Bildungsreaktionen alkalischer Lösungen einfach erklärt

Die Bildungsreaktionen alkalischer Lösungen gehören zu den spannendsten Experimenten in der Chemie. Wenn du eine Kupfermünze in ein Glas Wasser wirfst, passiert absolut gar nichts. Die Münze sinkt zu Boden und bleibt dort liegen. Aber wusstest du, dass es Metalle gibt, die im Wasser sofort anfangen zu zischen, wild umherzuflitzen und sich sogar selbst entzünden können?

In dieser Lektion werden wir das Geheimnis dieser extrem reaktionsfreudigen Metalle lüften. Du wirst lernen, welche unsichtbaren Stoffe bei diesem Spektakel entstehen und wie Chemiker diese spannenden Vorgänge in einer Reaktionsgleichung aufschreiben.

Vorwissen

• Ionen: Das sind elektrisch geladene Teilchen (Atome oder Moleküle).

  Beispiel: Kochsalz besteht aus positiv geladenen Natriumionen ($\text{Na}^+$) und negativ geladenen Chloridionen ($\text{Cl}^-$).

• Alkalimetalle (1. Hauptgruppe): Sehr reaktionsfreudige Metalle wie Natrium ($\text{Na}$) und Kalium ($\text{K}$).

  Beispiel: Sie müssen unter Öl aufbewahrt werden, weil sie sonst sogar mit der Luftfeuchtigkeit reagieren.

• Aggregatzustände in Gleichungen: Kleine Buchstaben in Klammern zeigen an, in welchem Zustand ein Stoff ist.

  Beispiel: (s) für fest (solid), (l) für flüssig (liquid), (g) für gasförmig (gas) und (aq) für in Wasser gelöst (aqueous).

Aufgabentyp 1: Reaktionsgleichungen für Metalle in Wasser aufstellen

Um die Bildungsreaktionen alkalischer Lösungen zu verstehen, betrachten wir zunächst die Alkalimetalle. Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium sind so reaktiv, dass sie Wasser sofort angreifen. Wenn man ein kleines Stück Natrium in Wasser gibt, schwimmt es oben, schmilzt zu einer kleinen Kugel und zischt wild umher. Dabei passiert eine chemische Reaktion.

Das Natrium reagiert mit dem Wasser und spaltet es auf. Dabei entsteht ein brennbares Gas: Wasserstoff ($\text{H}_2$). Gleichzeitig bildet sich im Wasser eine sogenannte alkalische Lösung (auch Lauge genannt). Diese Lösung enthält nun frei bewegliche Natriumionen ($\text{Na}^+$) und Hydroxidionen ($\textcolor{#53E5D6}{\text{OH}^-}$).

Die Reaktionsgleichung für dieses Spektakel sieht so aus:

$2 \text{ Na(s)} + 2 \text{ H}_2\text{O(l)} \to 2 \text{ Na}^+\text{(aq)} + 2 \textcolor{#53E5D6}{\text{ OH}^-}\text{(aq)} + \text{ H}_2\text{(g)}$

Der Unterschied zum einfachen Auflösen:

Man kann eine Natriumhydroxidlösung (Natronlauge) auch viel ungefährlicher herstellen. Natriumhydroxid ($\text{NaOH}$) gibt es nämlich auch als weißes, festes Salz. Wenn man dieses Salz einfach in Wasser rührt, findet keine Explosion und keine Gasentwicklung statt. Das feste Salz zerfällt im Wasser lediglich in seine Ionen:

$\text{NaOH(s)} \to \text{Na}^+\text{(aq)} + \textcolor{#53E5D6}{\text{OH}^-}\text{(aq)}$

Natrium tanzt auf dem Wasser (Experiment)

Zweck: Beobachtung der heftigen Reaktion eines Alkalimetalls mit Wasser.

Materialien: Große Glasschale, Wasser, ein erbsengroßes Stück Natrium, Pinzette, Messer, Filterpapier, Plexiglasschutzscheibe.

⚠️ Sicherheitshinweis: Dieser Versuch darf nur von der Lehrkraft durchgeführt werden! Natrium ist stark ätzend und entzündet sich leicht. Die entstehende Natronlauge ist ätzend. Schutzbrille und Schutzscheibe sind zwingend erforderlich.

Durchführung:

1. Die Glasschale wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt und hinter die Schutzscheibe gestellt.

2. Das erbsengroße Stück Natrium wird mit Filterpapier vom Aufbewahrungsöl abgetupft.

3. Das Natrium wird mit der Pinzette vorsichtig auf die Wasseroberfläche gelegt.

Beobachtung: Das Natriumstück geht nicht unter. Es schmilzt sofort zu einer silbernen Kugel, zischt laut und flitzt schnell über die Wasseroberfläche. Es entsteht ein Gas. Manchmal entzündet sich das Gas mit einer gelblichen Flamme. Am Ende ist das Natriumstück komplett verschwunden.

Erklärung: Das Natrium reagiert mit dem Wasser zu Wasserstoffgas (das Zischen) und Natronlauge. Die Reaktion erzeugt so viel Wärme, dass das Metall schmilzt und sich das Gas entzünden kann.

Reaktion von Calcium mit Wasser und Kalkwasser

Calcium gehört zur 2. Hauptgruppe, den sogenannten Erdalkalimetallen. Auch Calcium reagiert mit Wasser, aber es verhält sich dabei ganz anders als Natrium.

Wenn man ein Stück Calcium in Wasser gibt, schwimmt es nicht. Es hat eine höhere Dichte als Wasser und sinkt deshalb auf den Boden. Dort fängt es an, stetig zu sprudeln. Auch hier entsteht das Gas Wasserstoff ($\text{H}_2$).

Ein weiterer großer Unterschied ist das Aussehen des Wassers: Es wird milchig-weiß! Das liegt an dem neuen Stoff, der entsteht: Calciumhydroxid.

Da Calcium in der 2. Hauptgruppe steht, bildet es zweifach positiv geladene Ionen ($\text{Ca}^{2+}$). Um diese doppelte Ladung auszugleichen, braucht es genau zwei einfach negativ geladene Hydroxidionen ($\textcolor{#53E5D6}{\text{OH}^-}$). Die Formel lautet deshalb $\text{Ca(OH)}_2$.

Die Reaktionsgleichung lautet:

$\text{Ca} + 2 \text{ H}_2\text{O} \to \text{Ca(OH)}_2 + \text{ H}_2$

Was ist Kalkwasser?

Calciumhydroxid löst sich nur sehr schlecht in Wasser. Die weißen Flöckchen, die im Wasser schweben, nennt man eine Suspension. Wenn man diese trübe Flüssigkeit durch einen Filter gießt, bleiben die festen Flöckchen im Filterpapier hängen. Die klare Flüssigkeit, die unten herausläuft, nennt man Kalkwasser. Chemiker nutzen Kalkwasser als Standard-Nachweis für Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$). Pustet man $\text{CO}_2$ in Kalkwasser, wird es sofort wieder trübe.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schritt 1: Metall und Ionenladung bestimmen – Finde heraus, in welcher Hauptgruppe das Metall steht (1. oder 2. Hauptgruppe).
2. Schritt 2: Produkte aufschreiben – Es entsteht immer Wasserstoff ($\text{H}_2$) und ein Metallhydroxid ($\text{MOH}$ oder $\text{M(OH)}_2$).
3. Schritt 3: Gleichung ausgleichen – Setze Zahlen vor die Moleküle, damit auf beiden Seiten des Pfeils gleich viele Atome jeder Sorte stehen.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Alkalimetalle (wie Natrium) reagieren heftig mit Wasser. Sie schwimmen, zischen und bilden Wasserstoffgas sowie eine alkalische Lösung.

• Erdalkalimetalle (wie Calcium) sinken im Wasser. Sie reagieren zu Wasserstoffgas und einer trüben Suspension aus schwer löslichem Calciumhydroxid ($\text{Ca(OH)}_2$).

• Die klare, gefilterte Lösung von Calciumhydroxid heißt Kalkwasser und wird als Nachweis für Kohlenstoffdioxid verwendet.

• Alkalische Lösungen enthalten immer frei bewegliche Hydroxidionen ($\textcolor{#53E5D6}{\text{OH}^-}$).