Textversion des Videos

Transkript I. Hauptgruppe – Herstellung

Hallo, liebe Chemiefreundinnen und Chemiefreunde! Schön, dass ihr mich weiterbegleitet bei meinem Streifzug durch die I. Hauptgruppe des Periodensystem der Elemente. Heute zeige ich euch bereits das 3. Video. Der 3. Teil heißt Herstellung - Herstellung der Elemente der I. Hauptgruppe, der Alkalimetalle: Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium. Die Herstellung eines chemischen Elements wirft immer eine bestimmte Frage auf, und diese Frage wird im Fall der Alkalimetalle besonders kompliziert, weil es sich um sehr reaktionsfreudige Materialien handelt. Im 2. Teil dieser kleinen Videoreihe haben wir gelernt, dass die Alkalimetalle in der Natur nur in gebundener Form als Ionen auftauchen. Daher ist naheliegend, eine Elektrolyse zu ihrer Gewinnung durchzuführen. Ich habe hier einmal ein Elekrolysebad aufgezeichnet. Auf der linken Seite die negative Elektrode, das ist die Kathode. Die positive Elektrode ist die Anode. Ganz klar, dass hier Gleichstrom fließen muss. Zur Gewinnung von Natrium benötigen wir einen geeigneten Ausgangsstoff. Sehr gut ist Natriumchlorid, Kochsalz, Halid, Steinsalz geeignet. Um die Ionen aus dem Ionengitter zu gewinnen, benötigen wir ein Lösungsmittel. Wasser ist gut geeignet - H2O. In Wasser findet die Dissoziation von Natriumchlorid statt. Aus einem Teilchen NaCl bildet sich ein positiv geladenes Natriumion und ein negativ geladenes Chloridion. Die Kationen, die positiv geladenen Ionen, wandern zur Kathode. Die Anionen, die negativ geladenen Ionen, zur Anode. An den Elektroden finden bestimmte elektrochemische Prozesse statt. Wir wollen nun den Kathodenprozess untersuchen: Zur Kathode, der negativ geladenen Elektrode, wandert das positiv geladene Ion, das Natriumion. Dort angekommen nimmt das Natriumion ein Elektron auf. Es entsteht ein elektrisch neutrales Natriumatom. Den Prozess kann man sehr schön mithilfe einer Reaktionsgleichung formulieren: Na++e→Na. So weit, so gut - die Theorie. Aber in Wirklichkeit bildet sich unter diesen Bedingungen an der Kathode keinerlei Natrium, noch nicht mal Spuren können gefunden werden. Dafür entsteht aber jede Menge Wasserstoff und blubbert in gasförmiger Form munter an die Luft. Nein, nur Wasserstoff und kein Natrium. Warum? Warum ist das so? Schuld daran trägt allein das Wasser, welches wir für die Bildung der Ionen durch Dissoziation doch so benötigen. Wasser ist durchaus kein indifferentes Lösungsmittel. Wasser dissoziiert selbst, wenn auch in geringer Menge. 1 Molekül Wasser dissoziiert zu 1 positiv geladenen Wasserstoffion und 1 negativ geladenen Hydroxidion. Und dieses Wasserstoffion wandert zur negativ geladenen Elektrode, zur Kathode. An der Kathode findet der entsprechende Kathodenprozess statt. Das positiv geladene Wasserstoffion nimmt 1 Elektron auf und es bildet sich 1 elektrisch neutrales Wasserstoffatom. 1 Wasserstoffatom hat 1 Außenelektron. Dieses möchte ich durch ein Pünktchen kennzeichnen. Durch das ungepaarte Elektron ist das Wasserstoffatom reaktionsfähig. Kommt ein weiteres Wasserstoffatom hinzu, so bilden beide Elektronen eine chemische Bindung, sie bilden 1 Elektronenpaar. Es entsteht 1 Wasserstoffmolekül - H2. Daher also haben wir an der Kathode die Bläschen von Wasserstoff beobachtet und keinerlei Natrium festgestellt. Ist nun schon alles verdorben, alles zu spät? Mitnichten, wir müssen nur die Details unserer Versuchsanordnung variieren und schon wird der Versuch erfolgreich sein. Wenn Wasser schädlich ist, müssen wir einfach den Versuch ohne Wasser ausführen. Eine Bedingung jedoch bleibt - wir benötigen Natriumionen. Um diese ohne Wasser zu erhalten, müssen wir aus dem Salz eine Schmelze herstellen, wir müssen es sehr stark erwärmen. Wir verflüssigen das Salz und erhalten Natriumionen und Chloridionen. Die Dissoziation des Natriumchlorids findet nun nicht unter der Einwirkung des Wassers, sondern im Ergebnis einer hohen Temperatur statt. Eine Elektrolyse wird auch hier stattfinden. Da sie aber eine Schmelze benötigt, nennen wir eine derartige Elektrolyse Schmelzflusselektrolyse. Industriell wird für die Kathode Eisen verwendet. Die Anode besteht aus Grafit, aus reinem Kohlenstoff. Sowohl Lithium als auch Natrium werden durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Der Kathodenprozess läuft nun so ab, wir ihn uns vorgestellt haben. Wollen wir nun noch den Anodenprozess betrachten: Die Anode ist die positive Elektrode. Das bedeutet, dass zur Anode die negativ geladenen Ionen, die Anionen, fließen. Unsere negativen Ionen sind Chloridionen - Cl-. 1 Chloridion gibt an der Anode ein Elektron ab und es bildet sich 1 elektrisch neutrales Chloratom. 2 Chloratome reagieren miteinander und es bildet sich ein Chlormolekül - Cl2. An der Anode entsteht Chlor. Kalium ist unter diesen Bedingungen nicht herstellbar. Die Bedingungen müssen etwas variiert werden. Es ist klar, dass wir nun ein Kaliumsalz benötigen - Kaliumchlorid. Diese liefert uns in der Salzschmelze Kaliumionen - K+. Zu der Schmelze wird Kaliumkarbonat, Pottasche, hinzugegeben. Die Kathode besteht hier aus flüssigem Blei. Ich muss nur noch überall wo Natrium steht, Kalium schreiben. Statt Na steht K. Kaliumchlorid, KCl dissoziiert zu Kaliumionen, K+ und Chloridionen, Cl-. Der Kathodenprozess lautet: K++e→K. Unter den gewählten Bedingungen scheidet sich Kalium im Blei ab. Wir erhalten ein Gemisch aus den Metallen Kalium und Blei. Die Siedetemperaturen der beiden Metalle dieses Gemischs unterscheiden sich voneinander erheblich. Während Kalium bereits bei etwa 800 °Celsius siedet, hat Blei eine Siedetemperatur von etwa 1800 °Celsius. Daher ist es möglich, elementares Kalium durch Destillation aus dem Gemisch zu gewinnen. Der Anodenprozess ist der gleiche wie bei der Herstellung von Lithium oder Natrium. Die beiden Alkalimetalle Rubidium und Cäsium werden anders hergestellt, und zwar durch eine chemische Reaktion. Cäsium kann aus Cäsiumchlorid unter Einwirkung von Calcium gewonnen werden. Cäsiumchlorid reagiert mit Calcium zu metallischem Cäsium und Calciumchlorid: 2CsCl+Ca→2Cs+CaCl2. Könnt ihr eine entsprechende Gleichung für die Herstellung von Rubidium formulieren? 2RbCl+Ca→2Rb+CaCl2. Nun hat man aber ein Gemisch aus einem Alkalimetall und einem Salz. Das Alkalimetall wird durch Destillation gewonnen. Um die Siedetemperatur zu vermindern, wird ein starkes Vakuum angelegt. Durch Vakuumdestillation werden Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium gewonnen. Durch das Vakuum erreicht man Siedetemperaturen von 500 - 700 °Celsius. Francium ist radioaktiv und gibt es auf der Erde praktisch nicht. Das war's schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg - tschüss!

Informationen zum Video
4 Kommentare
  1. 001

    Lieber Tarikgrad,
    beginnen wir mit den zweiten Frage:
    "2. Wenn es jetzt das Elektron doch aufnehmen kann, warum nimmt es dann nicht weitere auf und "stoppt" bei einer Neutralen Ladung? Warum wird es nicht zum Anion?"
    Ich möchte daran erinnern, dass das Metall Natrium unter schützenden Bedingungen (Argon oder Benzin) durchaus beständig ist. Bei Metallen gibt es auf der Oberfläche viele Elektronen, die dort frei beweglich umherschwimmen. Weitere Elektronen werden von diesem "Elektronenmeer" abgestoßen.
    "Na+ hat doch Neoneigenschaften oder nicht?"
    Hier muss man schon genau formulieren: Na+ besitzt die Elektronenkonfiguration des NEON - ATOMS. Das bedeutet, dass Na+ - Ionen beständig sind.
    Das ist auch so: Kochsalz, in dem Na+ - Ionen in großer Menge enthalten wird, reagiert WEDER MIT METALLEN NOCH MIT NICHTMETALLEN NOCH MIT BASEN NOCH MIT SÄUREN (Es gibt wenige Ausnahmen.).
    Und natürlich hat Na+ auch KEINE NEONEIGENSCHAFTEN. Man kann Ionen nicht mit einem Element vergleichen. Neon besitzt Eigenschaften wie Schmelz- und Siedetemperatur, die Natrium - Ionen Na+ nicht. Denn da sie alle positiv geladen sind, können sie auch keinen Stoff bilden. Sie stoßen sich ab, sind als "Substanz" also immer GASFÖRMIG.
    " Ich dachte in der Edelkonfiguration wollen Atome nicht reagieren. Warum nimmt es also das Elektron auf?"
    Ich denke, ich habe schon an anderer Stelle darauf hingewiesen:
    Natürlich nehmen die Ionen Na+ nicht einfach Elektronen auf. Es findet also kein SPONTANER Prozess statt. Man kann die Elektronenaufnahme aber ERZWINGEN. Und das geschieht, so wie dargestellt, durch SCHMELZFLUSSELEKTROLYSE.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 2 Jahren
  2. Default

    Das Na+ nimmt wie du sagst bei 03:00 ein Elektron auf und wird somit elektrisch neutral. Meine Fragen: Na+ hat doch Neoneigenschaften oder nicht? Ich dachte in der Edelkonfiguration wollen Atome nicht reagieren. Warum nimmt es also das Elektron auf?
    2. Wenn es jetzt das Elektron doch aufnehmen kann, warum nimmt es dann nicht weitere auf und "stoppt" bei einer Neutralen Ladung? Warum wird es nicht zum Anion?

    Von Tarikgrad, vor fast 2 Jahren
  3. 001

    Liebe Lea,
    es wäre lieb, wenn du deine Fragen präziser formulieren würdest. Dann hätte ich größere Chancen, darauf zu antworten.

    Vermutung 1:
    Du meinst Calciumchlorid CaCl2. Chloratome (7. Hauptgruppe) nehmen jeweils ein Elektron zur stabilen Achterschale (Oktett) auf.
    Cl (Atom) + e- reagieren zu Cl-(Ion)
    Calciumatome (2. Hauptgruppe) geben jeweils zwei Elektronen ab:
    Ca reagiert zu Ca++ + 2e-
    Und folglich:
    Ca++ + 2Cl- reagieren zu CaCl2
    Vermutung 2:
    Chloratome besitzen jeweils ein ungepaartes Elektron. Zwei Chloratome bilden aus ihren ungepaarten Elektronen eine chemische (kovalente) Bindung:
    Cl + Cl reagieren zu Cl2
    Das Chlormolekül Cl2 ist nun so gestaltet, dass jedes der Chloratome über 8 Außenelektronen verfügt: 6 + 2 aus dem Elkektronenpaar (kovalente Bindung). Damit ist Cl2 stabiler (Elektronenoktett) als Cl.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 2 Jahren
  4. Default

    Wieso 2 cl Atome?

    Von Lea Seyda, vor etwa 2 Jahren