer geschnitten werden, was auf ihre geringe Härte zurückzuführen ist. Ein Faktor hierfür ist ihre geringe Dichte, die im Vergleich zu anderen Metallen niedrig ist.
Atomradius und Ionisierungsenergie
Wenn wir von oben nach unten in der Alkaligruppe schauen, sehen wir einen Anstieg des Atomradius. Die Ionisierungsenergie nimmt dagegen ab. Warum ist das so? Jedes nachfolgende Element hat eine Elektronenschale mehr als das vorhergehende, die dazu führt, dass die äußeren Valenzelektronen weiter vom Kern entfernt sind. Dies wiederum erleichtert die Ablösung dieser Elektronen, woraus sich eine niedriger werdende Ionisierungsenergie ergibt.
Chemische Eigenschaften
Reaktion mit Wasser
Die Reaktion 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ sollte fest im Gedächtnis verankert sein.
Die Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser ist eine der dramatischsten chemischen Reaktionen und wird besonders gerne vom IMPP abgefragt. Metallisches Natrium reagiert heftig mit Wasser unter Bildung einer Lauge – hier Natriumhydroxid (NaOH) – und die Freisetzung von Wasserstoffgas (H₂). Dies ist eine klassische Redox-Reaktion, bei der das Natrium das Elektron des Valenzelektrons an das Wasser abgibt (Oxidation) und somit der Wasserstoff im Wasser reduziert wird.
Flammenfärbung
Ein Merkmal von Lithium, das seine Einzigartigkeit innerhalb der Alkalimetalle unterstreicht, ist die charakteristische rote Flammenfärbung bei der Verbrennung seiner Verbindungen. Dieses Phänomen wird gerne genutzt, um Lithiumverbindungen qualitativ nachzuweisen.
Reaktionen mit anderen Elementen
Reaktionen mit Nichtmetallen
Alkalimetalle kommen aufgrund ihrer hohen Reaktivität in der Natur nicht elementar, sondern gebunden vor. Eine übliche Reaktion ist die mit Halogenen, wobei salzartige Halogenide entstehen. Ihre charakteristischen farblosen Kristalle sind typisch für die gebildeten Alkalihalogenide wie Natriumchlorid (NaCl).
Einzigartigkeit von Lithium
Lithium, als das leichteste Alkalimetall, zeigt einige abweichende Verhalten. Seine Ionisierungsenergie ist höher, die Wasserlöslichkeit seiner Salze geringer und es zeigt eine stärkere Basizität seiner Organometallverbindungen im Vergleich zu denen von Magnesium. Im IMPP wird oft genau auf solche Besonderheiten eingegangen, da sie ein tiefes Verständnis der Materie zeigen.
Gewinnung durch Schmelzflusselektrolyse
Die Schmelzflusselektrolyse ist ein häufig verwendetes Verfahren zur Gewinnung von metallischem Natrium aus Natriumchlorid (NaCl). An der Kathode wird durch Reduktion metallisches Natrium gewonnen, während an der Anode Chlorgas entsteht, was typischerweise in einer Elektrolysezelle bei hohen Temperaturen erfolgt.
Wichtig zu merken: An der Kathode findet eine Reduktion, an der Anode eine Oxidation statt.
Chemische Bindung und ihre Auswirkungen
Die Alkalimetalle zeigen aufgrund ihrer elektronischen Struktur hauptsächlich die Bildung ionischer Bindungen. Ihre Kationen weisen in Verbindungen in der Regel eine Oxidationsstufe von +1 auf. Der ionische Charakter ihrer Bindungen ist umso ausgeprägter, je weiter unten das Element in der Gruppe steht – Francium bildet beispielsweise fast ausschließlich ionische Bindungen.
Es ist besonders wichtig, dass ihr die Unterschiede im Bindungscharakter von Lithium im Vergleich zu den restlichen Alkalimetallen versteht.
Vergleich Alkali- und Erdalkalimetalle
Neben dem Vergleich innerhalb der Erdalkaligruppe gibt es auch den Vergleich zwischen den Alkali- und Erdalkalimetallen innerhalb derselben Periode.
Im Vergleich zwischen dem Erdalkalimetall und dem Alkalimetall derselben Periode gilt:
- der Ionenradius vom Erdalkalimetallion \(M^{2+}\) ist kleiner als der Radius vom Alkalimetallion \(M^+\)
- die erste Ionisierungsenergie vom Erdalkalimetall ist größer als die erste Ionisierungsenergie vom Alkalimetall
- die zweite Ionisierungsenergie vom Erdalkalimetall ist kleiner als die zweite Ionisierungsenergie vom Alkalimetall
- Der Betrag der Hydratationsenthalpie vom Alkalimetallion \(M^+\) ist kleiner als der Betrag der Hydratationsenthalpie vom Erdalkalimetallions \(M^{2+}\). So ist der Betrag der Hydratationsenthalpie von \(Mg^{2+}\) z.B. größer als der von \(Sr^{2+}\)
Da diese Zusammenhänge gerne einmal gefragt wurden, sollte man sie sich merken und die einzelnen Beziehungen logisch nachvollziehen können.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Die Erscheinungsform der Alkalimetalle Grafik: Tomihahndorf, Alkalimetalle, CC BY-SA 3.0↩︎
Credits Die Flammenfärbung von verschiedenen Metallen. Lithium erzeugt die knallrote Flamme ganz links. Grafik: Hegelrast, Coloured flames of methanol solutions of metal salts and compounds, CC BY-SA 4.0↩︎
