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I. Hauptgruppe – Überblick
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema I. Hauptgruppe – Überblick

I. Hauptgruppe – Überblick – Chemie

Bestimmt hast du schon etwas vom Periodensystem der Elemente gehört. Dieses ist in Nebengruppen und acht Hauptgruppen eingeteilt. In diesem Text lernst du die Elemente der 1. Hauptgruppe kennen, die Alkalimetalle.

erste Hauptgruppe 1, Welche Alkalimetalle gibt es?

Alkalimetalle – Definition

Die Elemente der 1. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente werden als Alkalimetalle bezeichnet. Sie gehören zu den Leichtmetallen. Ausnahme bildet das Element Wasserstoff, das besondere Eigenschaften besitzt und nicht zu den Alkalimetallen gezählt wird.

Welche Alkalimetalle gibt es? Als Alkalimetalle werden die Elemente in der folgenden Liste bezeichnet:

  • Lithium $\ce{Li}$
  • Natrium $\ce{Na}$
  • Kalium $\ce{K}$
  • Rubidium $\ce{Rb}$
  • Cäsium $\ce{Cs}$
  • Francium $\ce{Fr}$

Alkalimetalle – physikalische Eigenschaften

In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften, also die Siede- und die Schmelztemperaturen der Elemente der I. Hauptgruppe, sowie deren Dichten zusammengefasst:

Name Symbol Siedetemperatur Schmelztemperatur Dichte
Lithium $\ce{Li}$ $\pu{180°C}$ $\pu{1 340°C}$ $\pu{0,54 g/cm3}$
Natrium $\ce{Na}$ $\pu{98°C}$ $\pu{880°C}$ $\pu{0,97 g/cm3}$
Kalium $\ce{K}$ $\pu{64°C}$ $\pu{770°C}$ $\pu{0,86 g/cm3}$
Rubidium $\ce{Rb}$ $\pu{39°C}$ $\pu{690°C}$ $\pu{1,53 g/cm3}$
Cäsium $\ce{Cs}$ $\pu{28°C}$ $\pu{680°C}$ $\pu{1,88g/cm3}$
Francium $\ce{Fr}$ $\pu{27°C}$ $\pu{670°C}$ keine Angabe

Siedetemperatur und Schmelztemperatur nehmen in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems von oben nach unten, also mit zunehmender Ordnungszahl, ab. Die Dichte nimmt dabei zu. Die Elemente Lithium, Natrium und Kalium haben eine geringere Dichte als Wasser – sie schwimmen also auf Wasser. Alle Alkalimetalle weisen eine weiche Konsistenz auf und können leicht mit einem Messer geschnitten werden. Alkalimetalle sind silberglänzende Metalle, mit Ausnahme von Cäsium. Dieses schimmert leicht golden.

Alkalimetalle – Reaktivität

Alle Alkalimetalle sind sehr reaktionsfreudig. Die Alkalimetalle der 1. Hauptgruppe besitzen alle ein Außenelektron, das auch als Valenzelektron bezeichnet wird. Die Atome dieser Elemente neigen dazu, dieses Außenelektron abzugeben, um die Oktettregel zu erfüllen und Edelgaskonfiguration zu erreichen. Sie liegen in Verbindungen also als einfach positiv geladene Kationen vor und gehen hauptsächlich Ionenbindungen ein und bilden Salze. Alkalimetalle zählen zu den reaktivsten Metallen. Da sie leicht ihr Valenzelektron abgeben, das heißt leicht oxidiert werden, sind sie in der Lage, andere Elemente zu reduzieren. Aus diesem Grund werden Alkalimetalle als Reduktionsmittel verwendet.

Die Reaktivität der Alkalimetalle steigt mit zunehmender Ordnungszahl (Kernladungszahl). Cäsium ist am reaktivsten. Eine Besonderheit unter den Alkalimetallen bildet das Francium. Dieses entsteht ausschließlich bei radioaktiven Zerfallsprozessen. Da Francium eine sehr kurze Halbwertszeit hat, kommt es kaum in der Natur vor.

Alkalimetalle reagieren leicht mit Wasser. Bei der Reaktion von Wasser mit Alkalimetallen werden Hydroxide gebildet. Das bekannteste Reaktionsprodukt ist hier das Natriumhydroxid ($\ce{NaOH}$), das auch als Natronlauge bezeichnet wird.

Auch mit Sauerstoff reagieren Alkalimetalle sehr stark. Sie sind in Anwesenheit von Sauerstoff leicht entzündlich. Bei der Verbrennung zeigt jedes Alkalimetall eine typische Flammenfärbung, wie du in folgender Abbildung sehen kannst:

Flammenfärbung Alkalimetalle, sind Alkalimetalle giftig?

Alkalimetalle – Gewinnung

Aufgrund der hohen Reaktivität liegen Alkalimetalle in der Regel in Verbindungen als Salze vor. Sie können alle in reiner Form durch Schmelzflusselektrolyse der entsprechenden Salze gewonnen werden. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Salze durch Anlegen eines elektrischen Stroms in ihre einzelnen Ionen zerlegt werden.

Alkalimetalle – Vorkommen

Welche Verwendung haben Alkalimetalle? Wirtschaftlich bedeutsam sind Natrium- und Kaliumverbindungen. Eine Alkalimetallverbindung kennt jeder: Natriumchlorid ($\ce{NaCl}$), das Kochsalz. Andere Natriumverbindungen werden zur Herstellung von Seifen und Glas oder als Bestandteile von Waschmitteln eingesetzt. Kaliumverbindungen kommen häufig in chemischen Düngern zum Einsatz.

Dieses Video

In diesem Video wird dir einfach erklärt, was Alkalimetalle sind. Du lernst etwas über das Reaktionsverhalten der Alkalimetalle. Außerdem erhältst du Antworten auf die Frage Welche Verwendung haben Alkalimetalle?. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema Alkalimetalle zu bearbeiten. Viel Spaß!

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Vorschaubild einer Übung

Transkript I. Hauptgruppe – Überblick

Der Titel des Videos klingt nicht so spannend? Na, das wollen wir doch mal sehen! Hier geht's heute schließlich um Hochentzündliches und Metall verbiegen wir auch noch! Interesse geweckt? Dann lass uns loslegen mit einem "Überblick" der "Ersten Hauptgruppe". Die erste Hauptgruppe finden wir ganz vorne im Periodensystem der Elemente. Das sind die sogenannten "Alkalimetalle". Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium. Na, ist dir was aufgefallen? Wasserstoff gehört NICHT zu den Alkalimetallen, sondern ist ein nichtmetallisches Gas. Gut, wir wissen nun schon mal, was zu den Alkalimetallen gehört, aber: was bedeutet der Name eigentlich? Alkalimetalle? Das Wort leitet sich von dem arabischen "al kalja" ab, was mit "Pottasche" übersetzt werden kann. Pottasche ist wiederum eine alte Bezeichnung für Kaliumcarbonat. Kommen wir nun zu den Eigenschaften der Alkalimetalle. Es handelt sich um silbrig glänzende Metalle, bis auf Caesium – hier geht der Schimmer eher in die goldglänzende Richtung. Francium ist stark radioaktiv und kann nur in höchst geringen Mengen hergestellt werden. Ah und dieses Gefäß, in dem das Caesium hier dargestellt ist, bringt uns auch gleich zur nächsten Eigenschaft: Alkalimetalle sind extrem reaktiv. Dazu aber gleich etwas mehr. Außerdem handelt es sich um relativ weiche Feststoffe mit einer geringen Dichte. Sie sind also sehr leicht. Um genauer zu sein, liegt die Dichte der Alkalimetalle im Bereich von etwa null Komma fünf bis zwei Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Eisen hat in etwa eine Dichte von acht Gramm pro Kubikzentimeter. Innerhalb der Gruppe ist ein VERLAUF der Eigenschaften zu beobachten. So sind beispielsweise Lithium und Natrium so weich, dass sie mit einem Messer geschnitten werden können. Kalium ist formbar wie ein Stück Knete. Caesium wäre bei einer warmen Raumtemperatur schon nahezu flüssig. Dementsprechend nehmen also Härte, Schmelz- und Siedetemperatur innerhalb der Gruppe von oben nach unten ab. Wobei zu sagen ist, dass diese Parameter bei Alkalimetallen generell niedriger sind, als bei anderen Metallen. Die Dichte nimmt jedoch von oben nach unten ZU. Auch in ihrer Reaktivität nehmen die Alkalimetalle innerhalb der Gruppe von oben nach unten zu. Aber warum ist das so? Der Grund dafür liegt im Atombau. Im Video über das Periodensystem der Elemente haben wir uns angeschaut, was die Gruppennummer mit der Anzahl der Außenelektronen zu tun hat. Erinnerst du dich? In der ersten Hauptgruppe bedeutet das, dass Alkalimetalle EIN Elektron auf der äußersten Schale aufweisen. Also ein "Valenzelektron" besitzen. Dieses Valenzelektron wird besonders leicht abgegeben, um die "Oktettregel" zu erfüllen, das heißt also eine Außenhülle mit acht Elektronen zu haben. Das macht alle Alkalimetalle SO reaktionsfreudig. Außerdem werden Elemente innerhalb einer Gruppe immer schwerer, da pro zusätzlicher Periode eine umgebende Schale dazu kommt. Bei schwereren Elementen ist also das Valenzelektron weiter vom Atomkern entfernt und kann noch leichter abgegeben werden. Daher ist Caesium reaktionsfreudiger als Lithium. Ihr Reaktionsverhalten ist auch der Grund dafür, dass Alkalimetalle in der Natur nicht in ihrer Reinform, sondern vorzugsweise in Mineralien gebunden, vorkommen. Andere wichtige Verbindungen der Alkalimetalle sind zum Beispiel Oxide, also Verbindungen mit Sauerstoff Hydride, das sind Verbindungen mit Wasserstoff oder auch Hydroxide, diese entstehen bei einer Reaktion mit Wasser. Diese Reaktionen können mitunter sehr heftig verlaufen. Das, was du hier siehst, ist ein winziges Stück Natrium, das im Kontakt mit Wasser reagiert und auf der Oberfläche umhersaust. Aber Vorsicht: Bei Natrium mag das noch witzig aussehen, bei Rubidium und Caesium würde dies allerdings zu heftigen Explosionen führen. Das ist auch der Grund, warum Alkalimetalle, wie beispielsweise hier das Caesium, in derartig luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt wird. Also beim Experimentieren mit Alkalimetallen unbedingt Schutzkleidung tragen. Du kannst dir vielleicht grob ausmalen, was passiert, wenn man im Umgang mit diesen Metallen feuchte Hände hat. Zuletzt wollen wir uns noch ansehen, wie man Alkalimetalle nachweisen kann. Charakteristisch sind nämlich unterschiedliche Flammenfärbungen. Gibt man Salzverbindungen der Alkalimetalle in eine Flamme, zeigen sich bunte Farben, was übrigens auch bei Feuerwerken für die Farbenpracht sorgt. Herrlich, damit kommen wir auch schon zur Zusammenfassung. Alkalimetalle sind die Elemente der ersten Hauptgruppe, ausgenommen von Wasserstoff. Da sie aufgrund ihres einzelnen Valenzelektrons sehr reaktiv sind, kommen sie als reines Element nicht in der Natur vor und müssen besonders aufbewahrt werden. Alle Alkalimetalle sind relativ weich und leicht. Wichtige Alkalimetallverbindungen sind zum Beispiel Oxide, Hydride und Hydroxide. Charakteristisch ist außerdem ihre unterschiedliche Flammenfärbung. Da ging es ja trotz unscheinbar anmutendem Videotitel doch ganz schön bunt zur Sache.

1 Kommentar
1 Kommentar
  1. Könnt ihr bitte zu jeder Hauptgruppe ein Video machen?

    Von Schüler, vor 3 Monaten

I. Hauptgruppe – Überblick Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video I. Hauptgruppe – Überblick kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeige die Reihenfolge der Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe auf.

    Tipps

    An der Ordnungszahl oben links kannst du die Anzahl der Protonen ablesen.

    Je mehr Protonen ein Element besitzt, desto weiter unten steht es im Periodensystem der Elemente.

    Lösung

    Die Alkalimetalle befinden sich in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Das ist die erste Spalte ganz links.
    Die Elemente werden zu einer Gruppe zusammengefasst, weil sie ähnliche Eigenschaften vorweisen. Zum Beispiel haben alle Elemente der ersten Hauptgruppe nur ein Außenelektron.
    In folgender Reihenfolge von oben nach unten kommen die Alkalimetalle im Periodensystem der Elemente vor:


    • Lithium
    • Natrium
    • Kalium
    • Rubidium
    • Caesium
    • Francium


    Obwohl Wasserstoff ebenfalls in der ersten Hauptgruppe steht und somit auch ein Außenelektron besitzt, gehört er nicht zu den Alkalimetallen, sondern ist ein nichtmetallisches Gas.

  • Gib an, welche Eigenschaften auf die Alkalimetalle zutreffen.

    Tipps

    Es gibt vier richtige Antworten.

    Lithium und Natrium können mit dem Messer geschnitten werden.

    Lösung

    Die Alkalimetalle befinden sich in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und werden zu einer Gruppe zusammengefasst, weil sie ähnliche Eigenschaften vorweisen:

    • Es handelt sich um silbrig glänzende Metalle, bis auf Caesium – hier geht der Schimmer eher in die goldglänzende Richtung.
    • Außerdem handelt es sich um relativ weiche Feststoffe. So sind beispielsweise Lithium und Natrium so weich, dass sie mit einem Messer geschnitten werden können.
    • Die Alkalimetalle haben eine geringe Dichte, sind also sehr leicht. Die Dichte der Alkalimetalle liegt im Bereich von etwa $0,\!5$ bis zwei Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Eisen hat in etwa eine Dichte von acht Gramm pro Kubikzentimeter.
    • Sie sind alle sehr reaktiv. Das liegt an ihrem Atombau: Da sie nur ein Außenelektron haben, gehen sie gern Verbindungen ein, um die Oktettregel zu erfüllen.

    Übrigens: Francium ist stark radioaktiv und kann nur in höchst geringen Mengen hergestellt werden.

  • Bestimme weitere Eigenschaften der Alkalimetalle.

    Tipps

    Lithium kann mit dem Messer geschnitten werden, Kalium ist formbar wie Knete. Caesium wäre bei einer warmen Raumtemperatur schon nahezu flüssig.

    Der lateinische Name für Sauerstoff lautet „Oxygenium“.

    Lösung

    Obwohl die Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe gemeinsame Eigenschaften vorweisen, sind sie doch nicht ganz gleich. Innerhalb der Gruppe ist ein Verlauf der Eigenschaften zu beobachten:

    • Die Härte sowie die Schmelz- und die Siedetemperatur innerhalb der Gruppe nehmen von oben nach unten ab.
    • Die Dichte und die Reaktivität innerhalb der Gruppe nehmen von oben nach unten zu.

    Ihr Reaktionsverhalten ist auch der Grund dafür, dass Alkalimetalle in der Natur nicht in ihrer Reinform, sondern vorzugsweise in Mineralien gebunden vorkommen. Doch es gibt ebenfalls andere wichtige Verbindungen:

    • Wichtige Verbindungen der Alkalimetalle sind zum Beispiel Oxide, also Verbindungen mit Sauerstoff.
    • Jedoch bilden sie auch gern Hydride, sprich Verbindungen mit Wasserstoff.
    • Alkalimetalle bilden außerdem Hydroxide, wenn sie mit Wasser reagieren.

  • Beschreibe das Reaktionsverhalten der Alkalimetalle näher.

    Tipps

    Hier siehst du den Atombau von Lithium im Vergleich zu Caesium.

    Lösung

    Die Reaktionsfreudigkeit der Alkalimetalle hängt mit ihrem Atombau zusammen, insbesondere der Valenzelektronenanzahl. Da alle Alkalimetalle nur ein Elektron in ihrer äußersten Schale haben, ist es leichter, ein Elektron abzugeben, als sieben aufzunehmen, um die Oktettregel zu erfüllen und eine Außenhülle mit acht Elektronen zu erreichen.
    Zwar werden Elemente innerhalb der Gruppe immer schwerer, jedoch kommt pro zusätzlicher Periode eine umgebende Schale dazu. Das Valenzelektron ist deshalb weiter vom Atomkern entfernt und kann leichter abgegeben werden. Daher ist Caesium reaktionsfreudiger als Lithium.

    Ihr Reaktionsverhalten ist auch der Grund dafür, dass Alkalimetalle in der Natur nicht in ihrer Reinform, sondern vorzugsweise in Mineralien gebunden vorkommen. Andere wichtige Verbindungen der Alkalimetalle sind zum Beispiel Oxide, Hydride und Hydroxide.

    Reaktionen von Alkalimetallen mit Wasser können mitunter sehr heftig verlaufen: Wenn ein winziges Stück Natrium mit Wasser reagiert, dann saust es auf der Oberfläche umher. Aber Vorsicht: Bei Natrium mag das noch witzig aussehen, bei Rubidium und Caesium würde dies allerdings zu heftigen Explosionen führen. Das ist zudem der Grund, warum Alkalimetalle in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden und bei Experimenten mit Alkalimetallen unbedingt Schutzkleidung getragen werden muss!

  • Entscheide, bei welchem Stoff es sich um ein Alkalimetall handelt.

    Tipps

    Es gibt nur eine richtige Antwort.

    Alkalimetalle müssen in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden, weil sie so reaktiv sind.

    Lösung

    Die Elemente der ersten Hauptgruppe – ausgenommen Wasserstoff – gehören zu den Alkalimetallen.
    Dazu zählen:

    • Lithium
    • Natrium
    • Kalium
    • Rubidium
    • Caesium
    • Francium

    Wasserstoff befindet sich zwar auch in der ersten Hauptgruppe, ist aber ein nichtmetallisches Gas.
    Sauerstoff befindet sich in der sechsten Hauptgruppe und zählt zu den Nichtmetallen.
    Kupfer steht in der ersten Nebengruppe und gehört zu den Übergangsmetallen.

  • Vergleiche die beiden Alkalimetalle Lithium und Caesium.

    Tipps

    Jedem Alkalimetall müssen vier Eigenschaften zugeordnet werden.

    Je mehr Schalen ein Atom eines Elements besitzt, desto reaktionsfreudiger ist es, weil das Valenzelektron weiter vom Atomkern entfernt und damit leichter abzugeben ist.

    Lösung

    $\underline{\text{Lithium}}$

    • Lithium besitzt insgesamt drei Elektronen auf zwei besetzten Elektronschalen. Auf der äußersten Schale befindet sich, wie bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe, ein Valenzelektron.
    • Allgemein sind alle Alkalimetalle eher weiche Feststoffe. Lithium ist so weich, dass man es mit einem Messer durchschneiden kann.
    • Lithium ist, wie alle Alkalimetalle, reaktionsfreudig. Wenn es mit Wasser reagiert, dann gibt es eine heftige Reaktion. Das ist zudem der Grund, warum Alkalimetalle in luftdicht verschlossenen Gefäßen aufbewahrt werden.
    • Gibt man Salzverbindungen der Alkalimetalle in eine Flamme, zeigen sich bunte Farben, was übrigens auch bei Feuerwerken für die Farbenpracht sorgt. Lithiumchlorid zum Beispiel zeigt eine rote Flammenfärbung, wenn es in die Flamme des Bunsenbrenners gehalten wird.

    $\underline{\text{Caesium}}$
    • Caesium besitzt insgesamt 55 Elektronen auf sechs besetzten Elektronenschalen. Auf der äußersten Schale befindet sich, wie bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe, ein Valenzelektron.
    • Alkalimetalle sind weiche Feststoffe. Die Härte nimmt von oben nach unten jedoch ab. Caesium wäre bei einer warmen Raumtemperatur schon nahezu flüssig.
    • Auch die Reaktivität der Alkalimetalle verändert sich von oben nach unten, allerdings nimmt diese zu. Im Vergleich zu Lithium oder Natrium ist Caesium sehr reaktionsfreudig, geht also noch leichter Verbindungen ein. Wenn Caesium (oder Rubidium) mit Wasser reagieren, dann würde dies zu heftigen Explosionen führen.
    • Hält man eine Salzverbindung, zum Beispiel Caesiumchlorid, in die Brennerflamme, sieht man eine blaue Flammenfärbung.