Alkalimetaller

Når alkalimetaller er kemiske elementer lithium , natrium , kalium , rubidium , cæsium og francium fra den 1. hovedgruppe i det periodiske system, der refereres til. De er sølvfarvede, reaktive metaller, der har en enkelt elektron i deres valensskal , som de let kan afgive som et stærkt reduktionsmiddel. Selvom brint også er i den første hovedgruppe i mange repræsentationer af det periodiske system - øverst og normalt adskilt med et hul eller vist i en anden farve - kan hydrogen på ingen måde tælles blandt alkalimetallerne. Som et typisk ikke-metal er hydrogen gasformigt og ikke fast under standardbetingelser , har en meget højere ioniseringsenergi og viser ikke nogen typiske metalliske egenskaber .

etymologi

Navnet på alkalimetaller stammer fra det arabiske ord القلية/ Al-Qalya for " kaliumchlorid ", det gamle navn for kaliumcarbonat opnået fra plante aske . I 1807 præsenterede Humphry Davy grundstoffet kalium for første gang ved hjælp af smeltet saltelektrolyse fra kaliumhydroxid, det sidste fik han fra kaliumcarbonat. På nogle sprog afspejles dette i navnet. Så er kalium for eksempel på engelsk og fransk kalium og italiensk potassio .

ejendomme

De fem stabile alkalimetaller

Alkalimetaller er skinnende metalliske, sølvhvide bløde letmetaller . Cæsium har en gylden nuance med den mindste forurening. De kan skæres med en kniv . Alkalimetaller har en lav densitet . De reagerer med mange stoffer , for eksempel med vand , luft eller halogener, nogle gange ekstremt voldsomt ved stærk varmegenerering. Især de tungere alkalimetaller kan selvantænde, når de udsættes for luft . Derfor opbevares de under beskyttende væsker som paraffin eller råolie (lithium, natrium og kalium) eller i mangel af luft i ampuller (rubidium og cæsium).

Som elementer i den første gruppe i det periodiske system har de kun en svagt bundet s - elektron , de afgiver lys. Deres første ioniseringsenergier og deres elektronegativiteter er tilsvarende små. I forbindelser forekommer de alle næsten udelukkende som monovalente kationer , selvom der kendes forbindelser, hvor disse metaller er anioniske (f.eks. Natrium , kompleksbundet med såkaldte kryptander ).

• 

  lithium

• 

  natrium

• 

  kalium

• 

  Rubidium

Alkalimetaller og deres salte har en bestemt flammefarve :

• Lithium og dets salte farver flammen rød (671 nm).
• Natrium og dets salte gør flammen gul (589 nm).
• Kalium og dets salte farver flammen lilla (768 og 404 nm).
• Rubidium og dets salte farver flammen rød (780 og 421 nm).
• Cæsium og dets salte farver flammen blå-violet (458 nm).

På grund af denne flammefarve bruges alkalimetalforbindelser til fyrværkeri .

I atomfysik anvendes alkalimetaller, da det er særlig let med på grund af deres særligt enkle elektroniske struktur, kan seje lasere .

Fysiske egenskaber

Alle alkalimetaller krystalliserer i den kropscentrerede kubiske struktur . Kun lithium og natrium krystalliserer i den sekskantede tætteste emballage, når lave temperaturer hersker.

Elementatomer og kationer radius stiger med stigende massetal. Mange andre egenskaber ved alkalimetallerne viser en tendens fra top til bund i gruppen:

• Fald i hårdhed , ioniseringsenergi , elektronegativitet , smelte- og kogepunkter ,
• Stigning i reaktivitet , grundlæggende og tæthed .

element	lithium	natrium	kalium	Rubidium	Cæsium	Francium
Smeltepunkt (1013 hPa)	453,69 K (180,54 ° C)	370,87 K (97,72 ° C)	336,53 K (63,38 ° C)	312,46 K (39,31 ° C)	301,59 K (28,44 ° C)	298 K (25 ° C)
Kogepunkt (1013 hPa)	1603 K (1330 ° C)	1163 K (890 ° C)	1047 K (774 ° C)	961,2 K (688 ° C)	963,2 K (690 ° C)	950 K (677 ° C)
Kritisk punkt	3220 K (2947 ° C) 67 MPa	2573 K (2300 ° C) 35 MPa	2223 K (1950 ° C) 16 MPa	2093 K (1820 ° C) 16 MPa	1938 K (1665 ° C) 9,4 MPa
Massefylde (20 ° C, 1013 hPa)	0,534 g / cm 3	0,968 g / cm 3	0,856 g / cm 3	1,532 g / cm 3	1,90 g / cm 3	2,48 g / cm 3
Mohs hårdhed	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2
Elektrisk ledningsevne	10,6 x 106 S / m	21 · 10 6 S / m	14,3 x 10 6 S / m	7,52 x 10 6 S / m	4,76 x 106 S / m
Atommasse	6,94 u	22.990 u	39.098 u	85.468 u	132.905 u	223.020 u
Elektronegativitet	0,98	0,93	0,82	0,82	0,79	0,70
struktur
Krystal system	kropscentreret kubik	kropscentreret kubik	kropscentreret kubik	kropscentreret kubik	kropscentreret kubik	kropscentreret kubik

Reaktioner og forbindelser

Alkalimetallerne reagerer med hydrogen for at danne saltlignende alkalimetalhydrider :

${\ displaystyle {\ ce {2 Me + H_2 -> 2 MeH}}}$

Den termiske stabilitet af hydrider falder fra lithiumhydrid til cæsiumhydrid . Alkalihydrider anvendes som reduktions- eller tørremidler .

Metallerne reagerer med ilt for at danne faste, hvide alkalimetaloxider ( lithiumoxid , natriumoxid ), alkalimetalperoxider ( natriumperoxid , kaliumperoxid ) og alkalimetalhyperoxider ( kaliumhyperoxid , rubidiumhyperoxid , cæsiumhyperoxid ):

${\ displaystyle {\ ce {4 Li + O_2 -> 2 Li_2O}}}$

${\ displaystyle {\ ce {4 Na + O_2 -> 2 Na_2O}}}$

${\ displaystyle {\ ce {2 Na + O_2 -> Na_2O_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {2 K + O_2 -> K_2O_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {K + O_2 -> KO_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {Rb + O_2 -> RbO_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {Cs + O_2 -> CsO_2}}}$

Afspil mediefil

Kaliumreaktion med vand i luften (video)

Den reaktion med vand til dannelse af alkalimetalhydroxider sker med frigivelsen af hydrogen :

${\ displaystyle {\ ce {2 M + 2 H_2O -> 2 MOH + H_2}}}$

Den reaktivitet stiger skarpt fra lithium til cæsium . Mens en cirka kubisk prøve af lithium reagerer relativt trægt, selv med natrium , antændes det dannede hydrogen i nærvær af atmosfærisk ilt på grund af varmeudvikling. Fra kalium og fremefter , efterhånden som reaktionen skrider frem, fordamper metallet også og antænder , ikke mindst på grund af kogepunktet, der falder med atomnummeret (se ovenfor ). Men selv under udelukkelse af luft, kan mindre end 0,5 g natrium reagere eksplosivt med vand, som faktisk skal inhiberes af reaktionsprodukter, hydrogen og alkalimetalhydroxid, dannet på kontaktoverfladen af de udgangsmaterialer . Højhastighedsoptagelser af et forsøg, hvor dråber af en under standardbetingelser flydende legering af kalium og natrium under en inert gas blev placeret atmosfæren i kontakt med vand, anvende en indledende foregående Coulomb-eksplosion ("negativ overfladespænding ") og den tilhørende stærk stigning i overfladearealet af med Med undtagelse af lithium smeltes ulegerede alkalimetalprøver efter kort tid som årsag til den uhæmmede proces, den høje hastighed og dermed volden af ​​disse reaktioner er tæt. Alkalimetalhydroxiderne er farveløse faste stoffer , der let opløses i vand, når de opvarmes i høj grad, og som har en stærk alkalisk reaktion. De hydroxider og deres løsninger er meget ætsende.

Den reaktivitet af de alkalimetaller stiger med et stigende atomnummer , for med et stigende antal Elektronskal, den ydre elektron er mere og mere afskærmet fra tiltrækning af den positivt ladede atomkerne og kan derfor fraspaltes lettere. Stigningen i reaktivitet kan tydeligt ses i reaktionen mellem de forskellige metaller med vand : lithium og natrium reagerer kraftigt med vand med udviklingen af ​​hydrogen, men uden at hydrogenet antændes. Kalium og rubidium reagerer med spontan antændelse af brintet, cæsium reagerer eksplosivt. Alkalimetallerne reagerer særligt godt med ikke-metaller , som kun mangler få elektroner for at opnå en ædelgaskonfiguration.

Alkalimetallerne reagerer med halogener for at danne de saltlignende alkalimetalhalogenider :

${\ displaystyle {\ ce {2 Me + X_2 -> 2 MeX}}}$

Reaktiviteten stiger fra lithium til cæsium og falder fra fluor til jod . Natrium reagerer næppe med jod og reagerer meget langsomt med brom , mens kaliumreaktionen med brom og jod er eksplosiv.

Alkalimetaller kan fjerne halogenet fra halogenerede carbonhydrider med eksplosionsfænomener, der danner kulstof og det tilsvarende alkalimetalhalogenid:

${\ displaystyle {\ ce {CCl_4 + 4 Na -> 4 NaCl + C}}}$

Alkalimetaller opløses i flydende ammoniak med dannelse af stærkt blåfarvede opløsninger. Disse opløsninger, som indeholder positivt ladede alkalimetalkationer og solvatiserede elektroner, fungerer som meget stærke reduktionsmidler og bruges f.eks. B bruges til reduktion af birk . Hvis et passende kompleksdannende middel (e kryptand eller kroneether) tilsættes til disse opløsninger , kan der dannes tilsvarende salte med alkalimetalanioner, de såkaldte alkalider .

brint

Hydrogen , det første element i hovedgruppe 1, er et ikke-metal under normale forhold og tælles derfor ikke blandt alkalimetallerne. Brint har z. B har ligesom andre typiske ikke-metaller en signifikant højere første ioniseringsenergi end alkalimetallerne, som let donerer deres elektroner og derfor viser forskellige kemiske egenskaber. I modsætning til alkalimetallerne deler hydrogen sin elektron med ikke-metaller såsom chlor eller ilt og danner molekylære forbindelser med dem via kovalente bindinger . I modsætning til alkalimetallerne kan hydrogen optage en elektron fra metaller og danne saltlignende hydrider med dem . Det vigtigste kendetegn ved hydrogenatomet er evnen til at miste den enkelte elektron til vandmolekylet med dannelsen af hydroniumkationen . Denne kation spiller en vigtig rolle i alle kemiske reaktioner i vandige opløsninger. De nævnte særegenheder ved elementet brint har ført til, at man i lærebøger finder den opfattelse, at "brint ikke tilhører nogen bestemt gruppe i det periodiske system"

Der er imidlertid også kemiske egenskaber og adfærd, hvor hydrogen ligner alkalimetaller. Ligesom alkalimetallerne er hydrogen et stærkt reduktionsmiddel, og ligesom alkalimetallerne forekommer det altid monovalent. Under ekstremt højt tryk omdannes brint til en højtryksmetallisk modifikation, metallisk brint . Omvendt har nogle alkalimetaller også egenskaber såsom hydrogen under visse betingelser, f.eks. B. Som en gas består lithium af 1% diatomiske molekyler.

litteratur

• AG Sharpe et al.: Uorganisk kemi, anden udgave - ISBN 0-13-039913-2 -Kapitel 10 Gruppe 1: alkalimetallerne .
• Håndbog i eksperimentel kemi, gymnasium , bind 2, alkali- og jordalkalimetaller, halogener, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln.

Weblinks

Wiktionary: Alkalimetaller  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

• Pink Panther Reaction Reaktion af natrium med vand på video
• Alkalimetallerne Beskrivelse af alkalimetallerne med mange illustrationer
• Højhastighedskamera afslører, hvorfor natrium eksploderer! Video om årsagen til den voldsomme reaktion af alkalimetaller med vand i mangel af luft på YouTube -kanalen (Thunderf00t) fra hovedforfatteren af ​​Nature chemistry -artiklen

Individuelle beviser

1. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Kemi. Den centrale videnskab . Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1 , s. 992-998 . 
2. ↑ Duden Learn Attack GmbH: flammefarvning
3. ↑ ^{a b c d} P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. I: Ullmanns encyklopædi for industriel kemi . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi : 10.1002 / 14356007.a17_485 ).
4. ^ PE Mason, F. Uhlig, V. Vaněk, T. Buttersack, S. Bauerecker, P. Jungwirth: Coulomb -eksplosion i de tidlige stadier af reaktionen af ​​alkalimetaller med vand. I: Naturkemi. Bind 7, nummer 3, marts 2015, s. 250-254, doi: 10.1038 / nchem.2161 , PMID 25698335
5. ↑ Duden Learnattack GmbH: Alkali Metals
6. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Kemi. Den centrale videnskab . Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1 , s. 318, 333 . 
7. ^ Højt tryk gør hydrogen metallisk. Kommunikation fra Max Planck Society af 17. november 2011, tilgået den 22. februar 2021.