I. Hauptgruppe – Überblick

I. Hauptgruppe – Überblick Übung

• Zeige die Reihenfolge der Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe auf.

  Tipps

  An der Ordnungszahl oben links kannst du die Anzahl der Protonen ablesen.

  Je mehr Protonen ein Element besitzt, desto weiter unten steht es im Periodensystem der Elemente.

  Lösung

  Die Alkalimetalle befinden sich in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Das ist die erste Spalte ganz links.
  Die Elemente werden zu einer Gruppe zusammengefasst, weil sie ähnliche Eigenschaften vorweisen. Zum Beispiel haben alle Elemente der ersten Hauptgruppe nur ein Außenelektron.
  In folgender Reihenfolge von oben nach unten kommen die Alkalimetalle im Periodensystem der Elemente vor:

  
  

  • Lithium
  • Natrium
  • Kalium
  • Rubidium
  • Caesium
  • Francium

  
  
  Obwohl Wasserstoff ebenfalls in der ersten Hauptgruppe steht und somit auch ein Außenelektron besitzt, gehört er nicht zu den Alkalimetallen, sondern ist ein nichtmetallisches Gas.

• Gib an, welche Eigenschaften auf die Alkalimetalle zutreffen.

  Tipps

  Es gibt vier richtige Antworten.

  Lithium und Natrium können mit dem Messer geschnitten werden.

  Lösung

  Die Alkalimetalle befinden sich in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und werden zu einer Gruppe zusammengefasst, weil sie ähnliche Eigenschaften vorweisen:
  
  

  • Es handelt sich um silbrig glänzende Metalle, bis auf Caesium – hier geht der Schimmer eher in die goldglänzende Richtung.
  • Außerdem handelt es sich um relativ weiche Feststoffe. So sind beispielsweise Lithium und Natrium so weich, dass sie mit einem Messer geschnitten werden können.
  • Die Alkalimetalle haben eine geringe Dichte, sind also sehr leicht. Die Dichte der Alkalimetalle liegt im Bereich von etwa $0,\!5–2$ Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Eisen hat in etwa eine Dichte von $8$ Gramm pro Kubikzentimeter.
  • Sie sind alle sehr reaktiv. Das liegt an ihrem Atombau: Da sie nur ein Außenelektron haben, gehen sie gern Verbindungen ein, um die Oktettregel zu erfüllen.

  
  Übrigens: Francium ist stark radioaktiv und kann nur in höchst geringen Mengen hergestellt werden.

• Bestimme weitere Eigenschaften der Alkalimetalle.

  Tipps

  Lithium kann mit dem Messer geschnitten werden, Kalium ist formbar wie Knete. Caesium wäre bei einer warmen Raumtemperatur schon nahezu flüssig.

  Der lateinische Name für Sauerstoff lautet „Oxygenium“.

  Lösung

  Obwohl die Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe gemeinsame Eigenschaften vorweisen, sind sie doch nicht ganz gleich. Innerhalb der Gruppe ist ein Verlauf der Eigenschaften zu beobachten:
  

  • Die Härte sowie die Schmelz- und die Siedetemperatur innerhalb der Gruppe nehmen von oben nach unten ab.
  • Die Dichte und die Reaktivität innerhalb der Gruppe nehmen von oben nach unten zu.

  
  

  Ihr Reaktionsverhalten ist auch der Grund dafür, dass Alkalimetalle in der Natur nicht in ihrer Reinform, sondern vorzugsweise in Mineralien gebunden vorkommen. Doch es gibt ebenfalls andere wichtige Verbindungen:
  

  • Wichtige Verbindungen der Alkalimetalle sind zum Beispiel Oxide, also Verbindungen mit Sauerstoff.
  • Jedoch bilden sie auch gern Hydride, sprich Verbindungen mit Wasserstoff.
  • Alkalimetalle bilden außerdem Hydroxide, wenn sie mit Wasser reagieren.

• Beschreibe das Reaktionsverhalten der Alkalimetalle näher.

  Tipps

  Hier siehst du den Atombau von Lithium im Vergleich zu Caesium.

  Lösung

  Die Reaktionsfreudigkeit der Alkalimetalle hängt mit ihrem Atombau zusammen, insbesondere der Valenzelektronenanzahl. Da alle Alkalimetalle nur ein Elektron in ihrer äußersten Schale haben, ist es leichter, ein Elektron abzugeben, als sieben aufzunehmen, um die Oktettregel zu erfüllen und eine Außenhülle mit acht Elektronen zu erreichen.
  Zwar werden Elemente innerhalb der Gruppe immer schwerer, jedoch kommt pro zusätzlicher Periode eine umgebende Schale dazu. Das Valenzelektron ist deshalb weiter vom Atomkern entfernt und kann leichter abgegeben werden. Daher ist Caesium reaktionsfreudiger als Lithium.

  Ihr Reaktionsverhalten ist auch der Grund dafür, dass Alkalimetalle in der Natur nicht in ihrer Reinform, sondern vorzugsweise in Mineralien gebunden vorkommen. Andere wichtige Verbindungen der Alkalimetalle sind zum Beispiel Oxide, Hydride und Hydroxide.

  Reaktionen von Alkalimetallen mit Wasser können mitunter sehr heftig verlaufen: Wenn ein winziges Stück Natrium mit Wasser reagiert, dann saust es auf der Oberfläche umher. Aber Vorsicht: Bei Natrium mag das noch witzig aussehen, bei Rubidium und Caesium würde dies allerdings zu heftigen Explosionen führen. Das ist zudem der Grund, warum Alkalimetalle in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden und bei Experimenten mit Alkalimetallen unbedingt Schutzkleidung getragen werden muss!

• Entscheide, bei welchem Stoff es sich um ein Alkalimetall handelt.

  Tipps

  Es gibt nur eine richtige Antwort.

  Alkalimetalle müssen in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden, weil sie so reaktiv sind.

  Lösung

  Die Elemente der ersten Hauptgruppe – ausgenommen Wasserstoff – gehören zu den Alkalimetallen.
  Dazu zählen:

  • Lithium
  • Natrium
  • Kalium
  • Rubidium
  • Caesium
  • Francium

  
  Wasserstoff befindet sich zwar auch in der ersten Hauptgruppe, ist aber ein nichtmetallisches Gas.
  Sauerstoff befindet sich in der sechsten Hauptgruppe und zählt zu den Nichtmetallen.
  Kupfer steht in der ersten Nebengruppe und gehört zu den Übergangsmetallen.

• Vergleiche die beiden Alkalimetalle Lithium und Caesium.

  Tipps

  Jedem Alkalimetall müssen vier Eigenschaften zugeordnet werden.

  Je mehr Schalen ein Atom eines Elements besitzt, desto reaktionsfreudiger ist es, weil das Valenzelektron weiter vom Atomkern entfernt und damit leichter abzugeben ist.

  Lösung

  $\underline{\text{Lithium}}$

  • Lithium besitzt insgesamt drei Elektronen auf zwei besetzten Elektronschalen. Auf der äußersten Schale befindet sich, wie bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe, ein Valenzelektron.
  • Allgemein sind alle Alkalimetalle eher weiche Feststoffe. Lithium ist so weich, dass man es mit einem Messer durchschneiden kann.
  • Lithium ist, wie alle Alkalimetalle, reaktionsfreudig. Wenn es mit Wasser reagiert, dann gibt es eine heftige Reaktion. Das ist zudem der Grund, warum Alkalimetalle in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden.
  • Gibt man Salzverbindungen der Alkalimetalle in eine Flamme, zeigen sich bunte Farben, was übrigens auch bei Feuerwerken für die Farbenpracht sorgt. Lithiumchlorid zum Beispiel zeigt eine rote Flammenfärbung, wenn es in die Flamme des Bunsenbrenners gehalten wird.

  
  $\underline{\text{Caesium}}$

  • Caesium besitzt insgesamt 55 Elektronen auf sechs besetzten Elektronenschalen. Auf der äußersten Schale befindet sich, wie bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe, ein Valenzelektron.
  • Alkalimetalle sind weiche Feststoffe. Die Härte nimmt von oben nach unten jedoch ab. Caesium wäre bei einer warmen Raumtemperatur schon nahezu flüssig.
  • Auch die Reaktivität der Alkalimetalle verändert sich von oben nach unten, allerdings nimmt diese zu. Im Vergleich zu Lithium oder Natrium ist Caesium sehr reaktionsfreudig, geht also noch leichter Verbindungen ein. Wenn Caesium (oder Rubidium) mit Wasser reagieren, dann würde dies zu heftigen Explosionen führen.
  • Hält man eine Salzverbindung, zum Beispiel Caesiumchlorid, in die Brennerflamme, sieht man eine blaue Flammenfärbung.