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  Demonstrationen mit Alkalimetallen
Durchführung nur für Lehrkräfte geeignet


Kalium reagiert mit Wasser   grafik

Stoffe  Lithium, Natrium, Universalindikator-Lösung, Geschirrspülmittel
Geräte  Lange Pinzette, Papierhandtücher, Messer, Petrischale, 3 Kabel, 2 Kroko-Klemmen und Graphit-Elektroden, Netzgerät (12V) und passende Glühbirne, runde Schale mit 20cm Durchmesser und 8cm Höhe, Rundfilter-Papier, Sieb-Löffel (früher "Natriumsieb", sollte aber nicht mehr für Natrium eingesetzt werden), Reagenzglas (20×180mm), Brenner
Sicherheit  Alkalimetalle reagieren heftig mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase. Es darf daher nur mit erbsen- oder linsengroßen Stücken gearbeitet werden. Schutzbrille und Schutzhandschuhe aus Latex tragen, beim Arbeiten mit Natrium auch Gesichtsschild! Pinzette verwenden! Schutzscheibe aufstellen! Die Natrium-Bestände im Labor sind halbjährlich zu prüfen und bei Notwendigkeit zu erneuern. Experimente mit Kalium, Rubidium und Caesium sollten an Schulen nicht durchgeführt werden.

Schutzbrille anziehen!  Schutzbrille anziehen! Gesichtsschild tragen!  Schutzhandschuhe anziehen!
GefährdungsBU  Natrium (und Lithium) reagieren mit Wasser   docx    pdf
 

Didaktische Bemerkungen

Die Experimente mit den Alkalimetallen als Elementfamilie der 1. Gruppe im Periodensystem verdeutlichen typische Verwandtschaften und Ordnungskriterien. 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. 

    
Demonstration 1   Alkalimetalle in einer Flasche
 
Zunächst zeigt man die zwei in der Schule gebräuchlichen Alkalimetalle Lithium und Natrium in der Chemikalienflasche. Vom Kalium kann ergänzend dazu eine Folie gezeigt werden. Es müssen frische Alkalimetallstücke ohne Kruste verwendet werden. Die Schülerinnen und Schüler sehen, dass die teilweise glänzenden Metalle in einer Flüssigkeit aufbewahrt werden. Sie stellen Hypothesen auf, warum das so ist. Vorerst wird aber nicht verraten, um welche Flüssigkeit es sich handelt. Das Lithium schwimmt auf der Flüssigkeit, während Natrium (und Kalium) untergetaucht sind.

 
 
Demonstration 2   Eigenschaften des Natriums
 
a) Nun holt man mit einer langen Pinzette ein Stück Natrium aus der Flasche und legt es auf ein Filterpapier, das in einer Petrischale liegt. Mit einem trockenen Papierhandtuch wird das weiche Natrium-Stück von der Feuchtigkeit befreit, mit einem Messer durchschnitten und die frische Schnittfläche in einer Petrischale liegend den Zuschauern gezeigt. Die Schnittflächen glänzen für ein paar Sekunden und laufen dann an der Luft relativ schnell an.

11Na
Natrium
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Film
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8 sek
Ein Stück Natrium wird geschnitten. Ist das Metall an der Luft beständig?

Längere Fassung in höherer Auflösung auch erhältlich auf DVD

b) Dass das Metall-Stück Strom leitet, lässt sich mit zwei Graphit-Elektroden und einer Messvorrichtung mit Kabel, Glühlampe und Netztrafo zeigen. 

c) Ein erbsengroßes Stück Natrium wird, falls eine Rinde vorhanden ist, sorgfältig entrindet 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 Natrium-Stück wird mit der Pinzette auf die Wasseroberfläche gelegt. Das Natrium-Stück 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.

Natrium reagiert mit Wasser

Film erhältlich auf DVD

 
d) Spätestens jetzt merken die Schülerinnen und Schüler, dass es sich bei der Schutzflüssigkeit nicht um Wasser handeln kann. Dass die Reaktion von Natrium und Wasser recht gefährlich ist, lässt sich zeigen, wenn man das entrindete Natrium-Stück zuerst auf ein Filterpapier legt und dieses dann auf dem Wasser schwimmen lässt. Die Gefahr einer Explosion besteht immer dann, wenn das Natrium sich nicht bewegen kann oder wenn freiwerdender Wasserstoff eingeschlossen wird.

Ein Filterpapier blockiert die Bewegung des reagierenden Natriums

Film erhältlich auf DVD


 
Die Demonstration wird besonders eindrücklich wahrgenommen, wenn man dazu eine Geschichte erzählt:
  • 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 Gefahrgut-Kennzeichnung 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 einen Wasserstrahl. Zwischen den Platten befand sich noch ein kleines Stück Natrium, das mit lautem Knall explodierte. Dabei schoss eine Stichflamme zwischen den Platten hervor und zerfetzte dem Kollegen das Hemd in der Höhe des Bauchs, wobei er auch Verbrennungen erlitt.
Von der Durchführung von solchen Experimenten an Schulen wird ausdrücklich abgeraten! Zur Demonstration verfilmte der Autor ein gefährliches Experiment, das nicht nachgeahmt werden darf: In einen mit Wasser gefüllten Metall-Eimer warf er ein mehrere Zentimeter langes Stück Natrium, das seit über fünfzig Jahren im Schullabor aufbewahrt wurde und völlig verkrustet war:
 
11Na
Natrium
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Film
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19 sek
Wenn man ein altes Stück Natrium in eine Tonne mit wenig Wasser wirft, dann erfolgt eine heftige Reaktion.

  Längere Fassung in höherer Auflösung auch erhältlich auf DVD
 
 
Das Natrium explodiert in einer gewaltigen Explosion, wobei eine 20 Meter hohe Rauchwolke aufsteigt. In dem Film hört man noch das Erstaunen der Putzfrau der Schule, die die Demonstration mit beobachtet. Verkrustetes Natrium und vor allem auch verkrustetes Kalium dürfen nicht aufbewahrt werden und sind sofort nach den üblichen Vorschriften zu entsorgen.
 
 
Demonstration 3   Eigenschaften des Lithiums
 
a) Die Demonstrationen mit Lithium erfolgen in der Reihenfolge wie beim Natrium: Zuerst holt man mit der Pinzette ein Stück Lithium aus der Flasche und versucht es zu zerschneiden. Dabei wird verdeutlicht, dass wesentlich mehr Kraftaufwand notwendig ist. Der Glanz auf der Schnittfläche bleibt wesentlich länger erhalten.
 
3Li
Lithium
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Film
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18 sek
Wie gut lässt sich Lithium schneiden und wie lange bleibt der Glanz an den Schnittflächen erhalten?

  Längere Fassung in höherer Auflösung auch erhältlich auf DVD
 
 
b) Auch Lithium leitet den elektrischen Strom.
 
c) Ein erbsengroßes Stück Lithium wird in eine mit Wasser gefüllte Schale gegeben. Während der Reaktion ist deutlich eine Gasentwicklung sichtbar.
 
Lithium reagiert mit Wasser

 Film erhältlich auf DVD

 
 
Demonstration 4   Eigenschaften des Kaliums
 
Achtung: Experimente mit Kalium sollten an Schulen nicht mehr durchgeführt werden. Altes Kalium mit Rinden neigt gelegentlich zur Explosion und hat schon zu schweren Unfällen geführt. Stattdessen bietet es sich an, Videos einzusetzen.
 
Video 1: Beim Zerschneiden eines Kalium-Stückes fährt das Messer wie durch Butter. Die frischen Schnittflächen glänzen nur ganz kurz und oxidieren sofort.
 
19K
Kalium
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9 sek
Kalium steht in der der 1. Gruppe unter dem Natrium. Ist es weicher oder härter?

Längere Fassung in höherer Auflösung auch erhältlich auf DVD
 
 
Video 2: Ein erbsengroßes Stück Kalium wird mit Pinzette und Messer sorgfältig entrindet und auf einem Papierhandtuch getrocknet. Das Stück wird in eine zur Hälfte mit Wasser gefüllte große Schale gegeben. Sofort fängt das Kalium Feuer und verbrennt in einer sehr lebhaften Reaktion mit violetter Flamme. Gelegentlich explodiert es zum Schluss.
 
Kalium reagiert mit Wasser
 Film erhältlich auf DVD
 
 
Demonstration 5   Eigenschaften Caesium und Rubidium
 
Caesium und Rubidium werden aufgrund ihrer Reaktionsfähigkeit mit Luft in Ampullen eingeschmolzen. Daher ist vor einem Öffnen der Ampullen abzuraten. Es kann aber gezeigt werden, dass das Caesium bereits mit Handwärme schmilzt. Faszinierend ist auch die goldgelbe Farbe des Alkalimetalls.
 
55Cs
Caesium
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12 sek
Caesium hat einen Schmelzpunkt von +29° Celsius. Die Körpertemperatur beträgt etwa +36° Celsius.

  Längere Fassung in höherer Auflösung auch erhältlich auf DVD
 
 
Die Ampullen enthalten als Füllung ein Schutzgas wie Stickstoff oder Argon. Wenn man die Ampullen zerschlägt, dann beginnen die Metalle sofort an zu brennen oder sie explodieren, wenn nur wenig Feuchtigkeit dazukommt.
 
 
Caesium reagiert
 
Zerschlagen einer Caesium-Ampulle, Film erhältlich auf DVD
 
 
Demonstration 6   Reaktionsprodukte aus Lithium und Wasser

Früher zeigte man die Entstehung des Wasserstoffs und dessen Nachweis durch die Reaktion von Natrium in einem "Natriumsieb" unter Wasser. Dieser Versuch sollte heute an Schulen nicht mehr mit Natrium durchgeführt werden. Das Gefahrenpotenzial mit Lithium ist nicht so hoch, daher wird dieser Versuch beschrieben. Es gelten die gleichen Sicherheitsvorkehrungen wie für das Natrium. Es müssen Schutzbrille und Schutzhandschuhe aus Latex angezogen werden, vor allem damit man nicht mit der entstehenden Lauge in Kontakt kommt. Zuvor kann gezeigt werden, wie die Reagenz-Lösung mit Laugen reagiert. Nach dem Füllen der Schale mit Wasser gibt man 10 Tropfen einer Indikator-Lösung hinzu und rührt gut um. Es wird nur ein linsengroßes, sorgfältig von Paraffinöl getrocknetes und entrindetes Stück Lithium in einen Sieblöffel gelegt.

 

 
 
Nun füllt man ein Reagenzglas (20×180mm) mit Wasser und verschließt es mit dem Daumen. Das Reagenzglas wird unter Wasser getaucht und erst dann geöffnet. Nach dem Eintauchen des Sieblöffels fängt man das entstehende Gas pneumatisch im Reagenzglas auf. Nach dem Ende der Reaktion führt man eine Knallgas-Probe durch und verweist auf die rote Farbe in der Schale. Die Schülerinnen und Schüler versuchen selbst, eine Reaktionsgleichung zu formulieren.
 
Erklärungen: Das Lithium reagiert mit dem Wasser in einer exothermen Reaktion zu Wasserstoff und einer Lauge. Der Wasserstoff lässt sich mit der Knallgasprobe nachweisen, die Lauge durch die Pinkfärbung des Phenolphthaleins:
 
2 Li  +  2 H2reagiert zu  2 LiOH  +  H2

Variationen: Die Laugen-Bildung bei der Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser lässt sich auch schön zeigen, wenn man kleine Lithium-Stücke 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 Jahr 1807 erstmals das Element Kalium durch eine Schmelzflusselektrolyse aus Kaliumhydroxid dar. Letzteres gewann er aus Kaliumcarbonat.
 
Alle Elemente der Gruppe, also Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium, reagieren heftig mit Wasser unter Wasserstoff- und Laugen-Bildung. Sie sind relativ weich und leiten den elektrischen Strom. Mit absteigender Reihenfolge im Periodensystem nehmen 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.
 

Name und Symbol
Schmelzpunkt in ° Celsius
Dichte
in Gramm pro Kubikzentimeter
Härte
nach Mohs
Elektronegativität nach Pauling
Elektrische Leitfähigkeit bezogen auf Silber
Lithium
Li
181
0,534
0,6
0,98
18,59%
Natrium
Na
98
0,971
0,5
0,93
34,18%
Kalium
K
64
0,862
0,4
0,82
20,90%
Rubidium
Rb
39
1,530
0,3
0,82
12,72%
Caesium
Cs
28
1,878
0,2
0,79
7,95%
 


Die hohe Reaktionsfähigkeit der Alkalimetalle erklärt sich in dem einzigen Valenzelektron in der Valenzschale. Dieses kann leicht abgegeben werden. Die Atome der Alkalimetalle besitzen eine sehr niedrige Elektronegativität. Bei den Alkalimetallen tritt daher generell die Oxidationsstufe +1 auf.

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


Bild vergrößern!
Bild vergrößern!
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Zur Erklärung des Phänomens wird die Funktionsweise eines Spektroskops erläutert: Sendet man weißes Sonnenlicht durch ein Prisma, erscheinen die Farben des Regenbogens. Das Sonnenlicht wird durch das Prisma in seine verschiedenen Wellen-Anteile zerlegt. Man erhält ein kontinuierliches Spektrum. Der hierbei sichtbare Bereich des Lichts wird auch als optisches Spektrum bezeichnet. Bei den Flammenfärbungen durch die Alkalimetalle wird nur ein bestimmter Ausschnitt aus dem optischen Spektrum ausgestrahlt. Dieser Ausschnitt nennt man Linienspektrum und ist für jede Atom-Sorte typisch.
 
 
 
Mit Hilfe eines Spektroskops lassen sich die Linienspektren erkennen. Auf diese Art und Weise entdeckten Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff im Jahr 1861 bei spektralanalytischen Untersuchungen des Minerals Lepidolith anhand der bis dahin noch nicht bekannten Linienspektren die Elemente Rubidium und Caesium.
 
 
 
 
Um zu zeigen, dass es im Periodensystem bestimmte Ordnungen und Elementgruppen gibt, kann man im Anschluss die Erdalkalimetalle im Unterricht besprechen. Auch bei ihnen nimmt die Reaktionsfähigkeit mit absteigender Reihenfolge im Periodensystem zu. Mit Ausnahme des Berylliums reagieren sie gerne mit Wasser und bilden dabei alkalische Lösungen. Alternativ zu den Experimenten bieten sich auch hier Filme zu den Erdalkalimetallen an.
 
 
Copyright: T. Seilnacht