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Textaufgaben: Die Alkalimetalle

Vom Fund in der Chemiesammlung bis zum Kühlmittel im Kraftwerk — Alkalimetalle im Einsatz.

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Fund in der Chemiesammlung

AFB I–II

Beim Aufräumen der Chemiesammlung findet Frau Yıldız ein altes Glas mit Natrium. Das Paraffinöl ist fast vollständig verdunstet, die Natriumstücke sind von einer weißen Kruste überzogen. Sie schneidet ein Stück mit dem Messer durch: Innen glänzt das Metall silbrig.

  1. Beschreibe die Eigenschaften der frischen Schnittfläche und was an der Luft mit ihr passiert.
  2. Stelle die Reaktionsgleichung für die Bildung von Natriumoxid (Na₂O) aus Natrium und Sauerstoff auf.
  3. Erkläre, warum Natrium unter Paraffinöl und nicht etwa unter Wasser aufbewahrt wird.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Denke an Farbe, Glanz und Härte — und an die Reaktion mit der Luft.
Hinweis zu Aufgabe b)
Sauerstoff liegt als O₂ vor. Gleiche zuerst die O-Atome aus.
Hinweis zu Aufgabe c)
Was passiert, wenn Natrium mit Wasser in Kontakt kommt? Was macht Paraffinöl anders?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Schnittfläche ist silbrig und glänzt metallisch; Natrium ist so weich, dass es sich schneiden lässt. An der Luft wird die Fläche innerhalb von Sekunden matt und grau, später bildet sich eine weiße Kruste, weil Natrium mit Sauerstoff (und Wasserdampf) reagiert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(\mathrm{4\,Na + O_2 \rightarrow 2\,Na_2O}\). Kontrolle: links 4 Na und 2 O, rechts 4 Na und 2 O.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Mit Wasser würde Natrium heftig zu Natronlauge und brennbarem Wasserstoff reagieren. Paraffinöl enthält weder Wasser noch gelösten Sauerstoff in nennenswerter Menge und reagiert nicht mit Natrium; es schirmt das Metall von der Luft ab. Natrium ist dichter als das Öl und bleibt darunter.

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Natrium als Kühlmittel

AFB II–III

In einigen Forschungsreaktoren und Sonnenwärmekraftwerken wird flüssiges Natrium als Kühlmittel durch Rohre gepumpt. Es nimmt sehr gut Wärme auf und leitet sie weiter. Manche Anlagen nutzen auch eine Legierung aus Natrium und Kalium.

Flüssig zwischen Schmelz- und Siedetemperatur (bei 1013 hPa)
0 °C200 °C400 °C600 °C800 °C1000 °CWasserNatriumKalium
Natrium: Schmelztemperatur 98 °C, Siedetemperatur 883 °C · Kalium: 63 °C und 759 °C
  1. Ermittle aus der Abbildung, in welchem Temperaturbereich Natrium flüssig ist, und gib an, wie groß dieser Bereich im Vergleich zu Wasser ist.
  2. Vergleiche Natrium und Kalium als Kühlmittel anhand ihrer Schmelz- und Siedetemperaturen.
  3. Berechne das Volumen Wasserstoff (20 °C, Vm ≈ 24 L/mol), das entsteht, wenn bei einem Leck 46 g Natrium mit Wasser reagieren (M(Na) = 23 g/mol).
  4. Bewerte die Gefahr, die von einem Leck im Kühlkreislauf ausgeht, wenn in der Nähe Wasser oder Wasserdampf vorhanden ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Flüssig ist ein Stoff zwischen Schmelz- und Siedetemperatur. Bilde die Differenz.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welcher Stoff ist schon bei niedrigerer Temperatur flüssig, welcher bleibt es bis zu höheren Temperaturen?
Hinweis zu Aufgabe c)
Gleichung: 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂. Berechne erst n(Na).
Hinweis zu Aufgabe d)
Denke an die Produkte, an die frei werdende Wärme und daran, was Wasserstoff mit Luft bildet.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Natrium ist von 98 °C bis 883 °C flüssig, also über 785 K. Wasser ist nur von 0 °C bis 100 °C flüssig (100 K) — der flüssige Bereich von Natrium ist fast achtmal so groß.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Kalium wird schon bei 63 °C flüssig (Vorteil beim Anfahren der Anlage), siedet aber schon bei 759 °C. Natrium schmilzt erst bei 98 °C, bleibt dafür bis 883 °C flüssig und hält höhere Temperaturen aus. Eine Legierung kombiniert die niedrige Schmelztemperatur mit einem großen flüssigen Bereich.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(n(\mathrm{Na})=46\,\mathrm{g}:23\,\mathrm{g/mol}=2\,\mathrm{mol}\). Aus 2 mol Na entsteht 1 mol H₂: \(V=1\,\mathrm{mol}\cdot 24\,\mathrm{L/mol}=24\,\mathrm{L}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Gefahr ist hoch: Natrium reagiert mit Wasser stark exotherm; es entstehen ätzende Natronlauge und Wasserstoff, der mit Luft explosives Knallgas bildet und sich an heißem Natrium entzünden kann. Schon wenige Gramm liefern viele Liter Gas. Deshalb müssen solche Kreisläufe streng wasserfrei sein, oft unter Schutzgas betrieben und mit Leckmeldern überwacht werden. Wird das beachtet, ist Natrium ein sehr leistungsfähiges Kühlmittel — ein vertretbares Risiko nur mit diesen Sicherheitsmaßnahmen.