Alkalimetall

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Gruppe	1
Hauptgruppe	1
Periode
2	3 Li
3	11 Na
4	19 K
5	37 Rb
6	55 Cs
7	87 Fr

Als Alkalimetalle werden die chemischen Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems bezeichnet. Sie sind silbrig glänzende, reaktive Metalle, die in ihrer Valenzschale ein einzelnes Elektron besitzen. Obwohl Wasserstoff in den meisten Darstellungen des Periodensystems in der ersten Hauptgruppe steht und zum Teil ähnliche chemische Eigenschaften wie die Alkalimetalle aufweist, kann er nicht zu diesen gezählt werden, da er unter Standardbedingungen weder fest ist noch metallische Eigenschaften aufweist.

Erklärung des Namens

Der Name der Alkalimetalle leitet sich von dem arabischen Wort „al kalja“ für „Pottasche“, die alte Bezeichnung für aus Holzaschen gewonnenes Kaliumcarbonat, ab. Sir Humphry Davy stellte im Jahre 1807 erstmals das Element Kalium durch eine Schmelzflusselektrolyse aus Kaliumhydroxid dar. Letzteres gewann er aus Kaliumcarbonat. In einigen Sprachen spiegelt sich dies im Namen wider. So heißt Kalium beispielsweise im Englischen und Französischen potassium und im Italienischen potassio.

Eigenschaften

Die fünf stabilen Alkalimetalle

Alkalimetalle sind metallisch glänzende, silbrig-weiße (Ausnahme: Caesium hat bei geringster Verunreinigung einen Goldton), weiche Leichtmetalle. Sie sind mit dem Messer schneidbar. Alkalimetalle haben eine geringe Dichte. Sie reagieren mit vielen Stoffen, so beispielsweise mit Wasser, Luft oder Halogenen teilweise äußerst heftig unter starker Wärmeentwicklung. Insbesondere die schwereren Alkalimetalle können sich an der Luft selbst entzünden. Daher werden sie unter Schutzflüssigkeiten, wie Paraffin oder Petroleum (Lithium, Natrium und Kalium) bzw. unter Luftabschluss in braunen, lichtundurchlässigen Ampullen (Rubidium und Caesium) aufbewahrt.

Als Elemente der ersten Gruppe des Periodensystems besitzen sie nur ein schwach gebundenes s-Elektron, das sie leicht abgeben. Ihre ersten Ionisierungsenergien und ihre Elektronegativitäten sind entsprechend klein. In Verbindungen kommen sie ganz überwiegend als einwertiges Kation vor, wenngleich sogar Verbindungen bekannt sind, in denen diese Metalle anionisch vorliegen(z. B. Natride, komplexiert mit sogenannten Kryptanden).

Alkalimetalle und ihre Salze besitzen eine spezifische Flammenfärbung:

• Lithium und seine Salze färben die Flamme rot
• Natrium und seine Salze färben die Flamme gelb
• Kalium und seine Salze färben die Flamme violett
• Rubidium und seine Salze färben die Flamme rot
• Caesium und seine Salze färben die Flamme blauviolett.

Aufgrund dieser Flammenfärbung werden Alkalimetallverbindungen für Feuerwerke benutzt.

In der Atomphysik werden Alkalimetalle eingesetzt, da sie sich aufgrund ihrer besonders einfachen elektronischen Struktur besonders einfach mit Lasern kühlen lassen.

Alle Alkalimetalle kristallisieren in der kubisch-raumzentrierten Struktur. Lediglich Lithium und Natrium kristallisieren in der hexagonal-dichtesten Packung, wenn tiefe Temperaturen vorherrschen.

Trends

Der Radius der Elementatome sowie der Kationen nimmt mit steigender Massenzahl zu. Auch viele andere Eigenschaften der Alkalimetalle zeigen einen Trend innerhalb der Gruppe von oben nach unten:

• Abnahme der Elektronegativität,
• Zunahme der Reaktivität,
• Abnahme der Schmelz- und Siedepunkte,
• Abnahme der Ionisierungsenergie,
• Zunahme der Basizität,
• Abnahme der Härte.

Alkalimetall	Atomgewicht (u)	Schmelzpunkt (K)	Siedepunkt (K)	Dichte (g/cm³)	Elektronegativität (Pauling)
Lithium	6,941	453	1615	0,534	0,98
Natrium	22,990	370	1156	0,968	0,93
Kalium	39,098	336	1032	0,89	0,82
Rubidium	85,468	312	961	1,532	0,82
Cäsium	132,905	301	944	1,93	0,79
Francium	(223)	295	950	1,87	0,70

Allgemeines Reaktionsverhalten

Alkalimetalle reagieren mit Wasserstoff unter Bildung salzartiger Hydride:

$\mathrm{2 \ Me + H_2 \longrightarrow 2 \ MeH.}$

Die thermische Beständigkeit der Hydride nimmt vom Lithiumhydrid (LiH) zum Caesiumhydrid (CsH) ab. Alkalihydride werden u. a. als Reduktions- oder Trockenmittel eingesetzt.

Mit Sauerstoff reagieren Alkalimetalle unter Bildung fester, weißer Oxide (Lithiumoxid), Peroxide (Natriumperoxid) und Hyperoxide (Kaliumhyperoxid, Rubidiumhyperoxid, Caesiumhyperoxid):

$\mathrm{4 \ Li + O_2 \longrightarrow 2 \ Li_2O,}$

$\mathrm{2 \ Na + O_2 \longrightarrow Na_2O_2,}$ oder $\mathrm{4 \ Na + O_2 \longrightarrow 2 \ Na_2O,}$

$\mathrm{M + O_2 \longrightarrow MO_2; \ (M = K, Rb, Cs).}$  

Die Reaktion mit Wasser zu Hydroxiden erfolgt unter Freisetzung von Wasserstoff:

$\mathrm{2 \ M + 2 \ H_2O \longrightarrow 2 \ MOH + H_2.}$

Vom Lithium zum Caesium steigt die Reaktivität stark an; ab dem Kalium erfolgt Selbstentzündung.

Mit Halogenen reagieren die Alkalimetalle zu den entsprechenden Alkalimetallsalzen:

$\mathrm{2 \ Me + X_2 \longrightarrow 2 \ MeX.}$

Die Reaktivität steigt vom Lithium zum Caesium und sinkt vom Fluor zum Iod. So reagiert Natrium mit Iod kaum und mit Brom sehr langsam, während die Reaktion von Kalium mit Brom und Iod explosionsartig erfolgt.

Halogenkohlenwasserstoffen können Alkalimetalle unter Bildung von Kohlenstoff unter Explosionserscheinungen das Halogen entziehen:

$\mathrm{CCl_4 + 4 \ Na \longrightarrow 4 \ NaCl + C.}$

Alkalimetalle ergeben mit flüssigem Ammoniak intensiv blau gefärbte Lösungen. Diese Lösungen, die aus positiven Alkalimetall-Ionen und solvatisierten Elektronen besteht, sind ein sehr starkes Reduktionsmittel und werden beispielsweise für die Birch-Reduktion eingesetzt.

Wasserstoff

Wasserstoff, das erste Element der 1. Hauptgruppe, ist unter Normalbedingungen ein Nichtmetall. Er wird deshalb nicht zu den Alkalimetallen gezählt, hat jedoch mit ihnen einige Eigenschaften gemeinsam. Er tritt wie die Alkalimetalle stets einwertig auf und wandelt sich unter extrem hohem Druck in eine metallische Hochdruckmodifikation, den metallischen Wasserstoff, um. Andererseits haben auch einige Alkalimetalle unter bestimmten Bedingungen Eigenschaften wie Wasserstoff, z. B. besteht Lithium als Gas zu 1 % aus zweiatomigen Molekülen.

Weblinks

• Pink Panther Reaktion Reaktion von Natrium mit Wasser auf Video

Literatur

Sharpe, A.G. et al. , Inorganic Chemistry, second edition - ISBN 0-13-039913-2 - Kapitel 10 Group 1: the alkali metals

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