Gruppe 1: die Alkalimetalle
Gruppe 1 enthält Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Caesium (Cs). Sie heißen Alkalimetalle, weil sie mit Wasser Laugen (lösliche Basen) bilden.
- Ein Außenelektron: Die Elektronenkonfiguration endet auf ns¹ (Na: 2, 8, 1).
- Sie geben dieses Elektron leicht ab und bilden M⁺-Ionen, deshalb sind ihre Verbindungen Ionenverbindungen.
- Weich: Natrium lässt sich mit dem Messer schneiden. Frisch geschnitten glänzt es, läuft an der Luft aber bald matt an.
- Geringe Dichte: Li, Na und K schwimmen auf Wasser.
- Niedrige Schmelzpunkte, die in der Gruppe nach unten sinken.
Trends in der Gruppe nach unten
Die Atome werden größer, das Außenelektron ist weiter vom Kern entfernt und wird schwächer festgehalten. Die Ionisierungsenergie sinkt und die Reaktivität steigt: Li reagiert mit Wasser ruhig, Na zischt, K entzündet sich mit lilafarbener Flamme.
Weil sie mit Luft und Wasser reagieren, werden Na und K unter Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt.
Reaktionen von Natrium
Mit Wasser
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Das Natrium schwimmt, schmilzt zu einer Kugel (die Reaktion gibt Wärme ab), zischt und bewegt sich hin und her. Ein Tropfen Phenolphthalein wird pink, weil NaOH eine Lauge ist.
Mit Sauerstoff
- Langsam bei Raumtemperatur: 4Na + O₂ → 2Na₂O (Natriumoxid, weiß).
- Mit viel Luft verbrannt: 2Na + O₂ → Na₂O₂ (Natriumperoxid, hellgelb).
Beide reagieren mit Wasser. Na₂O + H₂O → 2NaOH. Natriumperoxid setzt außerdem Sauerstoff frei: 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑, und mit Kohlenstoffdioxid: 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂. Deshalb wurde Na₂O₂ in U-Booten und Atemschutzgeräten zur Sauerstoffversorgung genutzt.
Mit Chlor
2Na + Cl₂ → 2NaCl (Kochsalz), mit hellgelber Flamme.
Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat
| Na₂CO₃ (mit Kristallwasser als Soda: Na₂CO₃·10H₂O) | NaHCO₃ (Natron) | |
|---|---|---|
| Löslichkeit | Besser löslich | Schlechter löslich |
| Lösung | Ziemlich stark alkalisch | Schwach alkalisch |
| Beim Erhitzen | Zerfällt nicht | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ |
| Mit Säure | Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ | NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (schneller) |
| Verwendung | Glas, Seife, Enthärten von hartem Wasser | Backen, Mittel gegen Sodbrennen, Feuerlöscher |
Um sie zu unterscheiden, erhitze jeden Feststoff und leite das Gas in Kalkwasser: Nur bei NaHCO₃ wird es milchig. Sie lassen sich ineinander umwandeln: Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃.
Flammenproben und die Nachbarn der Gruppe 1
Flammenproben
Tauche einen sauberen Platin- oder Nichromdraht in das Salz und halte ihn in eine heiße, fast farblose Flamme. Die Hitze hebt Elektronen auf höhere Niveaus; wenn sie zurückfallen, senden sie Licht in einer festen Farbe aus.
- Li: karminrot · Na: leuchtend gelb · K: lila (durch blaues Kobaltglas betrachten, um das Gelb von Natrium auszublenden) · Ca: ziegelrot · Ba: blassgrün · Cu: blaugrün.
Feuerwerk nutzt diese Farben.
Gruppe 2 und Aluminium in Kürze
Magnesium und Calcium (Gruppe 2) haben zwei Außenelektronen, bilden M²⁺-Ionen und sind weniger reaktiv als Gruppe 1. Gelöstes Ca²⁺ und Mg²⁺ machen Wasser hart: Seife bildet Kalkseife (Ablagerungen). Temporäre Härte (durch Hydrogencarbonate) verschwindet beim Kochen; permanente Härte (Sulfate, Chloride) wird mit Soda oder Ionenaustausch entfernt.
Aluminium (Gruppe 13) bildet Al³⁺. Sein Oxid und Hydroxid sind amphoter: Sie reagieren sowohl mit Säuren als auch mit Laugen, z. B. Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O und Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].
In Lebewesen
Na⁺ und K⁺ leiten Nervensignale weiter und steuern den Wasserhaushalt; Ca²⁺ baut Knochen und Zähne auf; Mg²⁺ sitzt im Zentrum des Chlorophylls. Bananen und Kokoswasser enthalten viel Kalium.
Zum Ausprobieren zu Hause
Gib einen Löffel Natron in ein Glas, füge Zitronensaft oder Essig hinzu und sieh zu, wie das CO₂ sprudelt. Streue dann (mit einem Erwachsenen) eine Prise Salz in eine Gasflamme und achte auf die gelbe Natriumfarbe.
Wichtige Formeln und Definitionen
- 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ (M = Li, Na, K…)
- 4Na + O₂ → 2Na₂O; 2Na + O₂ → Na₂O₂
- 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
- 2NaHCO₃ →(Wärme) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
- Flammenfarben: Li rot, Na gelb, K lila, Ca ziegelrot, Ba grün, Cu blaugrün
Gelöste Beispiele
1. Warum reagiert Kalium heftiger mit Wasser als Natrium?
K hat eine Elektronenschale mehr als Na, daher ist sein Außenelektron weiter vom Kern entfernt und stärker abgeschirmt. Es wird leichter abgegeben, also reagiert K schneller.
2. 4.6 g Natrium reagieren vollständig mit Wasser. Welche Masse Wasserstoff entsteht? (Na = 23, H = 1)
2Na → H₂. Stoffmenge Na = 4.6 / 23 = 0.2 mol, also Stoffmenge H₂ = 0.1 mol. Masse = 0.1 × 2 = 0.2 g.
3. 8.4 g NaHCO₃ werden vollständig erhitzt. Welches Volumen CO₂ entsteht bei STP? (NaHCO₃ = 84 g/mol, 22.4 L/mol)
2NaHCO₃ → CO₂. Stoffmenge NaHCO₃ = 0.1 mol, also CO₂ = 0.05 mol. Volumen = 0.05 × 22.4 = 1.12 L.
4. Zwei weiße Pulver sind Na₂CO₃ und NaHCO₃. Nenne einen einfachen Test, um sie zu unterscheiden.
Erhitze beide und leite das Gas durch Kalkwasser. NaHCO₃ gibt CO₂, das Kalkwasser milchig trübt; Na₂CO₃ gibt kein Gas.
Häufige Fehler
- Als Produkt von Natrium und Wasser Na₂O aufschreiben. Das Produkt ist NaOH und H₂.
- Na₂O (Oxid, O²⁻) und Na₂O₂ (Peroxid, O₂²⁻) verwechseln. Das Peroxid entsteht, wenn Natrium mit viel Luft verbrennt.
- Sagen, dass Na₂CO₃ beim Erhitzen CO₂ abgibt. Nur NaHCO₃ zerfällt.
- Glauben, dass die Reaktivität in Gruppe 1 nach unten abnimmt. Bei Metallen nimmt sie zu, weil das Außenelektron leichter abgegeben wird.