Alkali- und Erdalkalimetalle Experimentalvortrag (AC) Marietta Fischer

2. Gruppeneigenschaften 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Gliederung 1. Einstieg 2. Gruppeneigenschaften 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel -Flammenfärbung- 2.2 Die Reaktion mit Wasser 2.3 Eine „spannungsvolle“ Geschichte -Reduktionspotentiale- 2.4 Da kommt etwas in Bewegung -Ionenwanderung u. Elektrolyten- 3. Erdalkalimetalle 4. Schulrelevanz

Alkalimetalle 1807 K aus Pflanzenasche 1807 Na (ägypt.: neter = Soda) Einstieg 1. Einstieg Alkalimetalle „al kalja“ (arabisch)=Asche 1807 K aus Pflanzenasche 1807 Na (ägypt.: neter = Soda) 1817 Li in Gesteinsmaterialien (gr.:lithos = der Stein) 1860/61 Cs u. Rb durch Spektralanalyse (lat.: rubidus = dunkelrot; caesius = himmelblau) 1939 Fr entdeckt durch die Französin M. Perey und benannt nach ihrem Vaterland

Gruppeneigenschaften 1. Einstieg Gruppeneigenschaften Valenzelektronenkonfiguration s1 s-Elektron leicht abgegeben In jeder Periode größter Atom- und Ionenradius In Verbindungen fast ausschließlich Oxidationszahl +1 Unter hohem Druck verhalten sich K, Rb und Cs wie Übergangsmetalle, da s-Elektron in d-Niveau wechselt

Vorkommen Liegen in der Natur gebunden vor (Bsp.: Minerale) 1. Einstieg Vorkommen Liegen in der Natur gebunden vor (Bsp.: Minerale) Gewicht in der Erdkruste : Fr nur 1,5 g der gesamten Erdkruste Abb.: Sylvin (KCl) Abb.: Steinsalz (NaCl)

Gewinnung Gewinnung durch elektro- chemische Reduktion 1. Einstieg Gewinnung Gewinnung durch elektro- chemische Reduktion Keine Elektrolyse von wässrigen Lösungen möglich, jedoch Schmelzelektrolyse Bsp.: Downs – Verfahren

Physikalische Eigenschaften 1. Einstieg Physikalische Eigenschaften Weiche Metalle Li, Na, K geringere Dichte als Wasser Li geringste Dichte aller fester Elemente Li, Na, K, Rb silberweiß; Cs goldton Reduktionspotentiale stark negativ  Zunahme von elektropositivem Charakter Bildung von Hydroxidschicht (Aufbewahrung: Petroleum)

Physiologische Eigenschaften 1. Einstieg Physiologische Eigenschaften Li ist toxisch, in bestimmten Antidepressiva in der Medizin eingesetzt. Na K Rb Cs essentiell (Ionenkanäle usw.) nicht toxisch, nicht essentiell (radioaktive Isotop 137Cs ausgenommen!)

Erdalkalimetalle Be Ca Mg 1808 Mg, benannt nach Stadt Magnesia 1. Einstieg Einstieg Erdalkalimetalle Be 1808 Mg, benannt nach Stadt Magnesia 1808 Ca, gr. calx = Kalk 1808 Sr nach Strontian in Schottland 1808 Ba, gr.: barys = schwer. 1828 Be nach Beryll (gr.: beryllos) 1898 Ra, lat. radius = Lichtstrahl Ca Mg

Gruppeneigenschaften 1. Einstieg Gruppeneigenschaften Valenzelektronenkonfiguration s2 Elektropositive Metalle Ionisierungsenergie nimmt ab; Reduktionskraft steigt von Be Ba In stabilen Verbindungen nur mit Oxidationszahl +2

Vorkommen In Natur nicht elementar 1. Einstieg Vorkommen In Natur nicht elementar Ca-Verbindungen als gesteinsbildende Minerale Abb.: Calcit Abb.: Strontianit

1. Einstieg Gewinnung Darstellung durch Schmelzelektrolyse oder chemische Reduktion Be durch Reduktion von BeF2 mit Mg Mg durch Schmelzelektrolyse von MgCl2 Ca durch Elektrolyse von CaCl2 Ba durch Reduktion von BaO mit Al

Physikalische Eigenschaften 1. Einstieg Physikalische Eigenschaften Leichtmetalle Be weicht in physik. Daten ab: stahlgrau, spröde und hart Mg silberglänzend, läuft mattweiß an Ca, Sr, Ba sehr ähnlich: silberweiß, laufen schnell an, weich wie Pb Elektropositive Metalle mit stark negativen Reduktionspotentialen

Physiologische Eigenschaften 1. Einstieg Physiologische Eigenschaften Be: extrem giftig, stark krebserzeugend Mg: Salze vor allem bei Pflanzen im Stoffwechsel ein bedeutende Rolle Ca: Verbindungen in Knochen, Zähnen, Gehäusen, sowie verschiedenen Pflanzen Sr: Strontiumbromid in der Medizin verwendetes Beruhigungsmittel Ba: giftig 

1. Einstieg: Klassifizierung Li Na K Smp. °C 179 97,5 63,7 Sdp. 1336 880 760 1. Ionisie-rungs-energie 520 kJ/mol 496 419 Reduk-tions-potent. -3,05 V -2,71 -2,93 Reakti- vität Mg Ca 649 839 1107 1494 738 kJ/mol 590 -2,36 V -2,87 Nimmt zu Nimmt zu EN 1,0 0,9 1,2 1,0

Flammenfärbung Die Salze ergeben intensive Färbung 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Flammenfärbung Die Salze ergeben intensive Färbung Durch hohe Temperaturen können Außenelektronen („Leuchtelektronen“) ein höheres Energieniveau besetzen. Durch Rückfallen in den Grundzustand wird Energie in Form von Licht frei

Demo 1 Flammenfärbung

Farbigkeit durch Vorgänge in der Elektronenhülle: 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Farbigkeit durch Vorgänge in der Elektronenhülle: Schritt 1: Elektronen nehmen Energie auf Schritt 2 : Anhebung auf ein höheres Besetzungsniveau Schritt 3: Rückkehr zum Grundzustand unter Aussendung von Licht thermische Anregung 2p 2s hν

Emissionsspektroskopie 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Emissionsspektroskopie Ein Molekül durchläuft den Zustand hoher Energie zu einem Zustand niedriger Energie Dabei wird überschüssige Energie in Form eines Photons emittiert: Alkalimetalle Li Na K Rb Cs kamin rot gelb violett blau Erdalkalimetalle Be Mg Ca Sr Ba - ziegel grün

Verwendung Analytische Chemie 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Verwendung Analytische Chemie Pyrotechnik: Feuerwerksraketen und bengalische Feuer

2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Versuch 1: Bengalisches Feuer

Auswertung Starten der Reaktion: 2.1 Metalle bringen Farbe ins Spiel Auswertung Starten der Reaktion: KClO3(s) + H2SO4(aq) HClO3(aq) + KHSO4(aq) 3 HClO3(aq) 2 ClO2(g) + HClO4(aq) +5 +4 +7 Reduktion: Sr(NO3)2 Sr(NO2)2 + O2 Oxidation: C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 +6 +4 +4

Alkalimetalle Salze meist leicht löslich 2.2 Die Reaktion mit Wasser Alkalimetalle Salze meist leicht löslich Li, Na reagieren unter H2 –Entwicklung zum Hydroxid, ohne Entzündung des H2 K, Rb reagieren unter spontaner Entzündung des H2 Cs reagiert explosionsartig Hydroxide sind starke Basen

Erdalkalimetalle Spiegelt sich die Reaktivität wider: 2.2 Die Reaktion mit Wasser Erdalkalimetalle Spiegelt sich die Reaktivität wider: zunehmend von Be Ba Lösen sich unter H2 –Entwicklung zu Hydroxiden Löslichkeit der Salze abhängig von Gitterenergie und Hydrationsenthalpie

Die Reaktion mit Wasser Alkalimetalle: 2 MA + 2 H2O 2 MA+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) Erdalkalimetalle: ME + 2 H2O ME2+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) (MA = Alkalimetall; ME = Erdalkalimetall) +1 +1 +1 +2

Li-, Na- Billard; im Vgl. mit Mg 2.2 Die Reaktion mit Wasser Versuch 2: Li-, Na- Billard; im Vgl. mit Mg

Die Reaktion mit Wasser Lithium und Natrium Reagieren unter H2-Entwicklung zum Hydroxid Reaktionsfähigkeit nimmt von Li  Cs zu Magnesium Reagiert nicht mit kaltem Wasser Reaktionsfähigkeit nimmt von Be  Ba zu

Auswertung: Die Reaktion mit Wasser: 2 Na(s) + 2 H2O 2 Na+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) Die Indikatorwirkung: HInd + OH-(aq) Ind- + H2O (Indikatorsäure (Indikatorbase Phenolphthalein) Phenolphthalein) farblos violett +1 +1

Reduktionspotentiale 2.3 Eine „spannungsvolle“ Geschichte Reduktionspotentiale M+ + e- M Größe eines Redoxpaares ist ΔE zwischen M(s) und M+(aq) sind stark negativ; Na Cs Li negativste Reduktionspotential Gute Verwendung in Elektrochemie

2.3 Eine „spannungsvolle“ Geschichte Galvanische Elemente Energieumwandler Primär-, Sekundärelemente und Brennstoffzellen Redoxvorgang erzeugt Strom; Energie in Elektrodensubstanz gespeichert Brennstoffzelle: Brennstoff wird Elektrode laufend zugeführt Sekundärelement: Zelle kann wieder geladen werden (Akkumulator)

2.3 Eine „spannungsvolle“ Geschichte Die Lithiumbatterie Hohe Potentialdifferenz zwischen Li und edlem Metall Hohe Energiedichte Niedrige Selbstentladung Lange Lebensdauer

2.3 Eine „spannungsvolle“ Geschichte Demo 2: Lithium - Batterie

Auswertung Anode : 2 Li 2 Li+ + 2 e- - 3,05 V 2.3 eine „spannungsvolle“ Geschichte Auswertung +1 Anode : 2 Li 2 Li+ + 2 e- - 3,05 V Kathode : Cu2+ + 2 e- Cu + 0,44 V ____________________________________________ Gesamt: 2 Li + Cu2+ 2 Li+ + Cu + 3,49 V +2 Nernst: 0,059 cOx E = E°+ lg z cRed E=E°Cu – E°Li

Elektrolytische Lösungen 2.4 Da kommt etwas in Bewegung Elektrolytische Lösungen Elektrolyt: polare Verbindungen, die sich in Wasser zu freibeweglichen Ionen lösen  leiten den Strom Träger des Stroms: Ionen Kationen(+) Kathode (-) Anionen(-) Anode (+)

Reinigen von angelaufenem Silber 2.4 Da kommt etwas in Bewegung Versuch 3: Reinigen von angelaufenem Silber

Auswertung Wie kommt es zu angelaufenem Silber? 2.4 Da kommt etwas in Bewegung Auswertung Wie kommt es zu angelaufenem Silber? 2 Ag(s) + H2S(g) + 0,5 O2(g) Ag2S(s) + H2O Reinigen von angelaufenem Silber: 3 Ag2S(s) + 2 Al(s) 6 Ag(s) + 2 Al3+(aq) + 3 S2-(aq) Aluminium dient als Lokalelement Elektrolyt: NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq) +1 -2 +1 +3

2.4 Da kommt etwas in Bewegung Lokalelement Kleines galvanisches Element Berührungsstelle zweier Metalle Erforderlich: Elektrolytlösung Unedlere Metall wird oxidiert

2.4 Da kommt etwas in Bewegung Elektrolyse Salze im elektrischen Feld Anode (+) zieht Anionen (-) an, Kathode (-) zieht Kationen (+) an An den Elektroden werden Ionen reduziert oder oxidiert Bilden sich Atome oder Moleküle, nimmt die Leitfähigkeit ab Stromfluss: wandernde Ionen  keine Elektronen

2.4 Da kommt etwas in Bewegung Demo 3: Ionenwanderungen

2.4 Da kommt etwas in Bewegung Verwendung Beispiel: Gelelektrophorese DNA Polyanion Wanderung im elektrischen Feld Auftrennung verschiedengroßer Fragmente Molekularsieb: 1) Agarosegel oder 2) Polyacrylamid

Magnesium Gewinnung durch Schmelzflusselektrolyse von MgCl2 Erdalkalimetalle Magnesium Gewinnung durch Schmelzflusselektrolyse von MgCl2 Mg ist ein starkes Reduktionsmittel Mg verbrennt an der Luft zu MgO MgO bei 1700-2000°C gebrannt: „Sintermagnesia“ (feuerfeste Laborgeräte)

Verbrennung von Mg im Trockeneisblock 3. Erdalkalimetalle Versuch 4: Verbrennung von Mg im Trockeneisblock

2 Mg(s) + CO2 (s) 2 MgO(s) + C(s) 3. Erdalkalimetalle Auswertung: Verdeutlicht Reduktionsvermögen von Mg 2 Mg(s) + CO2 (s) 2 MgO(s) + C(s) Benötigt hohe Anfangstemperatur (Oxidschicht) Starten der Reaktion: 4 KClO3 3 KClO4 + KCl KClO4 KCl + 2 O2 Mg entzieht so gut wie allen Stoffen O2  Bildung des stabilen MgO +4 +2 +5 +7 -1 400°C 500°C

Verläuft über mehrere Stufen Radikalbildung: CO2 (s) 3. Erdalkalimetalle Verläuft über mehrere Stufen Radikalbildung: CO2 (s) Zwischenprodukt  Oxalatbildung: Reduktion bis zum Kohlenstoff: C2O42- + 4 Mg (s) 4 MgO (s) + 2 C (s) - O O e- C C O O - O - C O 2 O O C C O - O - +3 +2

Calcium Sehr weich Gewinnung durch Elektrolyse oder aluminothermisch 3. Erdalkalimetalle Calcium Sehr weich Gewinnung durch Elektrolyse oder aluminothermisch Verbindung für Baustoffindustrie von Bedeutung Bsp.: Kalkstein (CaCO3), Gips (CaSO4) Reagiert mit H2O unter H2 – Entwicklung CaH2 : H2– Erzeugung u. als Trocken- u. Reduktionsmittel

Versuch 5: Fällung von Ca2+ -Ionen mit Rhabarbersaft 3. Erdalkalimetalle Versuch 5: Fällung von Ca2+ -Ionen mit Rhabarbersaft

Ca2+(aq) + C2O42-(aq) CaC2O4(s) 3. Erdalkalimetalle Auswertung Ca2+(aq) + C2O42-(aq) CaC2O4(s)

Nierensteine Bestandteile des Harns, die normalerweise über die Nieren 3. Erdalkalimetalle Nierensteine Bestandteile des Harns, die normalerweise über die Nieren ausgeschieden werden Löslichkeitsprodukt überschritten  Auskristallisieren Ursachen: Dehydratation: Wassermangel zu viel Milchprodukte: Ca-Überschuss Spinat, Rhabarber, Roter Beete, schwarzem und grünem Tee ist sehr viel Oxalsäure CaC2O4

Gymnasium Themenübersicht 4. Schulrelevanz Lehrplan Chemie Gymnasium Themenübersicht

8.2 Die chemischen Reaktionen 4. Schulrelevanz 8.2 Die chemischen Reaktionen Std.: 24 (Reaktion von Metallen und Nichtmetallen mit Sauerstoff Verbrennungsvorgänge in Alltag und Umwelt) 9.2 Elementargruppen Std.: 14 Verbindliche Unterrichtsinhalte: 9.2.1 Alkalimetalle Fakultative Unterrichtsinhalte: 9.2.1f Erdalkalimetalle

9.3 Elektrolyse und Ionenbegriff 4. Schulrelevanz 9.3 Elektrolyse und Ionenbegriff Std.: 8 (Leiter und Nichtleiter, Ionen als Ladungsträger, Elektrolyse einer wässrigen Metallhalogenid-Lösung)

Alkalimetalle Erdalkalimetalle 4. Schulrelevanz Alkalimetalle Eigenschaften und Verwendungen der Metalle und ihre Verbindungen Chemische Reaktionen Alkalilaugen, Systeme Alkalimetall / Wasser bzw. Alkalimetalloxid / Wasser Erdalkalimetalle Schwerpunkte liegen auf Calcium und Magnesium Flammenfärbung Alkalimetallverbindungen und Erdalkaliverbindungen

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit