Groep 1: de alkalimetalen
Groep 1 bestaat uit lithium (Li), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb) en cesium (Cs). Ze heten alkalimetalen omdat ze met water reageren tot alkaliën (oplosbare basen).
- Eén buitenste elektron: de elektronenconfiguratie eindigt op ns¹ (Na: 2, 8, 1).
- Ze geven dat elektron makkelijk af en vormen M⁺-ionen, dus hun verbindingen zijn ionair.
- Zacht: natrium kun je met een mes snijden. Vers gesneden glanst het, maar in lucht wordt het snel dof.
- Lage dichtheid: Li, Na en K drijven op water.
- Lage smeltpunten die naar beneden in de groep dalen.
Trends naar beneden in de groep
De atoomgrootte neemt toe, dus het buitenste elektron zit verder van de kern en wordt minder stevig vastgehouden. De ionisatie-energie daalt en de reactiviteit neemt toe: Li reageert rustig met water, Na bruist, K vat vlam met een lila vlam.
Omdat ze met lucht en water reageren, worden Na en K onder petroleum of paraffineolie bewaard.
Reacties van natrium
Met water
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Het natrium drijft, smelt tot een bolletje (de reactie geeft warmte af), bruist en beweegt rond. Een druppel fenolftaleïne wordt roze, omdat NaOH een base is.
Met zuurstof
- Langzaam, bij kamertemperatuur: 4Na + O₂ → 2Na₂O (natriumoxide, wit).
- Verbrand met veel lucht: 2Na + O₂ → Na₂O₂ (natriumperoxide, lichtgeel).
Beide reageren met water. Na₂O + H₂O → 2NaOH. Natriumperoxide geeft ook zuurstof: 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑, en met koolstofdioxide: 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂. Daarom is Na₂O₂ gebruikt om zuurstof te leveren in onderzeeërs en ademhalingstoestellen.
Met chloor
2Na + Cl₂ → 2NaCl (keukenzout), met een felgele vlam.
Natriumcarbonaat en natriumwaterstofcarbonaat
| Na₂CO₃ (soda als er kristalwater in zit: Na₂CO₃·10H₂O) | NaHCO₃ (zuiveringszout) | |
|---|---|---|
| Oplosbaarheid | Beter oplosbaar | Minder oplosbaar |
| Oplossing | Vrij sterk basisch | Zwak basisch |
| Bij verhitten | Valt niet uit elkaar | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ |
| Met zuur | Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ | NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (sneller) |
| Gebruik | Glas, zeep, hard water zacht maken | Bakken, maagzuurremmers, brandblussers |
Zo kun je ze uit elkaar houden: verhit beide stoffen en leid het gas door kalkwater. Alleen bij NaHCO₃ wordt het troebel (melkachtig). Ze kunnen in elkaar worden omgezet: Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃.
Vlamproef en de buren van groep 1
Vlamproef
Doop een schone platina- of nichroomdraad in het zout en houd hem in een hete, bijna kleurloze vlam. De hitte tilt elektronen naar hogere niveaus; als ze terugvallen, geven ze licht van een vaste kleur af.
- Li: karmijnrood · Na: felgeel · K: lila (kijk door blauw kobaltglas om het geel van natrium weg te filteren) · Ca: baksteenrood · Ba: lichtgroen · Cu: blauwgroen.
Vuurwerk gebruikt deze kleuren.
Groep 2 en aluminium in het kort
Magnesium en calcium (groep 2) hebben twee buitenste elektronen, vormen M²⁺-ionen en zijn minder reactief dan groep 1. Opgeloste Ca²⁺ en Mg²⁺ maken water hard: zeep vormt dan een korstje. Tijdelijke hardheid (door waterstofcarbonaten) verdwijnt door koken; permanente hardheid (sulfaten, chloriden) verdwijnt met soda of ionenwisseling.
Aluminium (groep 13) vormt Al³⁺. Het oxide en hydroxide zijn amfoteer: ze reageren met zowel zuren als basen, bijvoorbeeld Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O en Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].
In levende wezens
Na⁺ en K⁺ geven zenuwsignalen door en regelen de waterbalans; Ca²⁺ bouwt botten en tanden; Mg²⁺ zit in het midden van chlorofyl. Bananen en kokoswater zitten vol kalium.
Probeer het thuis
Doe een lepel zuiveringszout in een glas, voeg citroensap of azijn toe en zie het CO₂ bruisen. Strooi daarna (met een volwassene erbij) een snuifje zout in een gasvlam en kijk naar de gele kleur van natrium.
Belangrijke formules en begrippen
- 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ (M = Li, Na, K…)
- 4Na + O₂ → 2Na₂O; 2Na + O₂ → Na₂O₂
- 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
- 2NaHCO₃ →(heat) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
- Vlamkleuren: Li rood, Na geel, K lila, Ca baksteenrood, Ba groen, Cu blauwgroen
Uitgewerkte voorbeelden
1. Waarom reageert kalium heftiger met water dan natrium?
K heeft één elektronenschil meer dan Na, dus het buitenste elektron zit verder van de kern en wordt sterker afgeschermd. Het wordt makkelijker afgegeven, dus K reageert sneller.
2. 4.6 g natrium reageert volledig met water. Hoeveel gram waterstof ontstaat er? (Na = 23, H = 1)
2Na → H₂. Mol Na = 4.6 / 23 = 0.2 mol, dus mol H₂ = 0.1 mol. Massa = 0.1 × 2 = 0.2 g.
3. 8.4 g NaHCO₃ wordt volledig verhit. Welk volume CO₂ ontstaat er bij STP? (NaHCO₃ = 84 g/mol, 22.4 L/mol)
2NaHCO₃ → CO₂. Mol NaHCO₃ = 0.1 mol, dus CO₂ = 0.05 mol. Volume = 0.05 × 22.4 = 1.12 L.
4. Twee witte poeders zijn Na₂CO₃ en NaHCO₃. Noem één eenvoudige proef om ze te onderscheiden.
Verhit beide en leid het gas door kalkwater. NaHCO₃ geeft CO₂ en dat maakt kalkwater troebel; Na₂CO₃ geeft geen gas.
Veelgemaakte fouten
- Na₂O opschrijven als product van natrium met water. Het product is NaOH en H₂.
- Na₂O (oxide, O²⁻) en Na₂O₂ (peroxide, O₂²⁻) door elkaar halen. Peroxide ontstaat als natrium met veel lucht brandt.
- Zeggen dat Na₂CO₃ bij verhitten CO₂ geeft. Alleen NaHCO₃ valt uit elkaar.
- Denken dat de reactiviteit naar beneden in groep 1 afneemt. Bij metalen neemt ze toe, omdat het buitenste elektron makkelijker wordt afgegeven.