Alkalimetalle | 1. Hauptgruppe des Periodensystems:
Alkalimetalle gehören zur Gruppe 1 des Periodensystems und sind bekannt für ihre hohe Reaktivität und einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften.
Diese Metalle spielen eine entscheidende Rolle in der Chemie und haben zahlreiche industrielle Anwendungen.
Die Gruppe der Alkalimetalle umfasst die Elemente Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr).
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1. Alkalimetalle Vorkommen:
Die Alkalimetalle umfassen die chemischen Elemente Lithium, Natrium, Caesium, Rubidium und Francium aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems.
Diese silbrig glänzenden Metalle kommen in der Natur aufgrund ihrer hohen Reaktivität nur in gebundener Form als Mineralien vor.
Lithium, Natrium und Kalium sind häufig in Silicaten, z.B. Feldspat enthalten.
Die Metalle Lithium und Natrium gehören zu den 10 häufigsten Elementen der Erdkruste, wobei letzteres vor allem als Steinsalz, Soda oder als Chilesalpeter abgebaut wird.
Die Metalle Caesium und Rubidium kommen in der Natur hingegen nur in der Begleitung von anderen Alkalimetallen vor.
Auch in den Ozeanen sind Alkalimetalle in gelöster Form vorhanden.
Das im Meerwasser gelöste Natriumchlorid entspricht etwa der zehnfachen Menge der Vorkommen an festem Natriumchlorid.
2. Alkalimetalle Gewinnung:
Die Gewinnung von Alkalimetallen erfolgt meist durch Elektrolyse ihrer geschmolzenen Salze. Zum Beispiel wird Natrium durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid (NaCl) in der sogenannten Downs-Zelle hergestellt:
2 NaCl → 2 Na + Cl₂
Kalium wird ebenfalls durch Elektrolyse von Kaliumchlorid gewonnen, während Lithium durch Elektrolyse von Lithiumchlorid oder Lithiumhydroxid hergestellt wird. Rubidium und Caesium werden häufig durch Reduktion ihrer Chloride oder Oxide mit metallischem Natrium oder Calcium gewonnen.
Alkalimetalle Elemente:
Wir unterscheiden folgenden Alkalimetalle:
OZ = Ordnungszahl
| Bezeichnung | Symbol | OZ |
| Lithium | Li | 3 |
| Natrium | Na | 11 |
| Kalium | K | 19 |
| Rubidium | Rb | 37 |
| Caesium | Cs | 55 |
| Francium | Fr | 87 |
3. Eigenschaften allgemein:
Alkalimetalle sind so weich, dass man sie mit einem Messer schneiden kann.
Während die Schnittfläche von Lithium, Natrium, Kalium und Rubidium silberweiß ist, ist jene von Caesium goldfarben.
Aufgrund ihrer geringen Dichte gehören Alkalimetalle zu den Leichtmetallen.
Lithium, Natrium und Kalium sind alle leichter als Wasser.
Mit einer Dichte von 0,534 g/cm³ ist Lithium sogar das leichteste aller Metalle, gefolgt von Natrium mit 0,97 g/cm³.
Alle Isotope des Franciums sind radioaktiv, das langlebigste davon hat eine Halbwertszeit von 21,8 Minuten.
Mit den meisten Säuren bilden sie Salze, z. B. mit Schwefelsäure (Sulfate), Kohlensäure (Carbonate) und Salpetersäure (Nitrate).
Als Elemente der ersten Gruppe des Periodensystems besitzen sie nur ein schwach gebundenes s-Elektron, das sie leicht abgeben.
4. Physikalische Eigenschaften:
Alkalimetalle zeichnen sich durch eine Reihe markanter physikalischer Eigenschaften aus:
Glanz und Weichheit:
Diese Metalle haben eine glänzende Oberfläche, die an der Luft jedoch schnell anläuft. Sie sind auch sehr weich und können leicht mit einem Messer geschnitten werden. Die Weichheit nimmt innerhalb der Gruppe von Lithium zu Caesium zu.
Geringe Dichte:
Alkalimetalle haben eine relativ niedrige Dichte, die innerhalb der Gruppe von Lithium (0,53 g/cm³) bis Caesium (1,87 g/cm³) ansteigt. Lithium ist das leichteste Metall, und die meisten Alkalimetalle sind leicht genug, um auf Wasser zu schwimmen.
Schmelz- und Siedepunkte:
Alkalimetalle haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen, die in der Gruppe von oben nach unten abnehmen. Lithium hat einen Schmelzpunkt von 180,5 °C und einen Siedepunkt von 1.342 °C, während Caesium bei 28,5 °C schmilzt und bei 671 °C siedet. Francium, das sehr instabil ist, hat noch niedrigere Werte, die jedoch schwer genau zu bestimmen sind.
| Bezeichnung | SZ | SI | g/cm³ |
| Lithium | 453 | 1615 | 0,534 |
| Natrium | 370 | 1156 | 0,968 |
| Kallium | 336 | 1032 | 0,89 |
| Rubidium | 312 | 961 | 1,532 |
| Cäsium | 301 | 944 | 1,93 |
| Francium | 295 | 950 | – |
SZ = Schmelzpunkt in °C, SI = Siedepunkte in °C, Dichte = g/cm³
Elektrische und thermische Leitfähigkeit:
Diese Metalle sind ausgezeichnete Leiter für Wärme und Elektrizität, was sie in verschiedenen elektrischen und thermischen Anwendungen nützlich macht.
5. Chemische Eigenschaften:
Die chemischen Eigenschaften der Alkalimetalle sind ebenso bemerkenswert und tragen zu ihrer hohen Reaktivität bei:
Elektronenkonfiguration:
Alkalimetalle haben nur ein Elektron in ihrer äußersten Schale (ns^1-Konfiguration), was sie sehr reaktiv macht. Dieses einzelne Valenzelektron wird leicht abgegeben, wodurch Alkalimetalle Kationen mit einer Ladung von +1 bilden.
Reaktivität mit Wasser:
Alkalimetalle reagieren heftig mit Wasser und bilden dabei Hydroxide und Wasserstoffgas. Diese Reaktionen sind stark exotherm und können explosiv sein. Ein Beispiel ist die Reaktion von Natrium mit Wasser:
2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ ↑
Die Reaktivität nimmt von Lithium zu Francium zu, wobei Francium das reaktivste Element ist.
Reaktion mit Sauerstoff:
Alkalimetalle reagieren leicht mit Sauerstoff und bilden Oxide, Peroxide oder Superoxide, abhängig vom Metall und den Reaktionsbedingungen. Zum Beispiel bildet Lithium hauptsächlich Lithiumoxid (Li2O), während Kalium sowohl Kaliumoxid (K2O) als auch Kaliumsuperoxid (KO2) bildet.
Reaktion mit Halogenen:
Alkalimetalle reagieren heftig mit Halogenen und bilden dabei Halogenide wie Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCl). Diese Reaktionen sind exotherm und führen zur Bildung stabiler ionischer Verbindungen.
Flammenfärbung:
Alkalimetalle zeigen charakteristische Flammenfärbungen, die in der Analyse verwendet werden können. Lithium färbt die Flamme rot, Natrium gelb, Kalium violett, Rubidium rötlich-violett und Caesium bläulich-violett.
6. Reaktionsfähigkeit von Alkalimetallen:
Aufgrund ihrer hohen Reaktionsfähigkeit reagieren Alkalimetalle daher mit vielen Stoffen, so beispielsweise mit Wasser, Luft oder Halogenen.
Auf Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff reagieren sie besonders schnell und verlieren dabei ihren metallischen Glanz.
Die Reaktion kann teilweise äußerst heftig unter einer starken Wärmeentwicklung ablaufen.
Dieser Umstand kann bei den schwereren Alkalimetallen zu einer Selbstentzündung führen.
Caesium reagiert zum Beispiel mit Wasserstoff explosionsartig.
Deshalb können sie nicht an der Luft aufbewahrt werden, sondern müssen luftgeschützt unter Petroleum oder Paraffin bzw. ohne Luft eingeschweißt in Ampullen gelagert werden.
Bei der Reaktion mit Wasser entstehen basische Lösungen, die Alkalimetalle sind also Basenbildner.
7. Spezifische Flammenfärbung:
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
8. Verwendung der Alkalimetalle:
Alkalimetalle werden aufgrund ihrer Flammenfärbung für Feuerwerke benutzt.
In der Atomphysik werden sie eingesetzt, da sich sie aufgrund ihrer einfachen elektronischen Struktur besonders leicht mit Lasern kühlen lassen.
Natrium dient als Ausgangsstoff von Natriumamid, das zur Herstellung des blauen Jeansfarbstoffs (Indigo) dient.
Zudem wird Natrium als Bleichmittel und zu Beleuchtungszwecken (Natriumdampflampen) eingesetzt.
Lithium hingegen wird in Legierungen verwendet um bei Magnesium, Aluminium und Blei einen höheren Härtegrad zu erreichen.
Weiters wird Lithium in der Herstellung von Batterien und Akkumulatoren verwendet z.B. Lithium-Ionen-Akku für Elektroautos, Notebooks und Herzschrittmacher.
9. Sicherheitsaspekte:
Aufgrund ihrer hohen Reaktivität müssen Alkalimetalle mit großer Vorsicht gehandhabt werden. Sie werden in Laboren oft unter inerten Gasen oder in Paraffinöl aufbewahrt, um zu verhindern, dass sie mit Luft oder Wasser reagieren. Insbesondere die Reaktionen mit Wasser können explosiv sein, da sie Wasserstoffgas freisetzen, das sich entzünden kann.
Natrium und Kalium sind die am häufigsten verwendeten Alkalimetalle und werden daher am häufigsten in Sicherheitsanweisungen berücksichtigt. Caesium und Rubidium sind so reaktiv, dass sie sogar bei Kontakt mit kaltem Wasser explodieren können.
Francium ist aufgrund seiner extremen Radioaktivität und Seltenheit nicht gut erforscht und hat keine praktischen Anwendungen außerhalb der wissenschaftlichen Forschung.