Metale alkaliczne: fakty dotyczące pierwiastków w pierwszej kolumnie układu okresowego

Wokół ciebie są teraz metale alkaliczne. Sód znajduje się w soli kuchennej, lit w baterii telefonu, a potas w bananach. Metale alkaliczne tworzą sześć różnych pierwiastków znajdujących się w pierwszej kolumnie układu okresowego pierwiastków . To są:

Są częścią bloku S pierwiastków w układzie okresowym , które wraz z wodorem, helem, wapniem i innymi mają swój najbardziej zewnętrzny elektron na orbicie S. Metale alkaliczne są metalami miękkimi, które są wysoce reaktywne z wodą i tlenem. Są tak miękkie, że można je przeciąć plastikowym nożem. Mają również srebrzysty połysk i są świetnymi przewodnikami ciepła i światła.

Metale alkaliczne są tak zwane, ponieważ reagując z wodą tworzą silnie alkaliczne substancje. Zasadowość odnosi się do pH substancji lub zdolności do neutralizacji kwasu. Substancje silnie zasadowe mogą tworzyć silne zasady, które neutralizują kwasy i utrzymują stabilny poziom pH.

Każdy pierwiastek ma jądro złożone z protonów i neutronów, a metale alkaliczne nie różnią się od siebie. Wokół jądra atomów znajdują się elektrony, które są cząsteczkami o ładunku ujemnym. Elektrony te istnieją w powłokach energetycznych wokół jądra atomów, z których każdy może zawierać inną liczbę elektronów. Pierwsza powłoka może pomieścić do dwóch elektronów, drugi do ośmiu, trzeci, 18 i czwartą 32. To te muszle elektronów i metali alkalicznych, jak są skonstruowane, które czynią je tak reaktywne.

Wszystkie atomy naturalnie chcą mieć całkowicie zewnętrzną powłokę elektronową. Jednak wszystkie pierwiastki w tej pierwszej kolumnie układu okresowego mają jeden elektron w swojej najbardziej zewnętrznej powłoce. Ta najbardziej zewnętrzna powłoka jest również nazywana powłoką walencyjną, a znajdujące się w niej elektrony nazywane są elektronami walencyjnymi.

Posiadanie tylko jednego elektronu w zewnętrznej powłoce bardzo ułatwia atomom metali alkalicznych osiągnięcie punktów stabilności – wystarczy, że zgubią jeden elektron! Ta gotowość i łatwość utraty elektronu do osiągnięcia stanu równowagi jest znana jako wysoka reaktywność. W rzeczywistości reaktywność w chemii jest określona przez liczbę elektronów w zewnętrznej powłoce. Gazy szlachetne (pierwiastki takie jak neon i hel) są bardzo niereaktywne, ponieważ ich najbardziej zewnętrzne powłoki elektronowe są pełne.

„Ponieważ metale alkaliczne mają tylko jeden elektron walencyjny, zazwyczaj osiągają ten stan poprzez oddanie tego elektronu. W tym procesie mówi się, że metal alkaliczny jest utleniany, a wszystko, co odbiera elektron z metalu alkalicznego, jest zredukowane. metale alkaliczne lubią rezygnować z pojedynczego elektronu walencyjnego” – mówi dr Chip Nataro , profesor chemii w Lafayette College w Easton w Pensylwanii. „Ponieważ elektrony mają ładunek -1, utrata elektronu powoduje, że atom ma ładunek +1. Kiedy tak się dzieje, atom jest określany jako jon, a ponieważ miałby ładunek dodatni, nazywa się go kationem Tak więc wszystkie metale alkaliczne lubią tworzyć kationy o ładunku +1”.

Ponieważ metale alkaliczne są tak reaktywne, zwykle występują w połączeniu z innymi metalami w przyrodzie.

Jeśli pierwiastek jest wysoce reaktywny, trudniej go znaleźć naturalnie.

„Wszystkie te pierwiastki zostały po raz pierwszy odkryte w związkach [i] niektóre z odkryć są trudne do przypisania ze względu na obfitość i zastosowanie związków” – mówi Nataro. „Idąc w dół układu okresowego, metale alkaliczne stają się bardziej skłonne do utraty elektronu walencyjnego”, a zatem „ilość pierwiastka występującego w przyrodzie również spada, [co skutkuje] późniejszymi datami odkrycia”.

Kiedy odkryto metale alkaliczne?

Lit odkryto po raz pierwszy w 1817 roku, kiedy Johan August Arfwedson , szwedzki chemik, analizował rudę mineralną. Cez i rubid zostały odkryte odpowiednio w 1860 i 1861 roku przez niemieckich chemików Roberta Bunsena (który użyczył swojej nazwy palnikowi Bunsena) i Gustava Kirchhoffa (który opracował prawa Kirchhoffa dla prądu elektrycznego). Franc, najbardziej reaktywny spośród znanych nam obecnie metali alkalicznych, został odkryty w 1939 roku przez francuską naukowiec Marguerite Perey w Instytucie Curie w Paryżu.

Sód i potas, dwa bardzo popularne metale alkaliczne, mają nieznane daty odkrycia, były używane od tak dawna. Ale w czystej postaci zostały wyizolowane dopiero w 1807 roku (przez słynnego chemika Humphreya Davy'ego). Rubidium zostało wyizolowane dopiero w 1928 roku, także przez Bunsena i Kirchhoffa.

Jedną z najczęstszych cech metali alkalicznych jest ich reaktywność na wodę i powietrze . Te pierwiastki będą tańczyć wokół, skwiercząc z powodu wytwarzania gazowego wodoru i często eksplodują. Stają się bardziej reaktywne im niżej w układzie okresowym, a cez i fran są tak reaktywne, że mogą stanąć w płomieniach po prostu przez wystawienie na działanie powietrza. Pierwiastki zwiększają również promień atomowy, zmniejszają elektroujemność oraz zmniejszają się temperatury topnienia i wrzenia w miarę przesuwania się w dół układu okresowego pierwiastków.

Możesz się zastanawiać, w jaki sposób metale alkaliczne zostały kiedykolwiek odkryte w przyrodzie, skoro reagują tak gwałtownie z powietrzem i wodą. Jak się okazuje, większość metali alkalicznych występuje w naturze w postaci jonów, ze względu na ich silne pragnienie reakcji i utraty tego jednego elektronu walencyjnego. W swojej formie jonowej metale są znacznie mniej reaktywne.

Metale alkaliczne w życiu codziennym

Metale alkaliczne mają interesującą dwoistość chemiczną, ponieważ są bardzo powszechne w życiu codziennym, ale również bardzo rzadko występują w postaci surowych pierwiastków.

Na przykład sód nie występuje w naturze i musi być wytwarzany ze związków. Sód i potas są niezbędnymi elementami codziennego życia, a sód pomaga regulować ciśnienie krwi i przenosić elektrolity w komórkach. Sód łączy się również z innymi związkami, tworząc sól kuchenną i sodę oczyszczoną. Potas pomaga regulować ciśnienie krwi i glukozę i znajduje się w nawozach. Lit, jak wspomniano wcześniej, jest używany do produkcji baterii, a także jest lekiem stabilizującym nastrój.

Bardziej reaktywne pierwiastki, cez, rubid i frans, mają mniej naturalnych zastosowań. Cez jest używany w zegarach atomowych , wierceniu i tworzeniu szkła optycznego wśród innych wysoce specjalistycznych zastosowań. Rubid jest stosowany w obrazowaniu medycznym i lampach próżniowych. Bardzo rzadki frans nie ma wielu zastosowań komercyjnych, ale jest używany w badaniach i diagnozowaniu niektórych form raka.

Wreszcie, wszystkie metale alkaliczne są również niezwykle przydatnymi narzędziami dydaktycznymi w dziedzinie chemii. Nauczyciele uwielbiają demonstrować zasadę reaktywności, upuszczając metal alkaliczny do wody tylko po to, aby klasa mogła z podziwem obserwować, jak pluje ogniem i eksploduje.

Teraz to radioaktywne!

Frank jest najrzadszym z metali alkalicznych i drugim najrzadszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej ( szacuje się, że w skorupie ziemskiej znajduje się tylko 340-550 gramów lub około 1 funta). Zdarza się również, że jest wysoce radioaktywny i ma maksymalny czas życia tylko 22 minuty. Frank nigdy nie został upuszczony do wody, ponieważ jest tak rzadki i tak drogi, ale naukowcy spodziewają się, że będzie miał najsilniejszą reakcję ze wszystkich metali alkalicznych.