8.6: Metale alkaliczne

Elementy grupy 1 to miękkie i błyszczące metaliczne ciała stałe. Są kowalne, plastyczne i dobrze przewodzą ciepło i prąd. Temperatury topnienia metali alkalicznych są niezwykle niskie w przypadku metali i zmniejszają się w dół grupy, podczas gdy ich gęstość wzrasta w dół grupy. Wyjątkiem jest potas (Tabela 1).

Tabela 1: Właściwości metali alkalicznych

Poruszając się w dół grupy, główna liczba kwantowa n zwiększa się o jeden dla każdego elementu. W ten sposób zewnętrzne elektrony oddalają się od jądra, a promień atomowy wzrasta od litu do cezu.

Konfiguracja elektronowa tych pierwiastków pokazuje, że powłoka walencyjna ma tylko jeden elektron (tabela 1). Utrata tego elektronu powoduje powstanie kationu o konfiguracji gazu szlachetnego. Zatem metale alkaliczne mają dużą tendencję do oddawania tego elektronu i mają niskie energie pierwszej jonizacji, malejące w całej grupie. Ich zdolność do łatwej utraty elektronu czyni je wysoce reaktywnymi i doskonałymi środkami redukującymi.

Metale alkaliczne reagują energicznie z niemetalami, takimi jak halogeny. Reakcja sodu i chloru, w wyniku której powstaje chlorek sodu, jest egzotermiczna. Metale alkaliczne reagują również gwałtownie z wodą, w wyniku czego wytwarza się gazowy wodór i wodorotlenek metalu alkalicznego. Ciepło wytworzone podczas reakcji może spowodować zapalenie uwolnionego wodoru, co może spowodować eksplozję. Obie te reakcje stają się bardziej egzotermiczne dla cięższych metali alkalicznych ze względu na ich niższą energię jonizacji.

Wystawienie na działanie powietrza, ponieważ reagują one z tlenem, tworząc tlenki, zmniejsza metaliczny połysk metali alkalicznych. Lit reaguje z tlenem, tworząc tlenek litu, podczas gdy inne metale alkaliczne, takie jak sód, tworzą tlenki i nadtlenki. Jon nadtlenkowy ma pojedyncze wiązanie kowalencyjne tlen-tlen i jest silnym akceptorem jonów wodorowych. Dzięki temu nadtlenki metali alkalicznych są mocnymi zasadami. Metale alkaliczne, takie jak potas, rubid i cez, również wytwarzają ponadtlenki. Ponadtlenki charakteryzują się obecnością O2−. Nadtlenek potasu jest żółtą substancją stałą, która rozkłada się w temperaturze 560 °C.

Metale alkaliczne to pierwiastki grupy 1, w tym lit, sód, potas, rubid, cez i frank. Frank jest radioaktywny i nie ma stabilnych izotopów.

Wszystkie metale alkaliczne są niezwykle miękkie i mają wspólne właściwości metaliczne, takie jak wysoka przewodność elektryczna i cieplna. Przesuwając się w dół grupy, masa, gęstość i promienie atomowe rosną, podczas gdy temperatury topnienia i energie jonizacji maleją.

Konfiguracja elektronowa tych pierwiastków implikuje, że powłoka walencyjna ma tylko jeden elektron.

Ich niskie energie jonizacji wskazują, że metale alkaliczne łatwo tracą elektrony, stając się kationami o konfiguracji gazu szlachetnego. Wyjaśnia to również, dlaczego metale alkaliczne są doskonałymi środkami redukującymi, przy czym lit jest najmniej reaktywny, a cez najbardziej.

Metale alkaliczne reagują energicznie z niemetalami, takimi jak halogeny, tworząc sole. Reakcja metalicznego sodu z chlorem gazowym jest wysoce egzotermiczna i uwalnia iskry i ciepło. Intensywność reakcji wzrasta w dół grupy wraz ze spadkiem energii jonizacji metali alkalicznych.

Metale alkaliczne reagują gwałtownie z wodą, tworząc gazowy wodór i roztwór wodorotlenku metali alkalicznych, takiego jak wodorotlenek potasu, który jest zasadą często stosowaną w produkcji mydła.

Reakcja staje się bardziej gwałtowna w przypadku cięższych metali alkalicznych ze względu na ich niższe energie jonizacji. Ciepło wytwarzane podczas reakcji może nawet zapalić uwolniony wodór, prowadząc do pożaru lub wybuchu. 

Metale alkaliczne mogą również reagować z wodorem, tworząc wodorki metali alkalicznych, często używane jako mocne zasady. W tej reakcji atom wodoru zyskuje elektron i jest obecny jako jon wodorkowy. 

Ze względu na wysoką reaktywność metale alkaliczne łatwo utleniają się pod wpływem powietrza i dlatego są magazynowane w olejach mineralnych. 

Kiedy sole metali alkalicznych są umieszczane w płomieniu i redukowane do gazowych atomów metalu, wydzielają charakterystyczne kolory.  

Ciepło wzbudza elektron walencyjny do wyższego poziomu energetycznego. Kiedy wzbudzone elektrony wracają do stanu podstawowego, energia jest emitowana w postaci promieniowania w obszarze widzialnym. Widmo emisyjne każdego pierwiastka jest unikalne i służy do jakościowej identyfikacji pierwiastka.