Ein Versuch mit Alkalimetallen

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O-o, von dem, was JuergenM hier schreibt, stimmt so einiges nicht.

Also zunächst einmal nimmt die Reaktivität der Alkalimetalle von Lithium, über Natrium, Kalium und Rubidium bis zum Cäsium zu (und nicht ab). Lithium ist also nicht am reaktivsten, sondern verglichen mit den folgenden Alkalimetallen am wenigsten reaktiv.

Das kann man leicht prüfen, wenn man Lithium mit Wasser reagieren lässt, dann Natrium, dann Kalium. Mit Rubidium oder gar Cäsium würde ich das nicht machen, weil dir das Ganze um die Ohren fliegt. Zum Beweis guckst du hier:

http://www.myvideo.de/watch/5027521/BrainiacCaesiumvs_Wasser

Das ist auch leicht zu verstehen, denn wie Jürgen wiederum richtig ausführt, besitzt Lithium weniger Hauptenergieniveaus (HEN; früher auch "Schale" genannt). Oder besser: Das enzelne Valenzelektron (Außenelektronen) eines Lithiumatoms befindet sich im 2. HEN, während sich das einzelne Valenzelektron bei Cäsium im 6. HEN befindet. Es stimmt auch, dass sich das Valenzelektron damit beim Lithium näher am Kern befindet als beim Cäsium. Doch was dann folgt, ist falsch überlegt. Gerade weil das Außenelektron (Elektron = negativ geladenes Elementarteilchen) beim Lithium näher am Kern ist (wo sich neben den ungeladenen Neutronen auch die positiv geladenen Protonen befinden), wird es stärker vom Kern angezogen als das Valenzelektron im 6. HEN bei Cäsium. Demnach wird es beim Lithium nicht so leicht abgegeben wie beim Cäsium und deshalb ist Lithium weniger reaktiv als Cäsium.

Auch was danach noch so kommt, ist nicht nur schwer verständlich, sondern auch fehlerhaft. Zunächst einmal ist in deiner Aufgabe überhaupt nicht klar, womit die Alkalimetalle reagieren. Jürgen geht nun davon aus, dass es Wasser ist, wahrscheinlich weil du geschrieben hast, dass nach der Reaktion Wasserstoff entsteht. Das ist allerdings bei weitem nicht die einzige Möglichkeit (zum Beispiel könnten die Metalle auch mit Säuren reagieren, wobei neben den jeweiligen Metallsalzen auch Wasserstoff entstehen würde). Aber gut, gehen wir davon aus, dass die Alkalimetalle mit Wasser reagieren. Dann gilt ganz allgemein, dass die Alkalimetalle (Me) mit Wasser zu Alkalimetallhydroxid und Wasserstoff reagieren.

2 Me + 2 H2O --> 2 MeOH + H2

Soweit, so gut. Fü Me kannst du jedes beliebige Alkalimetall einsetzen. Aber das alles spielt gar keine große Rolle, denn selbstverständlich hat das etwas mit der Dichte zu tun. Oder besser gesagt mit der Anzahl von Atomen, die an der Reaktion beteiligt sind und die du über die Dichte ermitteln kannst. Doch bevor wir das konkret durchexerzieren, hier ein Versuch, die Sache anschaulich zu erklären.

Stell dir vor, du lässt immer die gleiche Anzahl von Alkalimetallatomen mit der entsprechenden Menge Wasser reagieren. Dann ist klar, dass immer die gleiche Menge Wasserstoff dabei gebildet werden muss. Das kannst du aus obiger Reaktionsgleichung folgern: Immer wenn zwei Atome Lithium mit zwei Molekülen Wasser reagieren, entsteht ein Molekül Wasserstoff. Aber auch wenn zwei Atome Natrium mit zwei Molekülen Wasser reagieren, dann entsteht ein Molekül Wasserstoff. Dasselbe bei Kalium, Rubidium und Cäsium. Wenn aber vier Atome Lithium mit vier Molekülen Wasser reagieren, dann würden zwei Moleküle Wasserstoff entstehen. Desgleichen bei den übrigen Alkalimetallen. Und wenn du eine Million Atome mit einer Million Moleküle Wasser reagieren ließest, so würden 500.000 Moleküle Wasserstoff entstehen, nicht wahr?

Also gut: weiter! Nun stell dir vor, wir würden nicht immer die gleichen Anzahlen von Alkalimetallatomen reagieren lassen, was dann? Ganz klar, dann würden verschieden viele Moleküle Wasser entstehen, nicht wahr? Wenn ich also zwei Atome Natrium mit zwei Molekülen Wasser reagieren lassen würde, dann würde ein Molekül Wasserstoff entstehen. Aber wenn ich vier Moleküle Lithium mit vier Molekülen Wasser reagieren lassen würde, dann entstünden zwei Moleküle Wasserstoff. Logisch? - Logisch!

Doch nun endlich zu deinem Problem: Dort setzt du immer das gleiche Volumen deines Alkalimetalls ein, nämlich jeweils 1 cm3. Aber ein Lithiumatom ist viel kleiner als beispielsweise ein Cäsiumatom. Also passen viel mehr Lithiumatome in einen Kubikzentimeter Raum als Cäsiumatome, klar? Demnach hast du zwar das gleiche Volumen, aber nicht die gleiche Anzahl von Atomen, die du mit dem Wasser reagieren lässt. Und das ist auch der Grund, warum unterschiedlich viele Mengen Wasserstoff entstehen. In einen Kubikzentimeter passen am meisten Lithiumatome, dann Natriumatome, dann Kaliumatome, dann Rubidiumatome und dann Cäsiumatome. Daher nimmt die Menge an gebildetem Wasserstoff ab, denn mit abnehmender Anzahl von Atomen, kann auch immer weniger Wasserstoff gebildet werden.

Das ist im Grunde schon eine anschauliche generelle Erklärung für dein Problem. Aber vielleicht sollst du das noch spezieller beantworten.

Gut, dann weiter. Um das tun zu können, musst du dir klarmachen, dass wir herausfinden müssten, wie viel weniger Atome von zum Beispiel Cäsium in einen Kubikzentimter Platz finden gegenüber Lithium. Am einfachsten ermitteltst du das über die Dichte in Verbindung mit der Molekularmasse der jeweiligen Alkalimetallatome. Dabei musst du beachten, dass Lithiumatome nicht nur viel kleiner, sondern auch viel leichter als Cäsiumatome sind. Das heißt, dass trotz der viel größeren Anzahl trotzdem nur ein relativ kleines Gewicht herauskommen könnte. Wenn du in entsprechenden Nachschlagewerken nachschaust, dann wirst du feststellen, dass 1 cm3 Lithium gerade einmal 0,534 g wiegt (oder anders gesagt: die Dichte von Lithium beträgt 0,534 g/cm3). 1 cm3 Cäsium hat dagegen die Masse von 132,905 g, also deutlich mehr (obwohl weniger Atome enthalten sind). Wie ermittelt man nun die Anzahl der jeweiligen Atome? Nun, dazu brauchst du die Molekularmasse der Metalle. Wenn du nicht genau weißt, was das ist, so vollziehe folgende Überlegung nach. Ein Atom eines beliebigen Stoffes hat irgendeine Masse. Klar ist dann, dass zwei Atome dieses Stoffes die doppelte Masse haben, nicht wahr? Und zehn Atome haben die zehnfache Masse und 1000 die 1000-fache usw. Nun ist die Masse von Atomen sehr, sehr klein. Aber wenn man genügend viele zusammenbringt, dann erreicht man irgendwann eine Größenordnung, die wir Menschen messen können (z.B. Gramm...). Die Molekularmasse M gibt nun an, wie viel Gramm eine Stoffmenge wiegt, wenn man genau ein Mol davon hat. Ein Mol ist dabei nichts anderes als 6,023•10^23 Teilchen.

Okay, wir habens fast geschafft: Ein Mol Lithiumatome wiegt nun genau 6,941 g. Oder anders gesagt: Die Molekularmasse M von Lithium beträgt 6,941 g/mol (diese Angabe findest du beispielsweise in Periodensystemen der Element). Mit Hilfe der Dichte und der Angabe in deiner Aufgabe, dass du 1 cm3 des Metall einsetzt, ergibt sich dann, dass der Kubikzentimeter Lithium die Masse m von 0,534 g hat. Mit dem Ansatz über stöchiometrisches Rechnen in der Chemie

Die Stoffmenge n = Masse m / Molekularmasse M

ergibt das wiederum, dass du herausbekommen kannst, wie groß deine Stoffmenge ist, wenn du die Masse deiner Portion durch deren Molekularmasse teilst. Hier also:

n = 0,534 g : 6,941 g/mol

= 0,077 mol

Die Anzahl von Atomen, die in dieser Stoffmenge enthalten ist, bekommst du heraus, wenn du die Stoffmenge mit der Zahl 6,023•10^23 mol^-1 multiplizierst. Das sind hier also etwa 4,64•10^22 oder rund 46.000.000.000.000.000.000.000 Lithiumatome, ein ganz schöner Batzen.

Wenn du die analoge Rechnung für Cäsium durchführst, ergibt sich

n = 1,93 g : 132,905 g/mol

= 0,015 mol

0,015 mol • 6,023•10^23 mol-1 = 9,0345•10^21

also rund 9.000.000.000.000.000.000.000 Cäsiumatome und damit satte 37.000.000.000.000.000.000.000 weniger als bei Lithium.

Entsprechend könntest du nun auch die Anzahl von Natriumatomen bestimmen (Dichte: 0,968 g/cm3; M: 22,99 g/mol), von Kaliumatomen (Dichte: 0,89 g/cm3; M: 39,098 g/mol) und Rubidium (Dichte: 1,532 g/cm3; M: 85,468 g/mol). Aber das überlasse ich jetzt mal dir... Ich hoffe, du hast meinem Erklärungsversuch folgen können und er hat dir geholfen. Wenn du noch Fragen hast, stelle sie oder warte auf eine Antwort, die du besser verstehen kannst.

LG von der Waterkant.

Lithium ist am reaktivsten, Caesium am wenigsten reaktiv. Die Begründung liegt an der Elektronenkonfiguration / Schalen. Bei Caesium ist das für die Reaktion freie Elektron auf der P-Schale, die anderen Schalen haben den "Oktettzustand". Bei Lithium auf der L-Schale. Also ist der Abstand des Atomkerns bei Lithium geringer als bei Caesium und es "zieht" stärker ein positives Teilchen an. . Wasserstoff entsteht, da sich Lithium / Alkalimetalle sich von der Luftfeuchtigkeit/Wasser den Sauerstoff mit nur einem Wasserstoff klauen (OH) und somit eine LiOH-Lauge .

Warum ein Wasserstoff vom Wasser weichen muss: Wasserstoff hat nur 1Proton im Kern, Lithium 3Stück. Also holt es sich ein HOH (Wasser), ein Wasserstoff muss gehen und es entsteht LiOH. Das nun freie H geht mit einem anderen H zusammen und es entsteht Wasserstoff.

Caesium hätte zwar noch mehr Protonen im Kern, doch durch die vielen Schalen, die gefüllt sind, ist die Distanz zum Kern zu groß. . . Schau dir das Bor'sche Atommodell an, dann verstehst du es besser...

Mit Dichte hat das nichts zu tun, ist nur so, damit ein objektiver Vergleich zwischen den Metallen möglich ist. Wenn der Kaliumwürfel größer wäre, würde logischerweise auch mehr H entstehen. Als Würfel deshalb, damit die Oberfläche gleich groß ist...

Sicher? Also ich bin erst in der 9. und habe keine Ahnung von diesem Protonenzeugs. Gibt es nicht noch ne einfachere Lösung?

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@Olympia2

OK, einfacher und für die 9. KLasse: Mit Dichte hat das nichts zu tun. Wichtig ist, um verschiedenes vergleichen zu können, dass alle Stoffe gleich groß sind und die gleiche Form haben. Was hier gezeigt wird, dass Alkalimetalle mit der Luftfeuchtigkeit reagieren. Am stärksten das Lithium, am schwächsten das Caesium. Deshalb werden Alkalimetalle auch unter Paraffinöl aufbewahrt, damit sie nicht von alleine und ungewollt reagieren können.

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