Alkalimetalle: Fakten zu den Elementen der ersten Spalte des Periodensystems

Im Moment sind überall Alkalimetalle um dich herum. Natrium ist in Kochsalz enthalten, Lithium in Ihrem Telefonakku und Kalium in Ihren Bananen. Alkalimetalle bilden sechs verschiedene Elemente, die in der ersten Spalte des Periodensystems vorkommen . Diese sind:

Sie sind Teil des S-Blocks der Elemente im Periodensystem , die zusammen mit Wasserstoff, Helium, Kalzium und anderen ihr äußerstes Elektron in einem S-Orbital haben. Die Alkalimetalle sind Weichmetalle, die mit Wasser und Sauerstoff hochreaktiv sind. Sie sind so weich, dass man sie mit einem Plastikmesser schneiden kann. Sie haben auch einen silberähnlichen Glanz und sind großartige Wärme- und Lichtleiter.

Alkalimetalle werden so genannt, weil sie bei der Reaktion mit Wasser stark alkalische Substanzen bilden. Alkalinität bezieht sich auf den pH-Wert des Stoffes oder die Fähigkeit, Säure zu neutralisieren. Stark alkalische Substanzen können starke Basen bilden, die Säuren neutralisieren und einen stabilen pH-Wert aufrechterhalten.

Jedes Element hat einen Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht, und Alkalimetalle sind nicht anders. Um den Kern von Atomen herum befinden sich Elektronen, die Teilchen mit einer negativen Ladung sind. Diese Elektronen existieren in Energiehüllen um den Kern der Atome, von denen jede eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen aufnehmen kann. Die erste Schale kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen, die zweite bis zu acht, die dritte 18 und die vierte 32. Diese Elektronenschalen und ihre Struktur machen Alkalimetalle so reaktiv.

Alle Atome möchten von Natur aus eine vollständig vollständige äußerste Elektronenhülle haben. Elemente in dieser ersten Spalte des Periodensystems haben jedoch alle ein Elektron in ihrer äußersten Schale. Diese äußerste Schale wird auch Valenzschale genannt, und die darin befindlichen Elektronen werden Valenzelektronen genannt.

Mit nur einem Elektron in der äußersten Schale können die Atome von Alkalimetallen sehr leicht Stabilitätspunkte erreichen – sie müssen nur ein Elektron verlieren! Diese Bereitschaft und Leichtigkeit, ein Elektron zu verlieren, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, wird als hohe Reaktivität bezeichnet. Tatsächlich wird die Reaktivität in der Chemie durch die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale definiert. Edelgase (Elemente wie Neon und Helium) sind sehr unreaktiv, da ihre äußersten Elektronenhüllen voll sind.

„Da die Alkalimetalle nur ein Valenzelektron haben, erreichen sie diesen Zustand typischerweise, indem sie dieses Elektron abgeben. Dabei wird das Alkalimetall oxidiert, und alles, was dem Alkalimetall das Elektron entnimmt, wird reduziert Alkalimetalle geben gerne ihr einzelnes Valenzelektron ab", sagt Dr. Chip Nataro , Chemieprofessor am Lafayette College in Easton, Pennsylvania. "Da Elektronen eine Ladung von -1 haben, führt der Verlust eines Elektrons dazu, dass das Atom eine Ladung von +1 hat. Wenn dies geschieht, wird das Atom als Ion bezeichnet und da es eine positive Ladung haben würde, wird es als Kation bezeichnet . Alle Alkalimetalle bilden also gerne Kationen mit einer Ladung von +1."

Da Alkalimetalle so reaktiv sind, findet man sie in der Natur meist in Verbindung mit anderen Metallen.

Wenn ein Element hochreaktiv ist, ist es natürlich schwieriger, es zu finden.

"All diese Elemente wurden zuerst in Verbindungen entdeckt [und] einige der Entdeckungen sind aufgrund der Fülle und Verwendung der Verbindungen schwer zuzuordnen", sagt Nataro. "Wenn Sie das Periodensystem hinuntergehen, neigen die Alkalimetalle eher dazu, ihr Valenzelektron zu verlieren", und somit "nimmt auch die Menge des in der Natur vorkommenden Elements ab, [was zu] späteren Entdeckungsdaten führt."

Wann wurden Alkalimetalle entdeckt?

Lithium wurde erstmals 1817 entdeckt , als der schwedische Chemiker Johan August Arfwedson Mineralerze analysierte. Cäsium und Rubidium wurden 1860 bzw. 1861 von den deutschen Chemikern Robert Bunsen (der dem Bunsenbrenner seinen Namen gab) und Gustav Kirchhoff (der die Kirchhoffschen Gesetze für den elektrischen Strom entwickelte) entdeckt. Francium, das reaktivste der uns derzeit bekannten Alkalimetalle, wurde 1939 von der französischen Wissenschaftlerin Marguerite Perey am Curie-Institut in Paris entdeckt.

Natrium und Kalium, zwei sehr verbreitete Alkalimetalle, haben unbekannte Entdeckungsdaten, die sie so lange verwendet werden. Aber sie waren nicht bis 1807 in reiner Form isoliert (von dem berühmten Chemiker Humphrey Davy). Rubidium wurde erst 1928 isoliert, auch von Bunsen und Kirchhoff.

Eine der häufigsten Eigenschaften von Alkalimetallen ist ihre Reaktivität gegenüber Wasser und Luft . Diese Elemente tanzen herum, brutzeln aufgrund der Produktion von Wasserstoffgas und explodieren oft. Sie werden reaktiver, je weiter man sich im Periodensystem befindet, wobei Cäsium und Francium so reaktiv sind, dass sie einfach in Flammen aufgehen können, wenn sie der Luft ausgesetzt sind. Der Atomradius der Elemente, die Elektronegativität und die Schmelz- und Siedepunkte nehmen ab, wenn Sie sich im Periodensystem nach unten bewegen.

Sie fragen sich vielleicht, wie die Alkalimetalle jemals in der Natur entdeckt wurden, wenn sie so heftig auf Luft und Wasser reagieren. Nun, wie sich herausstellt, kommen die meisten Alkalimetalle in der Natur als Ionen vor, da sie stark reagieren und dieses eine Valenzelektron verlieren. In ihrer ionischen Form sind die Metalle weitaus weniger reaktiv.

Alkalimetalle im Alltag

Alkalimetalle haben eine interessante chemische Dualität, da sie im täglichen Leben sehr verbreitet, aber auch in ihren rohen elementaren Formen sehr selten sind.

Natrium kommt zum Beispiel nicht in der Natur vor und muss aus Verbindungen hergestellt werden. Natrium und Kalium sind wesentliche Elemente des täglichen Lebens, wobei Natrium dabei hilft, den Blutdruck zu regulieren und Elektrolyte durch die Zellen zu transportieren. Natrium verbindet sich auch mit anderen Verbindungen, um Speisesalz und Backpulver herzustellen. Kalium hilft bei der Regulierung von Blutdruck und Glukose und ist in Düngemitteln enthalten. Lithium wird, wie bereits erwähnt, in der Batterieproduktion verwendet und ist auch ein stimmungsstabilisierendes Medikament.

Die reaktiveren Elemente Cäsium, Rubidium und Francium haben weniger natürliche Verwendungen. Cäsium wird unter anderem in Atomuhren , beim Bohren und bei der Herstellung von optischem Glas verwendet. Rubidium wird in der medizinischen Bildgebung und in Vakuumröhren verwendet. Francium, das sehr selten ist, hat nicht viele kommerzielle Anwendungen, wird aber in der Forschung und zur Diagnose einiger Krebsarten verwendet.

Schließlich sind alle Alkalimetalle auch im Bereich der Chemie unglaublich nützliche Lehrmittel. Lehrer lieben es, das Prinzip der Reaktivität zu demonstrieren, indem sie ein Alkalimetall in Wasser fallen lassen, nur damit die Klasse ehrfürchtig zusehen kann, wie es Feuer speit und explodiert.

Jetzt ist das radioaktiv!

Francium ist das seltenste der Alkalimetalle und das zweitseltenste Element in der Erdkruste ( schätzungsweise nur 340-550 Gramm oder etwa 1 Pfund in der Erdkruste). Es ist auch hochradioaktiv und hat eine maximale Lebensdauer von nur 22 Minuten. Francium ist noch nie ins Wasser gefallen, weil es so selten und so teuer ist, aber Wissenschaftler erwarten, dass es die stärkste Reaktion aller Alkalimetalle hat.