Alkalimetalle: Eigenschaften und Reaktivität

Zu den Alkalimetallen gehören Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Sie stehen in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems.

Frisch angeschnittene Alkalimetalle glänzen metallisch. Sie sind weich und lassen sich schneiden. Ihre Dichten sowie ihre Schmelz- und Siedetemperaturen sind für Metalle vergleichsweise niedrig. Caesium kann goldfarben erscheinen. Francium ist radioaktiv und sehr instabil. Deshalb spielt es in üblichen Schulbeobachtungen keine praktische Rolle.

Alkalimetalle reagieren leicht mit Wasser, Sauerstoff und Halogenen. In der Natur findet man sie daher nicht als reine Metalle, sondern gebunden in Verbindungen. Kochsalz enthält beispielsweise Natrium-Ionen, aber kein elementares Natrium.

Jedes Alkalimetallatom besitzt genau ein Außenelektron, auch Valenzelektron genannt. Gibt das Atom dieses Elektron ab, entsteht ein einfach positiv geladenes Ion:

\ce{M -> M+ + e-}

Dabei steht M für ein beliebiges Alkalimetallatom und e⁻ für das abgegebene Elektron. Aus einem Natriumatom wird so das Ion \ce{Na+}.

Von Lithium zu Caesium kommen weitere Elektronenschalen hinzu. Dadurch wächst der Abstand zwischen Atomkern und Außenelektron. Zusätzlich schirmen die inneren Elektronen die Anziehung des positiv geladenen Kerns ab. Das Außenelektron lässt sich deshalb im Allgemeinen leichter entfernen. Die dafür benötigte Ionisierungsenergie sinkt, während die Reaktivität steigt. Die Tabelle gibt sie in kJ/mol an, also für eine feste, sehr große Anzahl von Atomen: Je größer der Wert, desto schwerer lässt sich das Außenelektron entfernen. Kurz: mehr Elektronenschalen → größerer Abstand und stärkere Abschirmung → leichtere Elektronenabgabe → im Allgemeinen höhere Reaktivität.

Für einen Trend vergleichst du zuerst Daten, beschreibst dann das Muster und begründest es anschließend mit einem Modell. Beobachtung und Erklärung sind zwei verschiedene Schritte. Halte dabei drei Ebenen auseinander: Daten oder Beobachtung, Gruppentrend und Erklärung durch den Atombau. Die Tabelle nennt dafür die Ionisierungsenergie und die Reaktion mit Wasser.

Die Regel beschreibt einen Gruppentrend, keine ausnahmslose Zahlenfolge. Übertrage Trends deshalb nicht blind auf jede Eigenschaft. So steigt die Dichte nicht bei jedem Schritt: Natrium hat eine Dichte von 0{,}97\,\mathrm{g/cm^3}, Kalium nur 0{,}86\,\mathrm{g/cm^3}. Auch Franciums Ionisierungsenergie weicht von der einfachen Abwärtstendenz ab: Sie ist mit etwa 393 kJ/mol etwas größer als die von Caesium.

Alkalimetalle reagieren mit Wasser zu einem Alkalimetallhydroxid und Wasserstoff. Für ein beliebiges Alkalimetall M gilt:

\ce{2 M + 2 H2O -> 2 MOH + H2}

Die Hydroxide lösen sich in Wasser und bilden stark basische, ätzende Lösungen. Der frei werdende Wasserstoff ist brennbar. Die Reaktion setzt außerdem viel Wärme frei.

Die Reaktion wird innerhalb der Gruppe von oben nach unten im Allgemeinen heftiger: Lithium reagiert vergleichsweise langsam, Natrium bereits heftig, Kalium kann sich entzünden, und Rubidium sowie Caesium können explosionsartig reagieren.

Alkalimetalle dürfen nicht eigenständig mit Wasser ausprobiert oder berührt werden. Solche Reaktionen führt nur die Lehrkraft im Schullabor vor; probiere sie nie selbst oder zu Hause aus. Auch eine geringe Dichte macht die Stoffe nicht ungefährlich: Lithium, Natrium und Kalium können zwar auf Wasser schwimmen, reagieren dabei aber mit ihm.

Beim Erhitzen nehmen Elektronen Energie auf und gelangen vorübergehend in höhere Energiezustände, im Schalenmodell auf eine weiter außen liegende Schale. Man sagt: Die Elektronen werden angeregt. Beim Zurückfallen geben sie Energie als Licht ab. Die Farbe des Lichts ist für das jeweilige Alkalimetall charakteristisch.

Die Angaben zu Rubidium unterscheiden sich in ihrer genauen Farbbezeichnung. Gemeinsam ist ihnen der rote bis rotviolette Bereich.

Eine Flammenfarbe ist ein qualitativer Nachweis: Sie hilft zu erkennen, welches Element vorhanden sein könnte. Sie sagt für sich allein nicht, wie viel davon enthalten ist.

In einem Gemisch kann das kräftige Gelb von Natrium andere Farben überdecken. Das schwächere Violett von Kalium sieht man dann erst durch ein blaues Cobaltglas, das gelbes Licht herausfiltert.