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Alkalimetalle: Eigenschaften und Reaktivität
Alkalimetalle sind weiche, sehr reaktionsfähige Metalle der 1. Hauptgruppe. Ihr einzelnes Außenelektron erklärt, warum sie meist einfach positiv geladene Ionen bilden und warum ihre Reaktivität innerhalb der Gruppe im Allgemeinen zunimmt.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Welche Elemente sind Alkalimetalle?
Zu den Alkalimetallen gehören Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Sie stehen in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems.
Alkalimetall
Ein Alkalimetall ist ein Metall der 1. Hauptgruppe mit einem Außenelektron. Wasserstoff steht zwar ebenfalls in dieser Gruppe, zählt aber nicht zu den Alkalimetallen: Er ist unter Standardbedingungen gasförmig und besitzt keine typischen Metalleigenschaften.
Frisch angeschnittene Alkalimetalle glänzen metallisch. Sie sind weich und lassen sich schneiden. Ihre Dichten sowie ihre Schmelz- und Siedetemperaturen sind für Metalle vergleichsweise niedrig.
Caesium kann goldfarben erscheinen. Francium ist radioaktiv und sehr instabil. Deshalb spielt es in üblichen Schulbeobachtungen keine praktische Rolle.
Alkalimetalle reagieren leicht mit Wasser, Sauerstoff und Halogenen. In der Natur findet man sie daher nicht als reine Metalle, sondern gebunden in Verbindungen. Kochsalz enthält beispielsweise Natrium-Ionen, aber kein elementares Natrium.
Ein Element in einer Verbindung besitzt andere Eigenschaften als der reine Elementarstoff. Natrium-Ionen im Mineralwasser reagieren nicht wie metallisches Natrium.
Warum nimmt die Reaktivität nach unten zu?
Jedes Alkalimetallatom besitzt genau ein Außenelektron, auch Valenzelektron genannt. Gibt das Atom dieses Elektron ab, entsteht ein einfach positiv geladenes Ion:
$$M \rightarrow M^+ + e^-$$
Dabei steht $M$ für ein Alkalimetallatom und $e^-$ für das abgegebene Elektron.
Von Lithium zu Caesium kommen weitere Elektronenschalen hinzu. Dadurch wächst der Abstand zwischen Atomkern und Außenelektron. Zusätzlich schirmen die inneren Elektronen die Anziehung des positiv geladenen Kerns ab.
Das Außenelektron lässt sich deshalb im Allgemeinen immer leichter entfernen. Die dafür benötigte Ionisierungsenergie sinkt, während die Reaktivität steigt.
Ein Kaliumatom besitzt mehr besetzte Elektronenschalen als ein Natriumatom. Sein Außenelektron ist weiter vom Kern entfernt und stärker abgeschirmt. Kalium gibt dieses Elektron leichter ab und reagiert daher im Allgemeinen heftiger als Natrium.
Mehr Elektronenschalen → größerer Abstand und stärkere Abschirmung → leichtere Elektronenabgabe → im Allgemeinen höhere Reaktivität.
Die Regel beschreibt einen Gruppentrend, keine ausnahmslose Zahlenfolge. So steigt die Dichte nicht bei jedem Schritt: Natrium hat eine Dichte von $0{,}97\,\mathrm{g/cm^3}$, Kalium nur $0{,}86\,\mathrm{g/cm^3}$. Auch Franciums Ionisierungsenergie weicht von der einfachen Abwärtstendenz ab.
Wie reagieren Alkalimetalle mit Wasser?
Alkalimetalle reagieren mit Wasser zu einem Alkalimetallhydroxid und Wasserstoff. Für ein beliebiges Alkalimetall $M$ gilt:
$$2M + 2H_2O \rightarrow 2MOH + H_2$$
Die Hydroxide lösen sich in Wasser und bilden stark basische, ätzende Lösungen. Der frei werdende Wasserstoff ist brennbar. Die Reaktion setzt außerdem viel Wärme frei.
Für Natrium lautet die ausgeglichene Reaktionsgleichung:
$$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2$$
Links und rechts stehen jeweils zwei Natriumatome, vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome. Die Gleichung erfüllt damit die Erhaltung der Atome.
Ein Indikator wie Phenolphthalein färbt sich in der entstehenden basischen Natriumhydroxidlösung rosa. Diese Beobachtung weist auf die Hydroxidbildung hin.
Die Reaktion wird innerhalb der Gruppe im Allgemeinen heftiger: Lithium reagiert vergleichsweise langsam, Natrium bereits heftig, Kalium kann sich entzünden und Rubidium sowie Caesium können explosionsartig reagieren.
Alkalimetalle dürfen nicht eigenständig mit Wasser ausprobiert oder berührt werden. Sichere Demonstrationen gehören in die Hände fachkundiger Personen. Auch eine geringe Dichte macht die Stoffe nicht ungefährlich: Lithium, Natrium und Kalium können zwar auf Wasser schwimmen, reagieren dabei aber mit ihm.
Wie funktioniert die Flammenprobe?
Beim Erhitzen nehmen Elektronen Energie auf und gelangen vorübergehend in höhere Energiezustände. Beim Zurückfallen geben sie Energie als Licht ab. Die Farbe des Lichts ist für das jeweilige Alkalimetall charakteristisch.
| Alkalimetall | typische Flammenfarbe |
|---|---|
| Lithium | rot bis karminrot |
| Natrium | gelb bis gelborange |
| Kalium | violett |
| Rubidium | rot bis rotviolett |
| Caesium | blauviolett |
Die Angaben zu Rubidium unterscheiden sich in ihrer genauen Farbbezeichnung. Gemeinsam ist ihnen der rote bis rotviolette Bereich.
Eine untersuchte Salzprobe färbt eine nichtleuchtende Brennerflamme deutlich gelb. Das ist ein Hinweis auf Natrium. Die Probe weist dabei Natrium in einer Verbindung nach, nicht metallisches Natrium.
Eine Flammenfarbe ist ein qualitativer Nachweis: Sie hilft zu erkennen, welcher Stoff vorhanden sein könnte. Sie sagt für sich allein nicht, wie viel davon enthalten ist.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Beim Erhitzen werden Elektronen . Beim Zurückfallen geben sie Energie als ab. Eine gelbe Flamme weist auf hin, eine violette auf .
Wie wertest du Gruppentrends aus?
Für einen Trend vergleichst du zuerst Daten, beschreibst dann das Muster und begründest es anschließend mit einem Modell. Beobachtung und Erklärung sind zwei verschiedene Schritte.
| Element | Ionisierungsenergie in $\mathrm{kJ/mol}$ | Reaktivität mit Wasser |
|---|---|---|
| Lithium | 520 | vergleichsweise schwach |
| Natrium | 495,85 | heftig |
| Kalium | 418,81 | kann sich entzünden |
| Rubidium | 403,03 | kann explosionsartig reagieren |
| Caesium | 375,70 | kann explosionsartig reagieren |
Beobachtung: Von Lithium zu Caesium sinkt die angegebene Ionisierungsenergie insgesamt.
Deutung: Nach unten kommen Elektronenschalen hinzu. Abstand und Abschirmung nehmen zu, sodass das Außenelektron leichter abgegeben wird.
Begrenzte Vorhersage: Rubidium sollte im Allgemeinen heftiger mit Wasser reagieren als Kalium. Die Daten und die beobachteten Reaktionen stützen diese Vorhersage.
Übertrage Trends nicht blind auf jede Eigenschaft. Die Dichtewerte von Natrium und Kalium zeigen beispielsweise eine Ausnahme von einer streng gleichmäßigen Zunahme.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Alkalimetalle
- Elemente: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
- Atombau: ein Außenelektron
- Ionenbildung: Abgabe des Elektrons zu $M^+$
- Gruppentrend: Ionisierungsenergie sinkt, Reaktivität steigt meist
- Wasserreaktion: Hydroxid und Wasserstoff entstehen
- Flammenprobe: charakteristische Farben weisen Elemente nach
- Sicherheit: nicht eigenständig mit Wasser untersuchen
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du drei Ebenen auseinanderhalten kannst: Daten oder Beobachtung, Gruppentrend und Erklärung durch den Atombau.