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Alkalimetalle

Alkalimetalle

Chemische Elemente, die gleichartige Eigenschaften besitzen und ein ähnliches Verhalten aufweisen, werden in Gruppen eingeteilt. Im Periodensystem stellen die Spalten diese Gruppen dar. Die Ähnlichkeit der Elemente ist dabei bei den Hauptgruppen am stärksten ausgeprägt. „Alkalimetalle“ ist eine Bezeichnung für solch eine Hauptgruppe.

Alkalimetalle – Grundlagen

Alkalimetalle ist die Bezeichnung für die Elemente der 1. Hauptgruppe im Periodensystem. Hierzu zählen die Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium.

Wasserstoff befindet sich auch in der ersten Hauptgruppe. Er wird jedoch nicht zu den Alkalimetallen gezählt, denn Wasserstoff ist ein Nichtmetall und die Alkalimetalle sind reaktive Metalle, die ein Valenzelektron aufweisen.

Valenzelektronen halten sich in der äußeren Schale eines Atoms auf und sind an den Bindungen zwischen zwei Atomen beteiligt. Eine andere Bezeichnung für Valenzelektronen ist Außenelektronen.

Eigenschaften von Alkalimetallen

Nachdem Du gelernt hast, welche Elemente zu den Alkalimetallen zählen, beschreibt dieser Abschnitt deren Eigenschaften. Die Tabelle zeigt Dir zunächst einen kurzen Überblick.

LithiumNatriumKaliumRubidiumCaesiumFrancium
Aussehensilbrig, glänzendgold, glänzend (bei Verunreinigung)silbrig, glänzend
Aggregatzustandfest
Ordnungszahl31119375587
Atommasse in u6,9422,9939,1085,47132,91223,02
Dichte in (bei 20°C und 1013 hPa)0,5340,9680,8561,5321,902,48
Schmelzpunkt in °C (bei 1013 hPa)180,5497,7263,3839,3128,4425
Siedepunkt in °C (bei 1013 hPa)1330890774688690677
Elektronegativität0,980,930,820,820,790,70
Ionisierungsenergie in eV5,395,144,344,183,894,07
Elektrische Leitfähigkeit in 10,6·10621·10614,3·1067,52·1064,76·1063·106

Wie bereits erwähnt, haben die Alkalimetalle ein Valenzelektron. Um genauer zu sein: Alkalimetalle weisen ein Elektron im s-Orbital auf. Da es nur schwach gebunden ist, sind diese Elemente sehr reaktiv. Mit vielen Substanzen, wie Luft oder Halogenen, reagieren Alkalimetalle sehr stark, wobei viel Wärme entsteht. Bei den schweren Alkalimetallen ist sogar eine Selbstentzündung an der Luft möglich. Deswegen werden diese Elemente unter Ausschluss von Luft gelagert.

Durch das schwach gebundene Außenelektron sind die Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten recht niedrig. Somit können Alkalimetalle das Elektron leicht abgeben und Kationen bilden, die einfach positiv geladen sind.

Die Ionisierungsenergie ist die notwendige Energie, um ein Elektron aus einem Atom oder einem Molekül zu entfernen. Dadurch entstehen Ionen.

Die Elektronegativität steht für die Eigenschaft von Atomen bei der Ausbildung einer chemischen Bindung Elektronen zu sich zu ziehen. Dabei zieht das elektronegativere Atom, die Elektronen in einer Bindung stärker an sich, sodass eine ungleiche Verteilung vorliegt. Das Ausmaß dieser ungleichen Elektronenverteilung ist dabei vom Elektronegativitätsunterschied der beiden Atomen abhängig.

Zudem kannst Du in der Tabelle erkennen, dass die Ionisierungsenergie, die Elektronegativität sowie der Schmelz- und Siedepunkt mit steigender Ordnungszahl abnehmen. Im Gegensatz dazu nehmen die Dichte und die Reaktivität zu. Mit höher werdender Ordnungszahl steigt der Atomradius, wodurch sich die Entfernung zwischen Elektron und Atomkern vergrößert. Das Elektron ist weniger stark gebunden, wodurch die Reaktivität steigt.

Anhand der Ordnungszahl werden die Elemente im Periodensystem sortiert. Zudem gibt sie Dir Informationen über die Protonen- und Elektronenzahl des Elements.

Die Alkalimetalle werden auch Leichtmetalle genannt, da ihre Dichte gering ist.

Flammenfärbung bei Alkalimetallen

Neben den eben beschriebenen Eigenschaften haben Alkalimetalle die Eigenschaft, dass sie in einer Flamme charakteristische Flammenfärbungen zeigen. Dieses Phänomen beruht auf der Umwandlung von Wärmeenergie in Strahlungsenergie.

Durch die Wärme in Form einer Flamme wird im jeweiligen Element das Valenzelektron in einen angeregten Zustand versetzt. Das bedeutet, dass das Außenelektron auf ein höheres Energieniveau „springt“. Wenn dieses angeregte Elektron nach kurzer Zeit wieder in sein ursprüngliches Energieniveau zurückfällt, entsendet das Alkalimetall Lichtstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge.

Das kannst Du dann als farbige Flamme beobachten. Beachte hierbei, dass die Energieunterschiede bei den verschiedenen Elementen unterschiedlich hoch sind. Dadurch kommen auch die verschiedenen Farben der Flammen zustande.

Die Farbe der Flamme sowie die Wellenlänge des Lichts für das jeweilige Alkalimetall siehst Du in der folgenden Tabelle. Die Flammenfärbung tritt auch bei den Salzen der Alkalimetalle auf.

ElementFlammenfärbungWellenlänge des Lichts
Lithiumrot671 nm
Natriumgelb589 nm
Kaliumviolett768 nm und 404 nm
Rubidiumrot780 nm und 421 nm
Caesiumblau-violett458 nm

Aufgrund der Flammenfärbung werden Verbindungen, die Alkalimetalle enthalten, in Feuerwerk genutzt. Zudem dient die Flammenfärbung als Nachweisreaktion für Alkalimetalle und deren Ionen.

Für diesen qualitativen Nachweis gibst Du zur Probe etwas Salzsäure. So entsteht das Chlorid des Alkalimetalls, das gut zu verdampfen ist. In diese Mischung tauchst Du ein Magnesiastäbchen. Diese Stäbchen bestehen aus Magnesiumoxid und sind beständig gegenüber Hitze. Du hältst das Stäbchen mit der Probe in die Feuerflamme eines Bunsenbrenners. Anhand der auftretenden Farbe der Flamme kannst Du Rückschlüsse auf das Element ziehen, das in der Probe vorkommen muss.

Mit einem qualitativen Nachweis findest Du heraus, welche Elemente in einer Probe enthalten sind. Im Fall der Flammenfärbung kannst Du feststellen, ob und sogar welche Alkalimetalle in einer Substanz vorhanden sind. Du bist neugierig geworden und interessierst Dich für die qualitative Analyse? Dann schaue gerne bei der passenden Erklärung vorbei.

Reaktionen von Alkalimetallen

Alkalimetalle sind sehr reaktionsfreudige Elemente und können mit vielen Verbindungen reagieren. Dazu zählen Wasserstoff, Wasser, Luft und die Halogene.

Reaktion mit Wasserstoff

Bei der Reaktion mit Wasserstoff bilden die Alkalimetalle Alkalimetallhydride. Die allgemeine Reaktionsgleichung beschreibt deren Bildung. Dabei ist Me ein Alkalimetall und MeH das entsprechende Alkalimetallhydrid.

Die thermische Beständigkeit der gebildeten Hydride verringert sich mit steigender Ordnungszahl. Lithiumhydrid zeigt die größte Beständigkeit und Caesiumhydrid die geringste.

Thermische Beständigkeit beschreibt die Eigenschaft, wie widerstandsfähig eine Substanz gegenüber Temperaturen ist.

Reaktion mit Sauerstoff

Alkalimetalloxide, wie Lithiumoxid, Alkalimetallperoxide, zum Beispiel Natriumperoxid, und Alkalimetallhyperoxide, beispielsweise Kaliumhyperoxid, entstehen bei der Reaktion von Alkalimetallen mit Sauerstoff. Die Bildung der eben genannten Beispiele zeigen die folgenden Reaktionsgleichungen.

Reaktion in Wasser

Mit Wasser können die Akalimetalle ebenso reagieren. Bei dieser Reaktion bilden sich Alkalimetallhydroxiden und es wird Wasserstoff freigesetzt. Ein Beispiel ist die Bildung von Kaliumhydroxid. Die Reaktionsgleichung zeigt die Reaktion von Kalium und Wasser zu Kaliumhydroxid und Wasserstoff.

Reaktion mit Halogenen und Halogenwasserstoffe

Durch die Reaktion von Alkalimetallen mit Halogenen bilden sich Alkalimetallhalogenide. In der folgenden Reaktionsgleichung stellt das Me ein beliebiges Alkalimetall dar und das X ist ein Halogen.

Bei der Entstehung von Alkalimetallhalogeniden solltest Du beachten, dass die Reaktionskraft vom Lithium zum Caesium zunimmt und vom Fluor zum Iod abnimmt. So findet kaum eine Reaktion zwischen Natrium und Iod statt. Zwischen Natrium und Brom ist sie sehr langsam. Im Gegensatz dazu kommt es zwischen Kalium und Brom zu einer explosionsartigen Reaktion.

Außerdem können Halogenwasserstoffe mit Alkalimetalle reagieren. Dabei bildet sich Kohlenstoff. Die Reaktion verläuft explosionsartig. Die Reaktionsgleichung zeigt Dir die Reaktion von Natrium mit Tetrachlormethan zu Natriumchlorid und Kohlenstoff.

Weitere Reaktionen

Des Weiteren sind Alkalimetalle in flüssigem Ammoniak löslich. Durch das Lösen entsteht eine Lösung mit einer intensiv blauen Farbe. Während dem Lösevorgang bilden sich positive Alkalimetall-Ionen und solvatisierte Elektronen. Das bedeutet, die Teilchen des Lösungsmittels lagern sich an die Elektronen an. Deswegen werden diese Lösungen als ein sehr starkes Reduktionsmittel eingesetzt. Durch Zusatz eines geeigneten Komplexbildners zu solchen Lösungen können Alkalide, Verbindungen mit einem negativ geladenen Alkalimetall-Ion, hergestellt werden.

Du weißt nicht, was Komplexe sind? Dann ließ Dir gerne die Erklärung Komplexchemie dazu durch.

Vorkommen und Gewinnung von Alkalimetallen

Du hast bereits gelernt, dass Alkalimetalle sehr reaktive Elemente sind. Deswegen liegen Alkalimetalle natürlicherweise nur in Form von Mineralien vor. So kommen Lithium, Natrium und Kalium in Silicaten vor. Zudem ist Natrium in Steinsalz, Soda, Thenardit, Chilesalpeter und Kryolith enthalten.

Weiterhin liegen die Alkalimetalle Natrium und Kalium zusammen mit anderen Elementen als Ionen im Wasser vor.

Rubidium und Caesium kommen nicht allein in der Natur vor, sondern liegen immer zusammen mit anderen Alkalimetallen vor. Francium ist ein radioaktives Element.

Radioaktivität beschreibt die Eigenschaft, dass instabile Atomkerne zerfallen und dabei verschiedene Arten von Strahlungen emittieren. 223Fr ist ein Isotop von Francium und besitzt beispielsweise eine Halbwertszeit von 21,8 Minuten. Das bedeutet, nach 21,8 Minuten ist die Hälfte der Atomkerne von Francium zerfallen.

Atomkerne, welche die gleiche Protonenanzahl besitzen, jedoch eine unterschiedliche Menge an Neutronen aufweisen, werden als Isotope bezeichnet.

Für die Gewinnung von Natrium und Lithium wird die Elektrolyse eingesetzt. Natriumhydroxid oder Natriumchlorid dienen beispielsweise als Ausgangsmaterial.

Zur Herstellung von Kalium wird die sogenannte Metallothermie genutzt. Bei diesem Verfahren entsteht Kalium, indem geschmolzenes Kaliumchlorid mittels Natrium reduziert wird. Die Reaktionsgleichung zeigt Dir die stattfindende Redoxreaktion.

Rubidium und Caesium werden auf eine ähnliche Weise gewonnen. Auch für diese Alkalimetalle wird die Reduktion von passenden Stoffen, wie Chromaten, angewendet. Diese Reaktion veranschaulicht die Reaktionsgleichung. Als Edukt dient hier Caesiumdichromat.

Verwendung von Alkalimetallen

Nachdem Du Einiges über das natürliche Vorkommen und das Gewinnen von Alkalimetallen erfahren hast, beschäftigst Du Dich nun mit deren Verwendung.

Lithium wird in Legierungen eingesetzt. So werden beispielsweise Legierungen, die Magnesium, Blei und Aluminium enthalten, durch den Zusatz von Lithium härter. Des Weiteren wird Lithium zur Produktion von Batterien und Akkumulatoren genutzt.

Eine Legierung ist eine Mischung mehrerer Elemente. Dabei ist mindestens eines dieser Elemente ein Metall. Eine sehr bekannte Legierung ist Bronze. Sie besteht aus den Elementen Kupfer und Zinn. Wenn Du mehr über Legierungen lernen willst, lies Dir gerne die Erklärung darüber durch.

Natrium wird in Natriumdampflampen verwendet. Diese Lampen besitzen ein charakteristisches, gelbes Licht.

In Abbildung 4 kannst Du eine Natriumdampflampe sehen.

Alkalimetalle Natriumdampflampe StudySmarterAbbildung 4: Natriumdampflampe

Auch für die Herstellung des blauen Farbstoffs Indigo, mit dem Deine Jeans gefärbt werden, wird Natrium benötigt. Denn aus Natrium wird Natriumamid hergestellt. Natriumamid wiederum dient zur Erzeugung von Indigo. Weiterhin wird Natrium zur Herstellung von Natriumperoxid, ein Bleichmittel, verwendet. Daneben ist die Produktion Natriumcyanid, was zum Gewinnen von Silber genutzt wird, ein weiteres Einsatzgebiet von Natrium.

Caesium findet in Fotozellen, Glühkathoden und weiteren technischen Produkten Verwendung. Die Halogenide von Rubidium werden in einigen Medikamenten genutzt. Kalium und Francium spielen weniger eine Rolle.

Alkalimetalle – Das Wichtigste

  • „Alkalimetalle“ ist die Bezeichnung für die Elemente der 1. Hauptgruppe im Periodensystem, dazu zählen Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium.
  • Alkalimetalle sind sehr reaktionsfreudig, da sie ein schwach gebundenes Valenzelektron besitzen.
  • In einer Flamme zeigen Alkalimetalle eine Flammenfärbung, wobei jedes Element eine charakteristische Farbe aufweist.
  • Alkalimetalle können mit vielen Verbindungen, wie Wasserstoff, Wasser, Luft und Halogenen, reagieren.
  • Alkalimetalle kommen in Form von Mineralien vor. Die Elemente werden durch Elektrolyse und Metallothermie gewonnen.

Nachweise

  1. Theodore L. Brown et al. Chemie. Die zentrale Wissenschaft. Pearson Studium
  2. nature.com: Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water. (09.08.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Alkalimetalle

Zu den Alkalimetallen zählen die Elemente Lithium, Natrium, Rubidium, Caesium und Francium.

Die Elemente der 1. Hauptgruppen werden Alkalimetalle und die Elemente der 2. Hauptgruppe werden Erdalkalimetalle genannt. Erdalkalimetalle besitzen zwei Valenzelektronen, die Alkalimetalle nur eins. Zudem sind sie weniger reaktiv als die Alkalimetalle und haben eine härtere Beschaffenheit.

Alkalimetalle liegen natürlicherweise in Form von Mineralien vor. Zudem kommen Natrium und Kalium als Ionen im Wasser vor.

Alkalimetalle, insbesondere schwere Alkalimetalle, sollten unter Ausschluss von Luft gelagert werden. Zudem sollte auf eine trockene und wasserfreie Aufbewahrung geachtet werden.

Finales Alkalimetalle Quiz

Frage

Wie werden die Alkalimetalle gewonnen?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch Elektrolyse und Metallothermie werden die Alkalimetalle gewonnen.

Frage anzeigen

Frage

Wo werden Alkalimetalle verwendet? Nenne drei Punkte.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Natriumdampflampen
  • Herstellung des blauen Jeansfarbstoffs Indigo
  • Legierungen

Frage anzeigen

Frage

Alkalimetalle ...

Antwort anzeigen

Antwort

sind silbrig und glänzend.

Frage anzeigen

Frage

Warum wird Wasserstoff nicht als Alkalimetall gezählt?

Antwort anzeigen

Antwort

Wasserstoff wird nicht zu den Alkalimetallen gezählt, da es ein Nichtmetall ist und Alkalimetalle reaktionsfreudige Metalle sind.

Frage anzeigen

Frage

Warum kommen Alkalimetalle natürlicherweise nur als Mineralien vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Alkalimetalle sind sehr reaktive Elemente. Deswegen liegen Alkalimetall natürlicherweise nur in Form von Mineralien vor.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel für die Bildung eines Alkalimetallhydroxids inklusive Reaktionsgleichung.

Antwort anzeigen

Antwort

Kaliumhydroxid ist ein Beispiel.


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Frage

Gib die allgemeine Reaktionsgleichung für die Reaktion von Alkalimetallen mit Wasserstoff an.

Antwort anzeigen

Antwort

Alkalimetalle allgemeine Reaktionsgleichung von Alkalimetallen mit Wasserstoff zu Alkalimetallhydride StudySmarter

Frage anzeigen

Frage

Welche Farben zeigen die Flammen der jeweiligen Alkalimetalle?

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Antwort

Element
Flammenfärbung
Lithium
rot
Natrium
gelb
Kalium
violett
Rubidium
rot
Caesium
blau-violett

Frage anzeigen

Frage

Schwere Alkalimetalle können sich an der Luft sogar selbst entzünden. Stimmt diese Aussage?

Antwort anzeigen

Antwort

Richtig, deswegen müssen unter Abschluss von Luft gelagert werden. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Elemente gehören zu den Alkalimetallen?

Antwort anzeigen

Antwort

Zu den Alkalimetallen gehören alle Elemente der 1. Hauptgruppe im Periodensystem. Hierzu zählen Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium.

Frage anzeigen

Frage

Bei der Reaktion von Alkalimetallen mit anderen Stoffen bildet sich nur wenig Wärme. Richtig oder falsch?

Antwort anzeigen

Antwort

Falsch

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Frage

Welche Aussage lässt sich über die Ionisierungsenergie und Elektronegativität treffen?

Antwort anzeigen

Antwort

Alkalimetalle haben ein schwach gebundenes Außenelektron. Dadurch sind die Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten recht niedrig.

Frage anzeigen

Frage

Alkalimetalle haben die Eigenschaft, dass sie in einer ... charakteristische Flammenfärbung zeigen. Dieses Phänomen beruht auf der Umwandlung von ... . Die Wärme in Form einer Flamme wird vom jeweiligen Element genutzt, um das Valenzelektron ... zu versetzen. Wenn dieses angeregte Elektron wieder in sein ursprüngliches Energieniveau zurückfällt, emittiert das Alkalimetall ... .

Antwort anzeigen

Antwort

1) neutralen Flamme

2) Wärmeenergie in Strahlungsenergie

3) in einen angeregten Zustand

4) Lichtstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge

Frage anzeigen

Frage

Warum werden Alkalimetalle für Feuerwerkskörper benutzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Flammenfärbung

Frage anzeigen

Frage

Welche Verbindungen können bei der Reaktion von Alkalimetallen mit Sauerstoff entstehen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Alkalimetalloxide
  • Alkalimetallperoxide
  • Alkalimetallhyperoxide

Frage anzeigen

Frage

Mit Halogenen reagieren die Alkalimetalle zu den Alkalimetallhalogeniden. Dabei nimmt die Reaktionsstärke vom Lithium zum Caesium zu und vom Fluor zum Iod ab. Richtig oder falsch?

Antwort anzeigen

Antwort

Richtig

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