Métaux alcalins : faits sur les éléments de la première colonne du tableau périodique

Il y a des métaux alcalins tout autour de vous en ce moment. Le sodium se trouve dans le sel de table, le lithium dans la batterie de votre téléphone et le potassium dans vos bananes. Les métaux alcalins constituent six éléments différents trouvés dans la première colonne du tableau périodique . Ceux-ci sont:

Ils font partie du bloc S d'éléments du tableau périodique , qui, avec l'hydrogène, l'hélium, le calcium et d'autres, ont leur électron le plus externe dans une orbitale S. Les métaux alcalins sont des métaux mous très réactifs avec l'eau et l'oxygène. Ils sont si doux que vous pouvez les couper avec un couteau en plastique. Ils ont également un éclat argenté et sont d'excellents conducteurs de chaleur et de lumière.

Les métaux alcalins sont appelés ainsi car lorsqu'ils réagissent avec l'eau, ils créent des substances hautement alcalines. L'alcalinité fait référence au pH de la substance ou à sa capacité à neutraliser l'acide. Les substances très alcalines peuvent former des bases fortes capables de neutraliser les acides et de maintenir un pH stable.

Chaque élément a un noyau, composé de protons et de neutrons, et les métaux alcalins ne sont pas différents. Autour du noyau des atomes se trouvent des électrons, qui sont des particules avec une charge négative. Ces électrons existent dans des couches d'énergie autour du noyau des atomes, chacune pouvant contenir un nombre variable d'électrons. La première couche peut contenir jusqu'à deux électrons, la seconde jusqu'à huit, la troisième, 18 et la quatrième, 32. Ce sont ces couches d'électrons et la structure des métaux alcalins qui les rendent si réactifs.

Tous les atomes veulent naturellement avoir une couche externe d'électrons complètement pleine. Cependant, les éléments de cette première colonne du tableau périodique ont tous un électron dans leur enveloppe la plus externe. Cette couche la plus externe est également appelée couche de valence, et les électrons qui y résident sont appelés électrons de valence.

Le fait de n'avoir qu'un seul électron dans la couche la plus externe permet aux atomes de métaux alcalins d'atteindre très facilement des points de stabilité - ils n'ont qu'à perdre un électron ! Cette volonté et cette facilité de perdre un électron pour atteindre un état d'équilibre est connue sous le nom de réactivité élevée. En fait, la réactivité en chimie est définie par le nombre d'électrons dans la couche la plus externe. Les gaz nobles (des éléments comme le néon et l'hélium) sont très peu réactifs car leurs couches d'électrons les plus externes sont pleines.

"Comme les métaux alcalins n'ont qu'un électron de valence, ils atteignent généralement cet état en abandonnant cet électron. Dans ce processus, on dit que le métal alcalin est oxydé, et tout ce qui prend l'électron du métal alcalin est réduit. Tous les les métaux alcalins aiment abandonner leur électron de valence unique », explique le Dr Chip Nataro , professeur de chimie au Lafayette College d'Easton, en Pennsylvanie. "Comme les électrons ont une charge de -1, la perte d'un électron fait que l'atome a une charge de +1. Lorsque cela se produit, l'atome est appelé ion et puisqu'il aurait une charge positive, il est appelé cation Ainsi, tous les métaux alcalins aiment faire des cations qui ont une charge de +1."

Étant donné que les métaux alcalins sont si réactifs, ils se trouvent généralement en conjonction avec d'autres métaux dans la nature.

Si un élément est très réactif, il est plus difficile à trouver naturellement.

"Tous ces éléments ont d'abord été découverts dans des composés [et] certaines découvertes sont difficiles à attribuer en raison de l'abondance et de l'utilisation des composés", explique Nataro. "Au fur et à mesure que vous descendez le tableau périodique, les métaux alcalins deviennent plus enclins à perdre leur électron de valence" et ainsi, "la quantité de l'élément trouvé dans la nature diminue également, [entraînant] des dates de découverte ultérieures".

Quand les métaux alcalins ont-ils été découverts ?

Le lithium a été découvert pour la première fois en 1817 lorsque Johan August Arfwedson , un chimiste suédois, analysait le minerai. Le césium et le rubidium ont été découverts en 1860 et 1861, respectivement, par les chimistes allemands Robert Bunsen (qui a prêté son nom au bec Bunsen) et Gustav Kirchhoff (qui a conçu les lois de Kirchhoff pour le courant électrique). Le francium, le plus réactif des métaux alcalins que nous connaissons actuellement, a été découvert en 1939 par la scientifique française Marguerite Perey à l'Institut Curie de Paris.

Le sodium et le potassium, deux métaux alcalins très courants, ont des dates de découverte inconnues, ils sont utilisés depuis si longtemps. Mais ils n'ont été isolés à l'état pur qu'en 1807 (par le célèbre chimiste Humphrey Davy). Le rubidium n'a été isolé qu'en 1928, également par Bunsen et Kirchhoff.

L'une des caractéristiques les plus courantes des métaux alcalins est leur réactivité à l'eau et à l'air . Ces éléments vont danser, grésiller en raison de la production d'hydrogène gazeux et exploser souvent. Ils deviennent plus réactifs au fur et à mesure que vous descendez dans le tableau périodique, le césium et le francium étant si réactifs qu'ils peuvent s'enflammer simplement en étant exposés à l'air. Les éléments augmentent également le rayon atomique, diminuent l'électronégativité et diminuent les points de fusion et d'ébullition à mesure que vous descendez dans le tableau périodique.

Vous pourriez vous demander comment les métaux alcalins ont été découverts dans la nature s'ils réagissent si violemment à l'air et à l'eau. Eh bien, il s'avère que la plupart des métaux alcalins se trouvent dans la nature sous forme d'ions en raison de leur grand désir de réagir et de perdre cet électron de valence. Sous leur forme ionique, les métaux sont beaucoup moins réactifs.

Les métaux alcalins dans la vie quotidienne

Les métaux alcalins ont une dualité chimique intéressante, car ils sont très courants dans la vie de tous les jours mais aussi très rares sous leurs formes élémentaires brutes.

Par exemple, le sodium n'existe pas dans la nature et doit être préparé à partir de composés. Le sodium et le potassium sont des éléments essentiels à la vie quotidienne, le sodium aidant à réguler la pression artérielle et à déplacer les électrolytes dans les cellules. Le sodium se combine également avec d'autres composés pour fabriquer du sel de table et du bicarbonate de soude. Le potassium aide à réguler la pression artérielle et le glucose et se trouve dans les engrais. Le lithium, comme mentionné précédemment, est utilisé dans la production de batteries et est également un médicament qui stabilise l'humeur.

Les éléments les plus réactifs, le césium, le rubidium et le francium, ont moins d'utilisations naturelles. Le césium est utilisé dans les horloges atomiques , le perçage et la création de verre optique, entre autres applications hautement spécialisées. Le rubidium est utilisé dans l'imagerie médicale et les tubes à vide. Le francium, qui est très rare, n'a pas beaucoup d'applications commerciales mais est utilisé dans la recherche et pour diagnostiquer certaines formes de cancer.

Enfin, tous les métaux alcalins sont également des outils pédagogiques incroyablement utiles dans le domaine de la chimie. Les enseignants adorent démontrer le principe de réactivité en laissant tomber un métal alcalin dans l'eau uniquement pour que la classe puisse le regarder avec émerveillement alors qu'il crache du feu et explose.

Maintenant c'est radioactif !

Le francium est le plus rare des métaux alcalins et le deuxième élément le plus rare de la croûte terrestre (on estime que seulement 340-550 grammes ou environ 1 livre se trouvent dans la croûte terrestre). Il se trouve également qu'il est hautement radioactif et a une durée de vie maximale de seulement 22 minutes. Le francium n'a jamais été jeté dans l'eau, car il est si rare et si cher, mais les scientifiques s'attendent à ce qu'il ait la réaction la plus élevée de tous les métaux alcalins.