Alkalimetalle und Halogene im Vergleich

Einstieg: Ein Metall, das man mit dem Messer schneidet

Natrium wird im Labor unter Paraffinöl aufbewahrt. Nimmt die Lehrkraft ein Stück heraus, lässt es sich wie kalte Butter mit einem Messer schneiden. Die frische Schnittfläche glänzt silbern, wird aber in Sekunden matt und grau. Wirft man ein linsengroßes Stück in Wasser, flitzt es zischend über die Oberfläche. Warum verhalten sich Lithium, Natrium und Kalium so ähnlich und doch verschieden heftig?

Erklärung: Die Alkalimetalle

Die Elemente der I. Hauptgruppe ohne Wasserstoff heißen Alkalimetalle: Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs). Gemeinsame Eigenschaften:

• weiche, silbrig glänzende Metalle mit geringer Dichte (Lithium, Natrium und Kalium schwimmen auf Wasser),
• niedrige Schmelztemperaturen,
• sehr reaktionsfreudig: Sie reagieren mit dem Sauerstoff der Luft und heftig mit Wasser. Deshalb lagert man sie unter Paraffinöl.

Reaktion mit Wasser: Dabei entstehen Wasserstoff und eine alkalische Lösung, die Universalindikator blau färbt. Daher stammt der Name: „Alkali“ kommt aus dem Arabischen und bezeichnete Pflanzenasche, deren Lösung alkalisch ist.

$2\,\mathrm{Li} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{LiOH} + \mathrm{H_{2}}$

$2\,\mathrm{Na} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_{2}}$

$2\,\mathrm{K} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{KOH} + \mathrm{H_{2}}$

Trend in der Gruppe: Von Lithium zu Kalium wird die Reaktion heftiger. Lithium reagiert gemächlich, Natrium flitzt umher und schmilzt zu einer Kugel, Kalium entzündet den Wasserstoff mit violetter Flamme. Die Erklärung kennst du aus dem Atombau: Das einzelne Valenzelektron liegt bei Kalium weiter außen als bei Lithium und lässt sich leichter abgeben. Die Schmelztemperatur sinkt dagegen nach unten.

Element	Schmelztemperatur	Dichte	Reaktion mit Wasser	Flammenfärbung
Lithium	181 °C	0,53 g/cm³	ruhig	karminrot
Natrium	98 °C	0,97 g/cm³	heftig	gelb
Kalium	64 °C	0,86 g/cm³	sehr heftig, entzündet sich	violett

Erklärung: Die Halogene

Die Elemente der VII. Hauptgruppe heißen Halogene: Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I). Der Name bedeutet „Salzbildner“. Gemeinsame Eigenschaften:

• Nichtmetalle aus zweiatomigen Molekülen: $\mathrm{F_{2}}$, $\mathrm{Cl_{2}}$, $\mathrm{Br_{2}}$, $\mathrm{I_{2}}$,
• farbig, giftig, stechend riechend,
• sehr reaktionsfreudig: Sie reagieren mit Metallen zu Salzen, zum Beispiel Natrium mit Chlor zu Natriumchlorid.

Element	Aggregatzustand bei 20 °C	Farbe	Reaktionsfähigkeit
Fluor	gasförmig	blassgelb	am größten
Chlor	gasförmig	gelbgrün	groß
Brom	flüssig	rotbraun	mittel
Iod	fest	grauschwarz, Dampf violett	am kleinsten

Trend in der Gruppe: Von oben nach unten steigen Schmelz- und Siedetemperatur, die Farbe wird dunkler, die Reaktionsfähigkeit nimmt ab. Halogenatome haben 7 Valenzelektronen und nehmen bei Reaktionen leicht ein Elektron auf. Fluoratome sind die kleinsten Halogenatome und haben die höchste Elektronegativität aller Elemente: Sie ziehen Elektronen in Bindungen am stärksten zu sich. Außerdem ist die Bindung im $\mathrm{F_{2}}$-Molekül schwach und leicht zu spalten. Beides macht Fluor so reaktionsfreudig.

Erklärung: Die Edelgase

Die Elemente der VIII. Hauptgruppe heißen Edelgase: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon. Sie sind farblose Gase aus einzelnen Atomen und reagieren praktisch nicht. Ihre äußere Schale ist voll besetzt (Helium 2, die anderen 8 Elektronen). Diesen Zustand nennt man Edelgaskonfiguration. Wie wichtig er ist, siehst du in der nächsten Lektion.

Sicherheit

Alkalimetalle und Halogene sind gefährlich. Natrium und Kalium reagieren mit Wasser unter Bildung von brennbarem Wasserstoff, die entstehende Lösung ist stark ätzend. Chlor ist giftig und reizt Augen und Atemwege, Brom ist giftig und ätzend. Diese Versuche führt nur die Lehrkraft mit kleinsten Mengen, Schutzscheibe und Schutzbrille vor, Halogene ausschließlich im Abzug. Für dich gibt es dazu Videos und die Flammenfärbung mit Kochsalz und Kaliumchlorid, die nicht als Gefahrstoffe eingestuft sind. Lithiumchlorid ist gesundheitsschädlich und reizt Haut und Augen, die Lithiumflamme zeigt deshalb die Lehrkraft.

Beispiele

Beispiel 1: Rubidium vorhersagen

Rubidium steht unter Kalium. Vorhersage: noch niedrigere Schmelztemperatur, noch heftigere Reaktion mit Wasser. Gleichung analog:

$2\,\mathrm{Rb} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{RbOH} + \mathrm{H_{2}}$

Tatsächlich schmilzt Rubidium schon bei 39 °C und reagiert mit Wasser explosionsartig.

Beispiel 2: Flammenfärbung als Nachweis

Hält man ein Magnesiastäbchen mit etwas Kochsalz in die nicht leuchtende Brennerflamme, leuchtet die Flamme kräftig gelb. Kaliumchlorid färbt sie fahlviolett, Lithiumchlorid karminrot. Die Farbe verrät das Alkalimetall, nicht das Chlorid. So weist man Alkalimetalle in ihren Verbindungen nach. Da schon Spuren von Natrium die Flamme gelb färben, betrachtet man die Kaliumflamme durch ein blaues Cobaltglas, das das gelbe Licht schluckt.

Merksatz

Elemente einer Hauptgruppe bilden eine Elementfamilie mit ähnlichen Eigenschaften. Alkalimetalle haben 1 Valenzelektron, reagieren heftig mit Wasser zu Wasserstoff und einer alkalischen Lösung und werden nach unten reaktionsfreudiger. Halogene haben 7 Valenzelektronen, bilden zweiatomige Moleküle und werden nach unten weniger reaktionsfreudig. Edelgase haben eine voll besetzte Außenschale und reagieren praktisch nicht.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne drei gemeinsame Eigenschaften der Alkalimetalle.
2. Stelle die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Caesium mit Wasser auf.
3. Ordne den Halogenen ihren Aggregatzustand bei Raumtemperatur zu.

Weiter

4. Erkläre mit dem Atombau, warum Kalium heftiger mit Wasser reagiert als Lithium.
5. Erkläre, warum Fluor das reaktionsfreudigste Halogen ist.
6. Eine Salzprobe färbt die Brennerflamme gelb. Durch ein Cobaltglas betrachtet erscheint sie fahlviolett. Welche Alkalimetalle enthält die Probe?

Knobeln

7. Die Schmelztemperatur der Alkalimetalle sinkt nach unten, die der Halogene steigt. Beschreibe die beiden Trends mit Werten aus den Tabellen.
8. Beim Versuch von Natrium mit Wasser gibt die Lehrkraft einige Tropfen Universalindikator ins Wasser. Begründe, warum der Indikator hilft, die Reaktion zu deuten.

Lösungen

1. Zum Beispiel: weich und mit dem Messer schneidbar, silbrig glänzend, geringe Dichte, reagieren heftig mit Wasser, werden unter Paraffinöl gelagert, 1 Valenzelektron.
2. $2\,\mathrm{Cs} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{CsOH} + \mathrm{H_{2}}$
3. Fluor und Chlor gasförmig, Brom flüssig, Iod fest.
4. Das Valenzelektron von Kalium liegt auf der 4. Schale, das von Lithium auf der 2. Schale. Bei Kalium ist es weiter vom Kern entfernt und wird schwächer angezogen. Es wird leichter abgegeben, deshalb reagiert Kalium heftiger.
5. Fluoratome sind die kleinsten Halogenatome. Ihre Außenschale liegt nah am Kern, deshalb ziehen sie Elektronen in Bindungen am stärksten an (höchste Elektronegativität). Außerdem lässt sich die schwache Bindung im $\mathrm{F_{2}}$-Molekül leicht spalten.
6. Natrium (gelb) und Kalium (violett durch das Cobaltglas).
7. Alkalimetalle: Lithium 181 °C, Natrium 98 °C, Kalium 64 °C, Rubidium 39 °C, nach unten sinkend. Halogene: Fluor und Chlor sind gasförmig, Brom flüssig, Iod fest. Die Schmelz- und Siedetemperaturen steigen nach unten.
8. Bei der Reaktion entsteht Natriumhydroxid, die Lösung wird alkalisch. Universalindikator färbt sich in alkalischer Lösung blau bis violett. Die Färbung, die sich vom Natriumstück aus ausbreitet, zeigt, dass ein neuer Stoff entstanden ist.