Hauptgruppenelemente

Alkalioxide, Peroxide, Hyperoxide und Hydroxide

Welche Sauerstoffverbindungen die Alkalimetalle beim Verbrennen bilden, wie sich Oxid, Peroxid, Hyperoxid und Ozonid unterscheiden und wie basisch die Hydroxide sind.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Alkalimetalle bilden mit Sauerstoff Oxide, Peroxide (\(\ce{O2^2-}\)), Hyperoxide (\(\ce{O2^-}\)) und Ozonide (\(\ce{O3^-}\)).
  • An der Luft verbrennt Lithium zu \(\ce{Li2O}\), Natrium zu \(\ce{Na2O2}\) und Kalium zu \(\ce{KO2}\).
  • Das Metall hat in allen diesen Verbindungen die Oxidationszahl +1.
  • Hyperoxide sind in Wasser nicht stabil und setzen Disauerstoff frei.
  • Alkalihydroxide sind stärkere Basen als die Hydroxide der 13. Gruppe.

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Worum es geht

Alkalimetalle reagieren heftig mit Sauerstoff. Je nach Metall entstehen aber verschiedene Produkte mit verschiedenen Sauerstoffanionen. Wer diese Anionen unterscheiden kann, ordnet auch Oxidationszahlen und das Verhalten in Wasser richtig ein.

Verbrennung an der Luft

Verbrennt man Alkalimetalle an der Luft, bilden sie nicht alle dasselbe Produkt. Lithium liefert überwiegend das Oxid \(\ce{Li2O}\). Natrium bildet das Peroxid \(\ce{Na2O2}\). Kalium, Rubidium und Caesium verbrennen überwiegend zum Hyperoxid \(\ce{MO2}\). Nur Natrium geht also direkt zum Peroxid.

\[\ce{4 Li + O2 -> 2 Li2O}\]

\[\ce{2 Na + O2 -> Na2O2}\]

\[\ce{K + O2 -> KO2}\]

Der Grund liegt in der Gittergröße. Ein großes Anion wie \(\ce{O2^-}\) passt am besten zu einem großen Kation. Das kleine \(\ce{Li+}\) stabilisiert dagegen das kleine \(\ce{O^2-}\) am stärksten.

Schema der Alkalimetalle von Lithium bis Caesium mit zunehmend größeren Kationenkreisen und den Formeln ihrer Verbrennungsprodukte.

Je größer das Alkalimetall-Kation, desto sauerstoffreicher das Verbrennungsprodukt.

Peroxide, Hyperoxide, Ozonide

Die Produkte unterscheiden sich im Sauerstoffanion. Das Peroxid-Ion \(\ce{O2^2-}\) in \(\ce{Na2O2}\) enthält eine O–O-Einfachbindung. Das Hyperoxid-Anion \(\ce{O2^-}\) in \(\ce{KO2}\) trägt ein Elektron weniger. Seine Bindungsordnung liegt deshalb bei 1,5, und ein Elektron bleibt ungepaart.

📖 Definition: Hyperoxid

Salz mit dem Anion \(\ce{O2^-}\), auch Superoxid genannt. Das Anion ist ein Radikal und macht die Verbindung paramagnetisch.

Drei MO-Diagramme der π*-Orbitale nebeneinander: Disauerstoff mit zwei ungepaarten Elektronen, Hyperoxid mit einem ungepaarten Elektron, Peroxid mit vollständig gepaarten Elektronen.

Mit jedem zusätzlichen Elektron in den π*-Orbitalen sinkt die Bindungsordnung: \(\ce{O2}\) (2), \(\ce{O2^-}\) (1,5), \(\ce{O2^2-}\) (1).

Das Ozonid enthält das Anion \(\ce{O3^-}\). Kaliumozonid \(\ce{KO3}\) entsteht, wenn man Ozon über gepulvertes \(\ce{KOH}\) leitet. Die Namen hängen an der Formel: \(\ce{K2O2}\) ist Kaliumperoxid, \(\ce{KO2}\) Kaliumhyperoxid, \(\ce{KO3}\) Kaliumozonid.

Die Oxidationszahl des Alkalimetalls ist immer +1. Die Ladung des Anions bestimmt also das Verhältnis. In \(\ce{RbO2}\) trägt \(\ce{O2^-}\) die Ladung −1, jeder Sauerstoff hat −1/2. In \(\ce{Na2O2}\) hat jeder Sauerstoff −1.

Hyperoxide sind in Wasser nicht stabil. Sie reagieren unter Bildung von Disauerstoff, Natriumhyperoxid ebenso wie Kaliumhyperoxid:

\[\ce{2 KO2 + 2 H2O -> 2 KOH + H2O2 + O2 ^}\]

Basizität der Hydroxide

Alkalimetallhydroxide sind stärkere Basen als die Hydroxide der 13. Gruppe. Das einfach geladene, große Kation hält das Hydroxid-Ion nur ionisch fest. In Wasser liegt es daher vollständig frei vor. \(\ce{Al(OH)3}\) ist dagegen amphoter, denn das kleine, dreifach geladene \(\ce{Al^3+}\) bindet Sauerstoff stark kovalent.

Auch Alkalisalze schwacher Säuren reagieren basisch. In einer Natriumacetatlösung nimmt das Acetat ein Proton vom Wasser auf (Protolyse von Salzen):

\[\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\]

Festes \(\ce{NaOH}\) ist ein Ionengitter aus \(\ce{Na+}\) und \(\ce{OH-}\). Anders als Wasser zeigt es deshalb keine Autoprotolyse.

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Aussage 1

Natrium verbrennt an der Luft überwiegend zum Hyperoxid \(\ce{NaO2}\).

Natrium bildet an der Luft das Peroxid \(\ce{Na2O2}\). Hyperoxide entstehen bei Kalium, Rubidium und Caesium.

Aussage 2

In \(\ce{KO2}\) hat Kalium die Oxidationszahl +1, weil das Anion \(\ce{O2^-}\) einfach negativ geladen ist.

Alkalimetalle haben stets +1. Jeder Sauerstoff im Hyperoxid trägt dann −1/2.

Aussage 3

Eine wässrige Natriumacetatlösung reagiert neutral, weil Natriumacetat ein Salz ist.

Acetat nimmt als Base ein Proton vom Wasser auf, es entstehen \(\ce{OH-}\)-Ionen. Die Lösung reagiert basisch.

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