Demonstrationen mit Alkalimetallen

Stoffe  Lithium, Natrium, Phenolphthaleinlösung, Pril

Geräte  Lange Pinzette, Papierhandtücher, Messer, Petrischale, 3 Kabel, 2 Krokoklemmen und Graphitelektroden, Netzgerät (12V) und passende Glühbirne, große runde Schale Durchmesser ca.20cm, Höhe ca. 8cm, Rundfilterpapier, Natriumsieb, Reagenzglas (20x180mm), Brenner

Sicherheit   Alkalimetalle reagieren heftig mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase. Es darf daher nur mit erbsengroßen Stücken gearbeitet werden. Schutzbrille tragen! Pinzette verwenden! Schutzscheibe aufstellen! Die Natriumbestände im Labor sind jährlich zu prüfen und zu erneuern. Experimente mit Kalium, Rubidium und Caesium sollten an Schulen nicht durchgeführt werden.

Didaktische Bemerkungen
 
Die Experimente mit den Alkalimetallen - als Elementfamilie der I. Hauptgruppe im PSE - verdeutlichen in hohem Maße Verwandtschaften und Ordnungskriterien im PSE. Innerhalb der Familie treten ähnliche Stoffeigenschaften auf, die aber von Element zu Element variieren. Bei den Demonstrationen werden die Alkalimetalle miteinander verglichen und Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausgearbeitet.
 
 

  

 

11Na Natrium

Film 8 sek

Ein Stück Natrium wird geschnitten. Ist das Metall an der Luft beständig?

 
b) Dass das Metallstück Strom leitet, lässt sich mit zwei Graphitelektroden und einer Messvorrichtung mit Kabel, Glühlampe und Netztrafo zeigen.
 
c) Ein erbsengroßes Stück Natrium wird sorgfältig entrindet  - falls eine Rinde vorhanden ist - und mit einem Papierhandtuch getrocknet. Dann füllt man eine runde, hohe Schale zur Hälfte mit Wasser und gibt noch einen Spritzer neutral reagierendes Geschirrspülmittel hinzu, damit das herumsausende Natrium nicht an der Wand festhaftet. Das erbsengroße Natriumstück wird mit der Pinzette auf die Wasseroberfläche gelegt. Das Natriumstück beginnt zu zischen und formt sich zu einer glänzenden Kugel, die dann auf der Wasseroberfläche herumflitzt. Gelegentlich explodiert das Natrium, was vor allem am Ende der Reaktion vorkommen kann.
 

• In der Nähe des Freiburger Hauptbahnhofs geriet vor einigen Jahren ein Güterwaggon in Brand, der etwa eine halbe Tonne Natrium transportierte. Die Feuerwehr löschte unter Missachtung der Gefahrgutkennzeichnung mit Wasser, wobei eine schwere Explosion auftrat, die einen Feuerwehrmann tötete und eine Brücke beschädigte.
• Bei einem Schülerstreich entwendete ein Schüler eine Flasche mit Natrium aus dem Chemielabor und schüttete den Inhalt in eine Toilette. Das Natrium explodierte im Abflussrohr in Höhe des Kellers, wobei die Betonwand beschädigt wurde und große Wasserfontänen aus den Klosettschüsseln spritzten. Der Schüler wurde angezeigt.
• Der Autor erlebte selbst einen Unfall mit Natrium: Ein Kollege wollte im Schullabor zwei aufeinander liegende Keramikplatten reinigen und hielt beide unter das fließende Wasser. Zwischen den Platten befand sich noch ein kleines Stück Natrium, das mit lautem Knall explodierte. Dabei schoss ein Stichflamme zwischen den Platten hervor und zerfetzte dem Kollegen das Hemd in der Höhe des Bauchs, wobei er auch Verbrennungen erlitt.

11Na Natrium

Film 19 sek

Wenn man ein altes Stück Natrium in eine Tonne mit wenig Wasser wirft, dann erfolgt eine heftige Reaktion.

3Li Lithium

Film 18 sek

Wie gut lässt sich Lithium schneiden und wie lange bleibt der Glanz an den Schnittflächen erhalten?

19K Kalium

Film 9 sek

Kalium steht in der der 1. Gruppe unter dem Natrium. Ist es weicher oder härter?

55Cs Caesium

Film 12 sek

Caesium hat einen Schmelzpunkt von +29 °C. Die Körpertemperatur beträgt etwa +36 °C.

Die Demonstration 2c wird wiederholt, allerdings unter einer anderen Zielstellung. Es ist unbedingt eine Schutzbrille und Gesichtsschutz zu tragen. Die Zuschauer werden durch eine Schutzscheibe geschützt! Gelegentlich neigt das Natrium zur Explosion. Bei dieser Explosion könnte die Schale zerstört werden. Es soll nur gerade soviel Natrium eingesetzt werden, dass das Reagenzglas durch das entstehende Gas mindestens zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllt wird. Der Versuch darf nur von erfahrenen Experimentatoren durchgeführt werden. Die selten auftretende Explosion tritt vermutlich durch eine Selbstzündung des Wasserstoffs auf, sobald er mit verdampftem Paraffinöl vermischt wird. Daher ist das vollständige Entfernen des Öls besonders wichtig. Das im Laborbedarf erhältliche Natriumsieb ist für diese Demonstration vorgesehen.
 
Ein sorgfältig entrindetes und getrocknetes, und sehr kleines, kaum erbsengroßes Stück Natrium (Größe ca. 3x3mm) wird in ein Natriumsieb gelegt. Nach dem Befüllen der großen Schale mit Wasser gibt man ca. 10 Tropfen Phenolphthaleinlösung hinzu und rührt gut um. Es empfiehlt sich Schutzhandschuhe aus Latex anzuziehen, damit man nicht mit der Phenolphthaleinlöszung in Kontakt kommt. Zuvor kann gezeigt werden, dass die Reagenz mit Laugen eine Pinkfärbung zeigt.
 
 

2 Na  +  2H₂O   2 NaOH  +  H₂      DH = -282 kJ/mol

Variationen: Die Laugenbildung bei der Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser lässt sich auch schön zeigen, wenn man kleine Stücke von Natrium oder Lithium in eine auf einem Overheadprojektor stehende Schale mit Wasser wirft, die zuvor mit einem Indikator versetzt wurde.
 
 
Ergänzende Informationen

Der Name der Alkalimetalle leitet sich vom arabischen Wort "al kali" ab, welches das in der Pflanzenasche enthaltene Kaliumcarbonat bezeichnet. Dieses bildet mit Wasser eine Lauge. Sir Humphry Davy stellte im Jahre 1807 erstmals das Element Kalium durch eine Schmelzflusselektrolyse aus Kaliumhydroxid dar. Letzteres gewann er aus Kaliumcarbonat.
 
Alle Elemente der Gruppe (Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium) reagieren heftig mit Wasser unter Wasserstoff- und Laugenbildung. Sie sind relativ weich und leiten den elektrischen Strom. Mit absteigender Reihenfolge im PSE nimmt die Reaktionsfähigkeit und die Dichte zu. Schmelzpunkt und Härte nehmen tendenziell ab. Lithium, Kalium und Natrium sind die Elemente mit der geringsten Dichte, Caesium und Rubidium die Elemente mit der geringsten Härte.
 
 

Bringt man eine Lithium- oder eine Natriumverbindung in eine Flamme, kommt es zu einer typischen Flammenfärbung (>Schülerübung). Die Lithium- oder Natriumatome senden dabei Licht von ganz bestimmter Wellenlänge aus.
 
 

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