Die Alkalimetalle findest du in der 1. Hauptgruppe im Periodensystem. Aber was sind Alkalimetalle und ihre Eigenschaften? Das erfährst du in diesem Artikel.
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Alkalimetalle einfach erklärt
Alkalimetalle sind die Elemente aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems ohne Wasserstoff, also Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium. Da sie nur 1 Valenzelektron besitzen, sind es sehr reaktive Elemente, die vor allem für ihre Flammenfärbung bekannt sind.
Zu den Alkalimetallen zählen die Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems. Wasserstoff zählt nicht dazu.
Was sind Alkalimetalle?
Die Elemente der 1. Hauptgruppe des Periodensystems sind die Alkalimetalle: Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Wasserstoff (H) ist das erste Element der Gruppe 1, wird aber nicht zu den Alkalimetallen gezählt. Alkalimetalle besitzen nur 1 Elektron auf der Valenzschale, weshalb sie sehr reaktiv sind und in der Natur lediglich in gebundener Form als Mineralien vorkommen. Außerdem bilden sie mit stark elektronegativen Elementen Festkörper durch Ionenbindungen .
Die Erdalkalimetalle sind aus der 2. Hauptgruppe Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra). Neben den Erdalkalimetallen sind die Alkalimetalle weniger hart und besitzen niedrigere Schmelz- und Siedepunkte. Des Weiteren haben die Erdalkalimetalle kleinere Dichten und sind weniger reaktiv.
Eigenschaften Alkalimetalle
Alkalimetalle sind silberglänzende Metalle, die sich ganz einfach mit einem Messer schneiden lassen. Allerdings ist Caesium das einzige Alkalimetall, welches nicht silber-, sondern goldglänzend ist. Das nur schwach gebundene Elektron im s-Orbital macht die Alkalimetalle sehr reaktiv. Das heißt, das Elektron wird leicht abgegeben, wobei einwertige Kationen entstehen. Eine Eigenschaft von Alkalimetallen kennst du bereits: die Farben beim Feuerwerk kommen durch Alkalimetallverbindungen zustande. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften dieser Klasse von Elementen zusammen:
| Lithium | Natrium | Kalium | Rubidium | Caesium | Francium | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ordnungszahl | 3 | 11 | 19 | 37 | 55 | 87 |
| Atommasse [u] | 6,94 | 22,99 | 39,10 | 85,47 | 132,91 | 223,02 |
| Dichte [g/cm3] | 0,53 | 0,97 | 0,86 | 1,53 | 1,90 | - |
| Schmelzpunkt [K] / [°C] | 453,69 / 180,54 | 370,87 / 97,72 | 336,53 / 63,38 | 312,46 / 39,31 | 301,59 / 28,44 | 298 / 25 |
| Siedepunkt [K] / [°C] | 1603 / 1330 | 1163 / 890 | 1047 / 774 | 961,2 / 688 | 963,2 / 690 | 950 / 677 |
| Elektronegativität | 0,98 | 0,93 | 0,82 | 0,82 | 0,79 | 0,70 |
| Ionisierungsenergie [eV] | 5,39 | 5,14 | 4,34 | 4,18 | 3,89 | 4,07 |
| Elektrische Leitfähigkeit [S/m] | 10,6 · 106 | 21 · 106 | 14,3 · 106 | 7,52 · 106 | 4,76 · 106 | 3 · 106 |
| Flammenfärbung | karmin-rot (671 nm) | gelb (589 nm) | hell-violett (786 und 404 nm) | rot-violett (780 und 421 nm) | blau-violett (458 nm) | - |
Physikalische Eigenschaften Alkalimetalle
Die physikalischen Eigenschaften der Alkalimetalle folgen bestimmten Trends im Periodensystem. Von oben nach unten innerhalb der 1. Hauptgruppe nehmen Härte, Schmelz- und Siedepunkte ab, während die Dichte zunimmt. Mit zunehmender Ordnungszahl ist das Valenzelektron weiter von dem Atomkern entfernt, wodurch die Anziehungskraft sinkt. Dadurch nehmen die Elektronegativität sowie die Ionisierungsenergie mit zunehmender Ordnungszahl ab, was dazu führt, dass ihre Reaktivität steigt. Durch ihre geringe Dichte werden die Alkalimetalle auch als Leichtmetalle bezeichnet. Die Kristallstrukturen ist bei allen Alkalimetallen gleich, nämlich kubisch raumzentriert. Bei besonders niedrigen Temperaturen nehmen Lithium und Natrium eine hexagonale Kristallstruktur an.
Flammenfärbung Alkalimetalle
Wie du bereits in der Tabelle sehen konntest, sorgen die Alkalimetalle für schöne Flammenfärbungen. Diese werden nicht nur für Feuerwerk verwendet, sondern auch in der qualitativen Analyse. Dabei versuchst du herauszufinden, welche Stoffe sich in einem Gemisch befinden. Wird die Flamme deines Bunsenbrenners zum Beispiel karminrot, dann ist deinem Gemisch Lithium enthalten.
Reaktionsverhalten und Verbindungen der Alkalimetalle
Alkalimetalle legen ein vielseitiges Reaktionsverhalten an den Tag, wodurch die verschiedensten Verbindungen entstehen. Durch die immer größer werdende Entfernung des Valenzelektrons zum Kern, sinkt mit steigender Ordnungszahl die Anziehungskraft. Das Elektron wird leichter abgespalten und damit das Element reaktiver. Bei der Reaktion mit Wasser kannst du dieses Phänomen gut beobachten.
Alkalimetalle mit Wasser
Mit Wasser (H2O) reagieren Alkalimetalle (M) zu einem Alkalimetallhydroxid (MOH) und Wasserstoff (H2). Die allgemeine Reaktionsgleichung sieht dann so aus:
2 M + 2 H2O → 2 MOH + H2
Diese Reaktion verläuft mit steigender Ordnungszahl zunehmend heftiger. Während Lithium sich nur entzündet, wenn es fein verteilt vorliegt, ist die Reaktion von Natrium mit Wasser bereits ziemlich heftig. Kalium entzündet sich und Rubidium und Caesium führen zu heftigen Explosionen. Der Grund dafür ist der freigesetzte Wasserstoff.
2 Li + 2 H2O → 2 LiOH + H2
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
2 K + 2 H2O → 2 KOH + H2
2 Rb + 2 H2O → 2 RbOH + H2
2 Cs + 2 H2O → 2 CsOH + H2
Die Alkalimetallhydroxide sind Feststoffe und wirken wie ihre Lösungen stark ätzend. Die Hydroxide lösen sich im Wasser leicht, aber nur bei stärkerer Erwärmung und reagieren stark basisch.
Alkalimetallhydride
Bei der Reaktion mit Wasserstoff bilden Alkalimetalle salzartige Alkalimetallhydride (MH):
2 M + H2 → 2 MH
Die Alkalihydride finden Anwendung als Reduktions- und Trocknungsmittel.
Alkalimetalloxide, Alkalimetallperoxide, Alkalimetallhyperoxide
Bei der Verbrennung an der Luft entstehen Oxide (M2O), Peroxide (M2O2) und Hyperoxide (MO2) durch die Reaktion mit Sauerstoff (O2). Tatsächlich reagieren die Alkalimetalle hier sehr unterschiedlich. Lithium bildet nur das Oxid, Natrium hingegen Oxid und Peroxid, aber kein Hyperoxid.
4 Li + O2 → 2 Li2O
4 Na + O2 → 2 Na2O
2 Na + O2 → Na2O2
Kalium bildet alle Oxide, Peroxide und Hyperoxide, aber bei Caesium und Rubidium entzünden sich direkt die gebildeten Hyperoxide. Das liegt unter anderem am Siedepunkt, welcher mit steigender Ordnungszahl immer kleiner wird.
4 K + O2 → 2 K2O
2 K + O2 → K2O2
K + O2 → 2 KO2
Rb + O2 → 2 RbO2
Cs + O2 → 2 CsO2
Alkalimetallhalogenide
Bei der Reaktion mit Halogenen (X = F, Cl, Br, I) entstehen salzartige Alkalimetallhalogenide (MX). Während die Reaktivität der Alkalimetalle mit steigender Ordnungszahl zunimmt, sinkt sie bei den Halogenen. Die Reaktion von Brom und Kalium ist also sehr stark und explosionsartig, aber Natrium und Iod reagieren nur sehr träge miteinander.
2 M + X2 → 2 MX
2 K + Br2 → 2 KBr
2 Na + I2 → 2 NaI
Das bekannteste Alkalimetallhalogenid ist besser bekannt als Alkalisalz: Natriumchlorid, auch Kochsalz genannt.
2 Na + Cl2 → 2 NaCl
Alkalisalze sind gut wasserlöslich und stark polare Verbindungen. Häufig werden sie auch in der Galenik verwendet, um Arzneistoffe stabiler oder besser wasserlöslich zu machen.