Anorganische Chemie I- - fh-muenster.de · PDF fileReduktion von geschmolzenem KCl mit Na...
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1. Alkalimetalle Gli dGliederung1.1 Vorkommen1.2 Gruppeneigenschaften Gruppe
I b IA1.3 Darstellung1.4 Technische Verwendung1.5 Flammenfärbungen
3Li
I bzw. IA
g1.6 Löslichkeit der Salze1.7 Komplexe mit Kronenethern1 8 Sauerstoffverbindungen 19
11Na
1.8 Sauerstoffverbindungen1.9 Salze der Oxosäuren1.10 Biologische Aspekte
19K37RbRb55Cs87
„Alkalimetalle“
87Fr
Folie 1Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
„
1.1 Vorkommen A t il A fb d E dk tAnteil am Aufbau der ErdkrusteLi: 2.0.10-3%, Na: 2.7%, K 2.4%, Rb: 9.0.10-3%, Cs: 3.10-4%
Lithium (lithos) LiAl[SiO3]2 Spodumen: Kettensilikatgriech.: Stein LiAl[Si2O5]2 Petalit (Kastor): Phyllosilikat
Natrium (neter) NaCl Steinsalzägypt.: Soda NaNO3 Chilesalpeter
Na2SO4 GlaubersalzNa[AlSi3O8] Natronfeldspat (Albit)
Kalium (potasse) KCl Sylvinfranz.: Pottasche KMgCl3
.6H2O Carnallit
Rubidium (rubidus) Begleiter der anderen Alkalimetallegriech.: tiefrot
Caesium (caesius) Begleiter der anderen Alkalimetalle
Folie 2Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
griech.: himmelblau CsAl[SiO3] Pollux
1.2 GruppeneigenschaftenAll El t d G i d kti M t ll d k i d O id tiAlle Elemente der Gruppe sind reaktive Metalle und kommen in der Oxidations-stufe +I vor
Li N K Rb CLi Na K Rb CsOrdnungszahl 3 11 19 37 55Elektronen- [He] [Ne] [Ar] [Kr] [Xe]konfiguration 2s1 3s1 4s1 5s1 6s1konfiguration 2s1 3s1 4s1 5s1 6s1
Elektronegativität 1.0 1.0 0.9 0.9 0.9Ionisierungsenergie [eV] 5.4 5.1 4.3 4.2 3.9Ionenradius Me+ fürIonenradius Me fürKZ 6 [pm] 90 116 152 166 181Schmelzpunkt Tm [°C] 181 98 63 39 28Siedepunkt Tb [°C] 1347 883 759 688 668p b [ ]Dichte [g/cm3] 0.53 0.97 0.86 1.53 1.87Flammenfärbung purpurrot gelb hellviolett rotviolett blauviolett
• Verbrennung der Metalle liefert je nach Kationengröße Oxide, Peroxide oder Hyperoxide• Lithium bildet mit Stickstoff das Nitrid Li3N• Der basische Charakter der Hydroxide nimmt mit steigender Ordnungszahl zu
Folie 3Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
• Alle Alkalimetalle kristallisieren kubisch-raumzentriert (KZ 8)
1.3 DarstellungS f i i iDurch Schmelzflusselektrolyse oder durch chemische Reduktion mit extrem starken
Reduktionsmitteln
LithiumSchmelzflusselektrolyse von LiCl/KCl (Eutektikum)Li+ + e- Li(l) (E0 = - 3.04 V Lithium hat das negativste Standardpotential aller Elemente)Li e Li(l) (E 3.04 V Lithium hat das negativste Standardpotential aller Elemente)
NatriumSchmelzflusselektrolyse von NaCl (Downs-Zelle) Schmelzflusselektrolyse von NaCl (Downs-Zelle) Kathode: Na+(solv) + e- Na(s)Anode: 2 Cl-(solv) Cl2(g) + 2 e-
KaliumReduktion von geschmolzenem KCl mit Na
Rubidium, CaesiumDurch chemische Reduktion
Folie 4Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
Cs2Cr2O7(s) + Zr(s) 2 Cs(g) + 2 ZrO2(s) + Cr2O3(s)
1.4 VerwendungLithiLithium• Li-Salze spielen in der Medizin eine Rolle• 6Li2H bzw. 6LiD dient als Kernsprengstoff in Fusionswaffen
L i b t dt il Hä t Pb Al d M• Legierungsbestandteil zum Härten von Pb, Al und Mg• Li-Ionenbatterien
NatriumNatrium• Wichtiges Reduktionsmittel• Ausgangsmaterial zur Synthese von Na2O2, NaNH2, NaH, NaCN, Na/Pb…..• Kühlmittel in schnellen Brutreaktoren• Na-Nieder- und Na-Hochdruckgas-
entladungslampen (589.0 + 589.6 nm)
K liKalium• KCl, K2SO4 und KNO3 als Düngemittel
CaesiumCaesium• Photoelektrischer Effekt Photozellen• 137Cs (t1/2 = 30 a) ist ein ß-Strahler (512 keV)
Strahlungsquelle in der Medizin
Folie 5Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
1.5 FlammenfärbungenTh i h A El kt k E i i i htb Li htThermische Anregung von Elektronen kann zur Emission von sichtbarem Lichtführen und somit zu einer Flammenfärbung
El Fl fä bElement FlammenfärbungLi PurpurrotNa Gelb K Hellviolett np1K HellviolettRb RotviolettCs BlauviolettCa Ziegelrot
p
1Ene
rgie T -h
Sr RotBa FahlgrünB GrünPb Fahlblau
ns1
Pb FahlblauAs FahlblauSb FahlblauCd Rot
Bei Alkalimetallen wird das äußerste Elektron ns1
thermisch angeregt. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird ein Photon (h) mit einerCu Grün bis blau
Y RotGrundzustand wird ein Photon (h) mit einer Energie, welcher der Energiedifferenz zwischen dem 1. angeregten Zustand und dem Grundzustand entspricht emittiert
Folie 6Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
Grundzustand entspricht, emittiert.
1.6 Löslichkeit der SalzeDi Lö li hk it d Alk li t ll l i d V hält i (K+)/ (A ) b ti tDie Löslichkeit der Alkalimetallsalze wird vom Verhältnis r(K+)/r(A-) bestimmt
Gleichgewichtsreaktion: LiI(s) + CsF(s) ⇌ LiF(s) + CsI(s)Gitt th l i [kJ/ l] 759 756 1047 608 H0 140 kJ/ lGitterenthalpie [kJ/mol] -759 -756 -1047 -608 H0 = -140 kJ/mol
Löslichkeit der Alkalimetallfluoride und derLöslichkeit der Alkalimetallfluoride und der–iodide (rokt.(F-) = 119 pm, rokt.(I-) = 206 pm)
RbFKF
Schlecht lösliche Salze der großen Alkali-metalle (Me = K, Rb, Cs) sind solche
10
CsIRbIKI
LiI NaICsF
RbFKF
) be
i 20°
C
( , , )mit großen Anionen:
Perchlorate MeClO40 1
1CsI
NaF
chke
it (m
ol/l
4Tetraphenylborate Me[B(C6H5)4]Hexanitrocobaltate Me3[Co(NO2)6]
80 100 120 140 160 1800,01
0,1
LiFLösl
ic
(K ti ) ( ) i kt d i h K di ti
Folie 7Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
r(Kation) (pm) in oktaedrischer Koordination
1.7 Komplexe mit KronenethernDi Lö li hk it Alk li t ll l k i i h Lö itt l d hDie Löslichkeit von Alkalimetallsalzen kann in organischen Lösungsmitteln durch Komplexbildner stark verbessert werden Kronenether
Komplex des Kalium-ions mit 18-Krone-6
OO
O
OO O
O
O
ions mit 18-Krone-6
O OOO O
O
O
12-Krone-4 15-Krone-5 18-Krone-6
• Diese cyclischen Polyether bilden mit Alkalimetallkationen sehr stabile Komplexe• Diese cyclischen Polyether bilden mit Alkalimetallkationen sehr stabile Komplexe
• Alkalimetallsalze, wie z.B. KMnO4, lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln wie CHCl3(Trichlormethan), sobald man etwas Kronenether hinzufügt.(Trichlormethan), sobald man etwas Kronenether hinzufügt.
• Selbst elementares Na wird durch 18-Krone-6 unter Bildung von Na-Anionen(!) gelöst:2 Na(s) + C20H36O6(l) [Na(C20H36O6)]+Na-(s)
Folie 8Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
Na(s) C20 36O6( ) [Na(C20 36O6)] Na (s)
1.8 SauerstoffverbindungenDi i l i i d Alk lik ti t bili i h ß A i d hDie gering polarisierenden Alkalikationen stabilisieren auch große Anionen, d.h. die Reaktion mit Sauerstoff ergibt, außer mit Lithium, Peroxide und Hyperoxide
M t ll P d kt d R kti it O M ti F bMetall Produkt der Reaktion mit O2 Magnetismus FarbeLi Li2O diamagnetisch weißNa Na2O2 diamagnetisch weißK Rb Cs KO RbO CsO paramagnetisch orangeK, Rb, Cs KO2, RbO2, CsO2 paramagnetisch orange
Alle Sauerstoffverbindungen reagieren heftig mit H2O und bilden Hydroxide:Li O(s) + H O(l) 2 LiOH(s)Li2O(s) + H2O(l) 2 LiOH(s)Na2O2(s) + 2 H2O(l) 2 NaOH(s) + H2O2(l)2 KO2(s) + 2 H2O(l) 2 KOH(s) + H2O2(l) + O2(g)
Reaktion mit CO2 ergibt Carbonate:Li2O(s) + CO2(g) Li2CO3(s)2 Na2O2(s) + 2 CO2(g) 2 Na2CO3(s) + O2(g)2 Na2O2(s) 2 CO2(g) 2 Na2CO3(s) O2(g)4 KO2(s) + 2 CO2(g) K2CO3(s) + 3 O2(g)K2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g) 2 KHCO3(s) KO2 wird als CO2 und H2O-Absorber in Tauchgeräten eingesetzt
Folie 9Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
2 2 2 g g
1.8 SauerstoffverbindungenO id t t h b i d R kti d H id it O OOzonide entstehen bei der Reaktion der Hyperoxide mit Ozon O3
Synthese: 2 MeO2 + O3 2 MeO3 + O2 (Me = K, Rb, Cs)
Zersetzung: 2 MeO3 2 MeO2 + O2 (Me = K, Rb, Cs)
Das O3- Anion besitzt 19 Valenzelektronen und ist demnach paramagnetisch!
O. O. -
O O O O
Die Bindungsordnung der O-O-Bindung beträgt 1.5
Folie 10Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
1.9 Salze der OxosäurenS l d K hl ä (C b t d H d b t )Salze der Kohlensäure (Carbonate und Hydrogencarbonate)Me2CO3 2 Li+(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2 H+(aq) + Li2CO3(s) “unlöslich”
Na2CO3 “Soda”K CO “P tt h ”K2CO3 “Pottasche”
MeHCO3 2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g) Brause- und Backpulver
Salze der Phosphorsäure (Phosphate, Hydrogenphosphate und Dihydrogenphosph.)Me3PO4 “alkalische Salze”Me HPOMe2HPO4MeH2PO4 “saure Salze”
Salze der Salpetersäure (Nitrate)Salze der Salpetersäure (Nitrate)MeNO3 NaNO3 “Chilesalpeter”
KNO3 “Salpeter”
Salze der Schwefelsäure (Sulfate und Hydrogensulfate)Me2SO4 Na2SO4
.10H2O “Glaubersalz” AbführmittelMeHSO “saure Salze”
Folie 11Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel
MeHSO4 saure Salze
1.10 Biologische Aspektei iLithium
Behandlung von psychischen Erkrankungen (manische Depressionen) Li greift im Gehirn in den Stoffwechsel ein (Blockierung einer enzymatischen Umsetzung
2bei der Mg2+-Ionen eine Rolle spielen) Schrägbeziehung Li/Mg
Natrium/Kalium• Aufrechterhaltung von Membranpotentialen (~ 60 mV) mittels Konzentrationsgradienten
von Na+ und K+ über der Zellmembran Signalleitung, Nierenfunktion• Ionentransport erfolgt über Ionenkanäle
Na+ [mmol/l] K+ [mmol/l] Na+Na+[ ] [ ]
Rote Blutkörperchen 11 92Blutplasma 160 10 Na+
Na+
Na+K+
K+K+
K+
K+K+
Rubidium, CaesiumKeine biologische Bedeutung
Na+K+ K+
Na+
Folie 12Anorganische Chemie IProf. Dr. T. Jüstel