Quelltext der Seite Alkalimetalle

{{Infobox Elementgruppe
| GruppeV = Edelgase
| GruppeA = Alkalimetalle
| GruppeN = Erdalkalimetalle
| Gruppe = Am
}}
{| class="wikitable float-right" style="text-align:center"
| <u>[[Gruppe des Periodensystems|'''Gruppe''']]</u>
| align="right" | '''1'''
|-
| <u>'''[[Hauptgruppe]]'''</u>
| align="right" | '''1'''
|-
| [[Periode des Periodensystems|'''Periode''']]
|-
| [[Chemische Elemente der zweiten Periode|'''2''']]
{{Periodisches System/Element|serie=Am|aggregat=s|protonen=3|name=Lithium|symbol=Li}}
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| [[Chemische Elemente der dritten Periode|'''3''']]
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| [[Chemische Elemente der vierten Periode|'''4''']]
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| [[Chemische Elemente der fünften Periode|'''5''']]
{{Periodisches System/Element|serie=Am|aggregat=s|protonen=37|name=Rubidium|symbol=Rb}}
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| [[Chemische Elemente der sechsten Periode|'''6''']]
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| [[Chemische Elemente der siebten Periode|'''7''']]
{{Periodisches System/Element|serie=Am|aggregat=s|radio=x|protonen=87|name=Francium|symbol=Fr}}
|}

Als '''Alkalimetalle''' werden die [[Chemisches Element|chemischen Elemente]] [[Lithium]], [[Natrium]], [[Kalium]], [[Rubidium]], [[Caesium]] und [[Francium]] aus der 1. [[Hauptgruppe]] des [[Periodensystem]]s bezeichnet. Sie sind silbrig glänzende, reaktive [[Metalle]], die in ihrer [[Valenzschale]] ein einzelnes [[Elektron]] besitzen, das sie als starke Reduktionsmittel leicht abgeben können. Obwohl [[Wasserstoff]] in vielen Darstellungen des Periodensystems auch in der ersten Hauptgruppe steht – ganz oben und meist mit einer Lücke abgetrennt, oder in anderer Farbe dargestellt – kann Wasserstoff keinesfalls zu den Alkalimetallen gezählt werden. Als typisches [[Nichtmetalle|Nichtmetall]] ist Wasserstoff unter [[Standardbedingungen]] gasförmig und nicht fest, hat eine viel größere [[Ionisierungsenergie]] und zeigt keine typischen [[Metallische Bindung|metallische Eigenschaften]].<ref>{{Literatur |Autor= Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten |Hrsg= |Titel=Chemie. Die zentrale Wissenschaft|Verlag=Pearson Studium |Datum= 2007 |ISBN=978-3-8273-7191-1|Seiten=992-998}}</ref>

== Etymologie ==
Der Name der Alkalimetalle leitet sich von dem arabischen Wort {{arF|القلية&lrm;|d=al-qalya}} für „[[Pottasche]]“ ab, die alte Bezeichnung für aus Pflanzenaschen gewonnenes [[Kaliumcarbonat]]. [[Humphry Davy]] stellte im Jahre 1807 erstmals das Element Kalium durch eine [[Schmelzflusselektrolyse]] aus Kaliumhydroxid dar. Letzteres gewann er aus Kaliumcarbonat. In einigen Sprachen spiegelt sich dies im Namen wider. So heißt Kalium beispielsweise im Englischen und Französischen ''potassium'' und im Italienischen ''potassio''.

== Eigenschaften ==
[[Datei:Alkalimetalle.jpg|mini|Die fünf stabilen Alkalimetalle]]

Alkalimetalle sind metallisch glänzende, silbrig-weiße weiche [[Leichtmetalle]]. [[Caesium]] hat bei geringster Verunreinigung einen Goldton. Sie sind mit dem [[Messer]] schneidbar. Alkalimetalle haben eine geringe [[Dichte]]. Sie [[Chemische Reaktion|reagieren]] mit vielen [[Chemischer Stoff|Stoffen]], so beispielsweise mit [[Wasser]], [[Luft]] oder [[Halogene]]n teilweise äußerst heftig unter starker Wärmeentwicklung. Insbesondere die schwereren Alkalimetalle können sich an der Luft [[Selbstentzündung|selbst entzünden]]. Daher werden sie unter Schutzflüssigkeiten, wie [[Paraffin]] oder [[Petroleum]] (Lithium, Natrium und Kalium), bzw. unter Luftabschluss in Ampullen (Rubidium und Caesium) aufbewahrt.

Als [[Chemisches Element|Elemente]] der ersten [[Gruppe des Periodensystems]] besitzen sie nur ein schwach gebundenes [[S-Orbital|s]]-[[Elektron]], das sie leicht abgeben. Ihre ersten [[Ionisierungsenergie]]n und ihre [[Elektronegativität]]en sind entsprechend klein. In [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] kommen sie alle fast ausschließlich als einwertige [[Kation]]en vor, wenngleich sogar Verbindungen bekannt sind, in denen diese Metalle anionisch vorliegen (z.&nbsp;B. [[Natrid]]e, komplexiert mit sogenannten [[Kryptand]]en).
<gallery>
FlammenfärbungLi.png|[[Lithium]]
FlammenfärbungNa.png|[[Natrium]]
FlammenfärbungK.png|[[Kalium]]
Die Flammenfärbung des Rubidium.jpg|[[Rubidium]]
</gallery>Alkalimetalle und ihre [[Salze]] besitzen eine spezifische [[Flammenfärbung]]:<ref>Duden Learnattack GmbH: [https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/flammenfaerbung Flammenfärbung]</ref>

* [[Lithium]] und seine Salze färben die Flamme rot (671 nm).
* [[Natrium]] und seine Salze färben die Flamme gelb (589 nm).
* [[Kalium]] und seine Salze färben die Flamme violett (768 und 404 nm).
* [[Rubidium]] und seine Salze färben die Flamme rot (780 und 421 nm).
* [[Caesium]] und seine Salze färben die Flamme blauviolett (458 nm).

Aufgrund dieser Flammenfärbung werden Alkalimetallverbindungen für [[Feuerwerk]]e benutzt.

In der [[Atomphysik]] werden Alkalimetalle eingesetzt, da sie sich aufgrund ihrer besonders einfachen elektronischen Struktur besonders leicht mit [[Laserkühlung|Lasern kühlen]] lassen.

=== Physikalische Eigenschaften ===
Alle Alkalimetalle [[Kristall|kristallisieren]] in der [[Kubisches Kristallsystem|kubisch-raumzentrierten]] [[Kristallstruktur|Struktur]]. Lediglich Lithium und Natrium kristallisieren in der [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonal-dichtesten]] Packung, wenn tiefe [[Temperatur]]en vorherrschen.

Der Radius der Elementatome sowie der Kationen nimmt mit steigender Massenzahl zu. Viele andere Eigenschaften der Alkalimetalle zeigen einen Trend innerhalb der Gruppe von oben nach unten:
* Abnahme der [[Härte]], [[Ionisierungsenergie]], [[Elektronegativität]], [[Schmelzpunkt|Schmelz-]] und [[Siedepunkt]]e,
* Zunahme der [[Reaktivität (Chemie)|Reaktivität]], [[Basizität]] und [[Dichte]].

{| class="wikitable"
!Element
!Lithium
!Natrium
!Kalium
!Rubidium
!Cäsium
!Francium
|-
|'''[[Schmelzpunkt]]''' (1013 hPa)<ref name="ullmann">P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: ''Noble Gases.'' In: ''[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]].'' Wiley-VCH, Weinheim 2006 ({{DOI|10.1002/14356007.a17_485}}).</ref>
|453,69 K<br />(180,54 °C)
|370,87 K<br />(97,72 °C)
|336,53 K<br />(63,38 °C)
|312,46 K<br />(39,31 °C)
|301,59 K<br />(28,44 °C)
|298 K<br />(25 °C)
|-
|'''[[Siedepunkt]]''' (1013 hPa)<ref name="ullmann" />
|1603 K<br />(1330 °C)
|1163 K<br />(890 °C)
|1047 K<br />(774 °C)
|961,2 K<br />(688 °C)
|963,2 K<br />(690 °C)
|950 K<br />(677 °C)
|-
|'''[[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|Kritischer Punkt]]'''<ref name="ullmann" />
|
* 3220 K<br />(2947 °C)
* 67 MPa
|
* 2573 K<br />(2300 °C)
* 35 MPa
|
* 2223 K<br />(1950 °C)
* 16 MPa
|
* 2093 K<br />(1820 °C)
* 16 MPa
|
* 1938 K<br />(1665 °C)
* 9,4 MPa
|
|-
|'''[[Dichte]]''' (20 °C, 1013 hPa)<ref name="ullmann" />
|0,534 g/cm<sup>3</sup>
|0,968 g/cm<sup>3</sup>
|0,856 g/cm<sup>3</sup>
|1,532 g/cm<sup>3</sup>
|1,90 g/cm<sup>3</sup>
|2,48 g/cm<sup>3</sup>
|-
|'''[[Mohshärte]]'''
|0,6
|0,5
|0,4
|0,3
|0,2
|
|-
|'''[[Elektrische Leitfähigkeit]]'''
|10,6 · 10<sup>6</sup> S/m
|21 · 10<sup>6</sup> S/m
|14,3 · 10<sup>6</sup> S/m
|7,52 · 10<sup>6</sup> S/m
|4,76 · 10<sup>6</sup> S/m
|
|-
|'''[[Atommasse]]'''
|6,94 u
|22,990 u
|39,098 u
|85,468 u
|132,905 u
|223,020 u
|-
|'''[[Elektronegativität]]'''
|0,98
|0,93
|0,82
|0,82
|0,79
|0,70
|-
|'''Struktur'''
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|[[Datei:Lattice body centered cubic.svg|100x100px]]
|-
|'''[[Kristallsystem]]'''
|[[kubisch raumzentriert]]
|[[kubisch raumzentriert]]
|[[kubisch raumzentriert]]
|[[kubisch raumzentriert]]
|[[kubisch raumzentriert]]
|[[kubisch raumzentriert]]
|}

== Reaktionen und Verbindungen ==
Die Alkalimetalle reagieren mit [[Wasserstoff]] unter Bildung salzartiger ''Alkalimetallhydride'':

:<chem>2 Me + H_2 -> 2 MeH</chem>

Die thermische Beständigkeit der [[Hydride]] nimmt vom [[Lithiumhydrid]] zum [[Caesiumhydrid]] ab. Alkalihydride werden als [[Reduktionsmittel|Reduktions-]] oder [[Trocknungsmittel]] eingesetzt.

Mit [[Sauerstoff]] reagieren die [[Metalle]] unter Bildung fester, weißer ''Alkalimetalloxide'' ([[Lithiumoxid]], [[Natriumoxid]]), ''Alkalimetallperoxide'' ([[Natriumperoxid]], [[Kaliumperoxid]]) und ''Alkalimetallhyperoxide'' ([[Kaliumhyperoxid]], [[Rubidiumhyperoxid]], [[Caesiumhyperoxid]]):

:<chem>4 Li + O_2 -> 2 Li_2O</chem>
:<chem>4 Na + O_2 -> 2 Na_2O</chem>
:<chem>2 Na + O_2 -> Na_2O_2</chem>
:<chem>2 K + O_2 -> K_2O_2</chem>
:<chem>K + O_2 -> KO_2</chem>
:<chem>Rb + O_2 -> RbO_2</chem>
:<chem>Cs + O_2 -> CsO_2</chem>

[[Datei:Potassium water 20.theora.ogv|mini|Reaktion von Kalium mit Wasser an der Luft (Video)]]
Die [[Chemische Reaktion|Reaktion]] mit [[Wasser]] zu ''Alkalimetallhydroxiden'' erfolgt unter Freisetzung von [[Wasserstoff]]:

:<chem>2 M + 2 H_2O -> 2 MOH + H_2</chem>

Vom [[Lithium]] zum [[Caesium]] steigt die [[Reaktivität (Chemie)|Reaktivität]] stark an. Während eine annähernd kubische Probe von Lithium relativ träge reagiert, entzündet sich schon bei [[Natrium]] aufgrund der Hitzeentwicklung der entstehende Wasserstoff unter Anwesenheit von Luftsauerstoff. Ab dem [[Kalium]] erfolgt bei fortschreitender Reaktion auch [[Verdampfung]] und Entflammung des [[Metalle|Metalls]], nicht zuletzt auch wegen des mit der [[Ordnungszahl]] abnehmenden [[Siedepunkt]]s (siehe [[#Physikalische Eigenschaften|oben]]). Aber auch unter Luftabschluss können schon weniger als 0,5&nbsp;g Natrium [[Explosion|explosiv]] mit Wasser reagieren, was eigentlich durch die an der Kontaktfläche der [[Edukt]]e entstehenden Reaktionsprodukte, Wasserstoff und Alkalimetalhydroxid, gehemmt werden sollte. [[Hochgeschwindigkeitskamera|Hoch&shy;geschwindigkeits&shy;aufnahmen]] eines Experiments, bei dem Tropfen einer unter [[Standardbedingungen]] flüssigen [[Legierung]] aus Kalium und Natrium unter einer [[Inertgas]]-Atmosphäre mit Wasser in Kontakt gebracht wurden, legen eine initial erfolgende [[Coulomb-Explosion]] („negative [[Oberflächenspannung]]“) bzw. die damit einhergehende starke [[Oberflächenvergrößerung]] der mit Ausnahme von Lithium nach kurzer Zeit schmelzflüssigen unlegierten Alkalimetallproben als Ursache für den ungehemmten Ablauf, die hohe Geschwindigkeit und damit die Heftigkeit dieser [[Chemische Reaktion|Reaktionen]] nahe.<ref>P. E. Mason, F. Uhlig, V. Vaněk, T. Buttersack, S. Bauerecker, P. Jungwirth: ''Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water.'' In: ''Nature chemistry.'' Band 7, Nummer 3, März 2015, S.&nbsp;250–254, [[doi:10.1038/nchem.2161]], PMID 25698335</ref> Die Alkalimetallhydroxide sind farblose [[Feststoff]]e, die sich in Wasser unter starker Erwärmung leicht lösen und dabei stark [[Alkalische Lösung|basisch]] reagieren. Die [[Hydroxide]] und ihre [[Lösung (Chemie)|Lösungen]] wirken stark ätzend.

Die [[Reaktivität (Chemie)|Reaktivität]] der Alkalimetalle nimmt mit steigender [[Ordnungszahl]] zu, weil mit steigender Zahl von [[Elektronenschale]]n das [[Außenelektron]] immer mehr von der Anziehungskraft des positiv [[Elektrische Ladung|geladenen]] [[Atomkern]]s abgeschirmt wird und daher leichter abgespalten werden kann. Die Zunahme der Reaktivität lässt sich an der [[Chemische Reaktion|Reaktion]] der verschiedenen [[Metalle]] mit [[Wasser]] gut erkennen: [[Lithium]] und [[Natrium]] reagieren mit Wasser zwar heftig unter Wasserstoffentwicklung, aber ohne dass es zur Entzündung des [[Wasserstoff]]s kommt. [[Kalium]] und [[Rubidium]] reagieren unter spontaner Entzündung des Wasserstoffs, [[Caesium]] reagiert explosionsartig. Besonders gut reagieren die Alkalimetalle mit [[Nichtmetalle]]n, denen nur wenige [[Elektron]]en fehlen, um Edelgaskonfiguration zu erreichen.<ref>Duden Learnattack GmbH: [https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/alkalimetalle Alkalimetalle]</ref>

Mit [[Halogene]]n reagieren die Alkalimetalle zu den salzartigen ''[[Liste der Alkalihalogenide|Alkalimetallhalogeniden]]'':

:<chem>2 Me + X_2 -> 2 MeX</chem>

Die Reaktivität steigt vom Lithium zum Caesium und sinkt vom [[Fluor]] zum [[Iod]]. So reagiert Natrium mit Iod kaum und mit [[Brom]] sehr langsam, während die Reaktion von Kalium mit Brom und Iod explosionsartig erfolgt.

Alkalimetalle können [[Halogenkohlenwasserstoffe]]n unter Explosionserscheinungen das Halogen unter Bildung von Kohlenstoff und dem entsprechenden Alkalimetallhalogenid entziehen:

:<chem>CCl_4 + 4 Na -> 4 NaCl + C</chem>

Alkalimetalle lösen sich in flüssigem [[Ammoniak]] unter Bildung von intensiv blau gefärbten Lösungen. Diese Lösungen, die  positiv geladene  Alkalimetall-Kationen und solvatisierte Elektronen enthalten, wirken als sehr starke [[Reduktionsmittel]] und werden z.&nbsp;B für die [[Birch-Reduktion]] eingesetzt. Wird diesen Lösungen ein geeigneter Komplexbildner ( e Kryptand oder Kronenether) zugesetzt, können sich entsprechende Salze mit Alkalimetall-Anionen, die sogenannten [[Alkalide]], bilden.

== Wasserstoff ==
{| class="wikitable float-right" style="text-align:center"
| <u>[[Gruppe des Periodensystems|'''Gruppe''']]</u>
| align="right" | '''1'''
|-
| <u>'''[[Hauptgruppe]]'''</u>
| align="right" | '''1'''
|-
| [[Periode des Periodensystems|'''Periode''']]
|-
| [[Chemische Elemente der ersten Periode|'''1''']]
{{Periodisches System/Element|serie=Nm|aggregat=g|protonen=1|name=Wasserstoff|symbol=H}}
|}
[[Wasserstoff]], das erste Element der 1. Hauptgruppe, ist unter Normalbedingungen ein Nichtmetall und wird deshalb nicht zu den Alkalimetallen gezählt. Wasserstoff hat z.&nbsp;B wie andere typische Nichtmetalle eine deutlich höhere erste [[Ionisierungsenergie]] als die Alkalimetalle, die ihr Elektron leicht abgeben, und zeigt dementsprechend andere chemische Eigenschaften. Anders als die Alkalimetalle teilt Wasserstoff sein Elektron mit Nichtmetallen wie Chlor oder Sauerstoff und bildet mit ihnen über [[kovalente Bindung]]en Molekularverbindungen. Im Gegensatz zu den Alkalimetallen kann Wasserstoff ein Elektron von Metallen aufnehmen und bildet mit ihnen salzartige [[Hydride]]. Die wichtigste charakteristische Eigenschaft des Wasserstoffatoms ist die Fähigkeit, das einzige Elektron an das Molekül Wasser unter Bildung des [[Oxonium|Hydroniumkations]] zu verlieren. Dieses Kation spielt bei allen chemischen Reaktionen in wässrigen Lösungen eine wichtige Rolle. Die genannten Besonderheiten des Elements Wasserstoff, haben dazu geführt, dass man in Lehrbüchern auch die Auffassung findet „Wasserstoff gehört im Periodensystem zu keiner bestimmten Gruppe“<ref>{{Literatur |Autor=Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten |Hrsg= |Titel=Chemie. Die zentrale Wissenschaft |Verlag=Pearson Studium |Datum=2007 |ISBN=978-3-8273-7191-1 |Seiten=318, 333}}</ref>

Jedoch gibt es auch chemische Eigenschaften und chemisches Verhalten, in denen Wasserstoff den Alkalimetallen ähnlich ist. Wasserstoff ist wie die Alkalimetalle ein starkes [[Reduktionsmittel]] und tritt wie die Alkalimetalle stets einwertig auf. Wasserstoff wandelt sich unter extrem hohem Druck in eine metallische Hochdruckmodifikation um, den [[Metallischer Wasserstoff|metallischen Wasserstoff]].<ref>''[https://www.mpg.de/4652575/wasserstoff_metall Hoher Druck macht Wasserstoff metallisch.]'' Mitteilung der Max Planck Gesellschaft vom 17.&nbsp;November 2011, abgerufen am 22.&nbsp;Februar 2021.</ref> Umgekehrt haben auch einige Alkalimetalle unter bestimmten Bedingungen Eigenschaften wie Wasserstoff, z.&nbsp;B. besteht Lithium als Gas zu 1 % aus zweiatomigen Molekülen.

== Literatur ==
* A. G. Sharpe et al.: ''Inorganic Chemistry, second edition'' – ISBN 0-13-039913-2 – Kapitel 10 ''Group 1: the alkali metals''.
* ''Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II'', Band 2, Alkali- und Erdalkalimetalle, Halogene, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Alkali metals|Alkalimetalle}}
{{Wiktionary|Alkalimetalle}}
<!-- * [http://www.netexperimente.de/chemie/22.html Pink-Panther-Reaktion] Reaktion von Natrium mit Wasser auf Video -->
* [https://www.youtube.com/watch?v=pgoDOAyR8e8 Pink-Panther-Reaktion] Reaktion von Natrium mit Wasser auf Video
* [http://www.chemische-experimente.com/Alkalimetalle.htm Die Alkalimetalle] Beschreibung der Alkalimetalle mit vielen Abbildungen
* [https://www.youtube.com/watch?v=LmlAYnFF_s8 High speed camera reveals why sodium explodes!] Video zur Ursache der heftigen Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser unter Luftabschluss auf dem YouTube-Kanal (Thunderf00t) des Hauptautors des Nature-chemistry-Artikels (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{NaviBlock
|Navigationsleiste Gruppen (Periodensystem)
|Navigationsleiste Elementkategorien
}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4224517-5}}

[[Kategorie:Alkalimetall| ]]
[[Kategorie:Gruppe des Periodensystems]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]