Alkalimetalle und ihre Reaktion mit Wasser
Im Chemieraum liegt ein Stück Natrium unter Petroleum. Dein Lehrer schneidet ein erbsengroßes Stück ab und wirft es in eine Schale mit Wasser: Es schwimmt, zischt, rennt über das Wasser und wird immer kleiner. Warum reagiert ein Metall so heftig mit Wasser, und warum hebt man Natrium unter Öl auf?
Die Alkalimetalle im Periodensystem
Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Caesium (Cs) stehen in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems. Sie bilden die Elementfamilie der Alkalimetalle. Wasserstoff steht zwar auch in der 1. Hauptgruppe, ist aber ein Nichtmetall und gehört nicht dazu.
Gemeinsame Eigenschaften: Alkalimetalle sind weich (mit dem Messer schneidbar), silbrig glänzend an frischen Schnittflächen, haben eine sehr geringe Dichte (Li, Na und K schwimmen auf Wasser) und schmelzen schon bei niedrigen Temperaturen. Sie laufen an der Luft schnell an, weil sie mit Sauerstoff und Wasserdampf reagieren.
Je mehr Schalen, desto größer der Atomdurchmesser und desto weiter ist das Außenelektron vom Kern entfernt.
Lithium, Natrium und Kalium gehören zu den Alkalimetallen. a) Nenne die Gruppe im Periodensystem. b) Nenne die Anzahl der Außenelektronen. c) Beschreibe, was man bei der…
Lithium, Natrium und Kalium gehören zu den Alkalimetallen.
- a) Nenne die Gruppe im Periodensystem.
- b) Nenne die Anzahl der Außenelektronen.
- c) Beschreibe, was man bei der Reaktion von Natrium mit Wasser beobachtet.
Natrium reagiert mit Wasser
Versuch (Lehrerversuch, Schutzbrille, Schutzscheibe): Ein erbsengroßes Stück Natrium kommt in eine Glasschale mit Wasser und etwas Universalindikator.
Beobachtung: Das Metall schwimmt, schmilzt zu einer silbrigen Kugel, zischt und bewegt sich auf dem Wasser. Es entsteht ein Gas. Die Lösung färbt sich blau bis violett. Die Schale wird warm.
Deutung:
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Das Metall schwimmt, weil Natrium eine geringere Dichte als Wasser hat.
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Es schmilzt, weil die Reaktion Energie freisetzt: Sie ist exotherm.
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Das Gas ist Wasserstoff. Nachweis mit der Knallgasprobe: Man fängt das Gas in einem Reagenzglas auf und hält ein brennendes Streichholz an die Öffnung. Ein helles „Plopp“ zeigt Wasserstoff an.
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Die Blaufärbung des Universalindikators zeigt eine alkalische Lösung an (pH > 7). Es sind Hydroxid-Ionen OH⁻ entstanden: Die Lösung heißt Natronlauge.
Natriumhydroxid liegt in der Lösung als Na⁺-Ionen und OH⁻-Ionen vor. Jedes Natrium-Atom gibt sein Außenelektron ab und wird zum Na⁺-Ion.
Natrium reagiert mit Wasser: $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}2$. a) Nenne die Produkte der Reaktion. b) Gib an, wie man das…
Natrium reagiert mit Wasser: $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}_2$.
- a) Nenne die Produkte der Reaktion.
- b) Gib an, wie man das entstehende Gas nachweist.
Nach der Reaktion von Natrium mit Wasser gibt man Universalindikator zur Lösung. a) Gib die erwartete Farbe an. b) Erkläre, was dies über die Lösung aussagt.
Nach der Reaktion von Natrium mit Wasser gibt man Universalindikator zur Lösung.
- a) Gib die erwartete Farbe an.
- b) Erkläre, was dies über die Lösung aussagt.
Verallgemeinern: Alle Alkalimetalle und der Trend
Alle Alkalimetalle reagieren nach demselben Muster. Mit M für ein beliebiges Alkalimetall gilt:
$2\ \text{M} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{MOH} + \text{H}_2$
| Alkalimetall | Reaktion mit Wasser |
|---|---|
| Lithium | ruhig, Gasbläschen |
| Natrium | schmilzt zur Kugel, zischt |
| Kalium | Wasserstoff entzündet sich (violette Flamme) |
| Rubidium, Caesium | explosionsartig |
Trend: Die Reaktionsheftigkeit nimmt in der Gruppe von oben nach unten zu.
Erklärung (Modell): Bei der Reaktion gibt das Atom sein Außenelektron ab. Von Lithium zu Caesium kommen Schalen hinzu, der Atomdurchmesser wächst. Das Außenelektron ist weiter vom positiven Kern entfernt und wird schwächer festgehalten. Es lässt sich leichter abgeben, die Reaktion läuft heftiger ab. Für Francium sagt man daher eine noch heftigere Reaktion voraus.
Alkalimetalle reagieren mit Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff, deshalb bewahrt man sie unter Petroleum (Paraffinöl) auf. Das Öl hält Luft und Feuchtigkeit fern. Sie dürfen nie mit bloßen Händen angefasst werden, denn die Hautfeuchtigkeit reicht für eine Reaktion, bei der ätzende Lauge entsteht.
Lithium reagiert mit Wasser zu Lithiumhydroxid und Wasserstoff. a) Stelle die Reaktionsgleichung auf. b) Gib die Anzahl der Atome jedes Elements auf beiden Seiten an. c)…
Lithium reagiert mit Wasser zu Lithiumhydroxid und Wasserstoff.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung auf.
- b) Gib die Anzahl der Atome jedes Elements auf beiden Seiten an.
- c) Vergleiche kurz die Heftigkeit mit der von Natrium.
Kalium reagiert mit Wasser so heftig, dass sich der Wasserstoff entzündet. a) Stelle die Reaktionsgleichung auf. b) Erkläre, warum sich das Gas entzündet. c) Erkläre,…
Kalium reagiert mit Wasser so heftig, dass sich der Wasserstoff entzündet.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung auf.
- b) Erkläre, warum sich das Gas entzündet.
- c) Erkläre, wie Kalium und die anderen Alkalimetalle aufbewahrt werden, und begründe dies.
In einer Tabelle steht die Reaktivität der Alkalimetalle: Lithium reagiert ruhig, Natrium schmilzt zur Kugel, Kalium entzündet sich, Rubidium und Caesium reagieren…
In einer Tabelle steht die Reaktivität der Alkalimetalle: Lithium reagiert ruhig, Natrium schmilzt zur Kugel, Kalium entzündet sich, Rubidium und Caesium reagieren explosionsartig.
- a) Beschreibe den Trend innerhalb der Gruppe.
- b) Sage das Verhalten von Francium voraus.
- c) Begründe den Trend mit der Lage der Außenelektronen.
Erdalkalimetalle, Energie und Rechnung
Erdalkalimetalle
Calcium steht in der 2. Hauptgruppe (Erdalkalimetalle) und hat 2 Außenelektronen. Es reagiert ebenfalls mit Wasser, aber ruhiger als Natrium. Calcium hat 2 Außenelektronen. Beide müssen abgegeben werden, das braucht mehr Energie als die Abgabe des einen Außenelektrons bei Natrium. Deshalb reagiert Calcium ruhiger als Natrium.
$\text{Ca} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$
Probe: links 1 Ca, 4 H, 2 O; rechts 1 Ca, 2 O, 2 + 2 = 4 H. ✔ Es entsteht Calciumhydroxid-Lösung (Kalkwasser), die alkalisch ist.
Exotherm und alkalisch
Die Reaktion ist exotherm: Die Teilchen im Produkt sind energieärmer als in den Edukten, die Differenz wird als Wärme (und Licht) frei. Die Lösung wird alkalisch, weil OH⁻-Ionen entstehen. Die Natrium-Atome haben ihr Außenelektron abgegeben und sind zu Na⁺-Ionen geworden, die den Edelgaszustand haben. Die Abgabe des Elektrons braucht zwar Energie, aber im Gesamtergebnis der Reaktion wird mehr Energie frei als aufgewendet wird: Die Energie, die bei der Hydration der Ionen und der Bildung des stabilen Hydroxids frei wird, ist größer als die für die Elektronenabgabe aufgewendete Energie. Auch bei der Reaktion von Natrium mit Chlor geht ein Elektron von Natrium auf Chlor über: Beide Ionen erreichen den Edelgaszustand, Energie wird frei (Feuererscheinung, exotherm).
Rechnen mit der Gleichung
Die Gleichung zeigt das Teilchenverhältnis: 2 mol Na liefern 1 mol H₂.
Erdalkalimetalle wie Calcium reagieren ebenfalls mit Wasser, aber weniger heftig. a) Stelle die Gleichung für Calcium und Wasser auf (Produkte: $\text{Ca(OH)}2$ und…
Erdalkalimetalle wie Calcium reagieren ebenfalls mit Wasser, aber weniger heftig.
- a) Stelle die Gleichung für Calcium und Wasser auf (Produkte: $\text{Ca(OH)}_2$ und $\text{H}_2$).
- b) Begründe den Unterschied zu Natrium mit den Außenelektronen.
- c) Verallgemeinere: Formuliere eine Gleichung für ein beliebiges Alkalimetall $\text{M}$.
Ein Schüler gibt $0{,}23\ \text{g}$ Natrium in Wasser. Die Reaktion liefert Wasserstoff und Natronlauge. a) Stelle die Reaktionsgleichung auf. b) Berechne mit…
Ein Schüler gibt $0{,}23\ \text{g}$ Natrium in Wasser. Die Reaktion liefert Wasserstoff und Natronlauge.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung auf.
- b) Berechne mit $M(\text{Na}) = 23\ \text{g/mol}$ die Stoffmenge an Natrium.
- c) Berechne die Stoffmenge und das Volumen an Wasserstoff bei $V_m = 24\ \text{L/mol}$.
Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser steigt die Temperatur der Lösung, und die Lösung wird alkalisch. a) Erkläre, warum die Reaktion exotherm ist und die Lösung…
Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser steigt die Temperatur der Lösung, und die Lösung wird alkalisch.
- a) Erkläre, warum die Reaktion exotherm ist und die Lösung alkalisch wird.
- b) Erkläre, warum die Reaktion von Natrium mit Chlor ebenfalls exotherm ist.
- c) Beurteile, wie sich bei der Reaktion mit Wasser die Energie der Produkte (Natrium-Ionen, Hydroxid-Ionen und Wasserstoff) im Vergleich zur Energie der Edukte (Natrium und Wasser) verändert.
Zurück zum Anfang: Natrium reagiert heftig, weil sein einziges Außenelektron leicht abgegeben wird. Dabei entsteht Wasserstoff und Natronlauge. Unter Öl lagert es, damit es nicht mit Luftfeuchtigkeit reagiert.