Alkalimetallit

Ryhmä  → yksi
↓  Jakso
2
3 Litium
Li6,94 ± 0,06 [1]
[Ei]2s 1
3
yksitoista Natrium
Na22,9898
[Ne]3s 1
neljä
19 kalium
K39,0983
[Ar]4s 1
5
37 Rubidium
Rb85,4678
[Kr]5s 1
6
55 Cesium
Cs132.9055
[Xe]6s 1
7
87 Ranska
Fr(223)
[Rn]7s 1

Alkalimetallit ovat kemiallisten alkuaineiden jaksollisen taulukon  1. ryhmän alkuaineita ( vanhentuneen luokituksen  mukaan ryhmän I pääalaryhmän alkuaineet) [2] : litium Li, natrium Na, kalium K, rubidium Rb, cesium Cs, francium Fr. Hypoteettinen 119. liitoselementti luokitellaan myös alkalimetalliksi, mikäli se löydetään, sen ulkoisen elektronikuoren rakenteen mukaan. Kun alkalimetalleja liuotetaan veteen , muodostuu liukoisia hydroksideja , joita kutsutaan alkaleiksi .

Alkalimetallien yleiset ominaisuudet

Periodisessa järjestelmässä ne seuraavat välittömästi inerttejä kaasuja , joten alkalimetalliatomien rakenteellinen piirre on , että ne sisältävät yhden elektronin ulkoisella energiatasolla: niiden elektronikonfiguraatio on ns 1 . On selvää, että alkalimetallien valenssielektronit voidaan helposti poistaa, koska atomille on energeettisesti edullista luovuttaa elektroni ja saada inerttikaasukonfiguraatio . Siksi kaikille alkalimetalleille on ominaista pelkistävät ominaisuudet . Tämän vahvistavat niiden ionisaatiopotentiaalien alhaiset arvot ( cesiumatomin ionisaatiopotentiaali on alhaisin) ja elektronegatiivisuus (EO). Seurauksena on, että useimmissa yhdisteissä alkalimetallit ovat läsnä yksinkertaisesti varautuneina kationeina . On kuitenkin myös yhdisteitä, joissa alkalimetalleja edustavat anionit (katso alkalidit ).

Jotkut alkalimetallien atomi- ja fysikaaliset ominaisuudet

atominumero
_
Nimi,
symboli
Luonnollisten isotooppien lukumäärä Atomimassa Ionisaatioenergia , kJ mol −1 Elektroniaffiniteetti , kJ mol −1 EO Δ H diss , kJ mol −1 Metalli. säde, nm Ionisäde (cn 6), nm t pl ,
°C
t paali ,
°C
Tiheys ,
g/cm³
ΔHpl , kJ mol −1 Δ H kip , kJ mol −1 Δ H arr , kJ mol −1
3 litium Li 2 6.941(2) 520.2 59.8 0,98 106.5 0,152 0,076 180,6 1342 0,534 2.93 148 162
yksitoista Natrium Na yksi 22.989768(6) 495,8 52.9 0,93 73.6 0,186 0,102 97.8 883 0,968 2.64 99 108
19 Kalium K 2+1 a 39.0983(1) 418,8 46,36 0,82 57.3 0,227 0,138 63.07 759 0,856 2.39 79 89.6
37 Rubidium Rb 1+1 a 85.4687(3) 403,0 46,88 0,82 45.6 0,248 0,152 39.5 688 1.532 2.20 76 82
55 Cesium Cs yksi 132.90543(5) 375,7 45.5 0,79 44,77 0,265 0,167 28.4 671 1.90 2.09 67 78.2
87 Francium Fr 2 a (223) 380 (44,0) 0.7 0,180 kaksikymmentä 690 1.87 2 65

a Radioaktiiviset isotoopit: 40 K, T 1/2 = 1,277 10 9 vuotta ; 87 Rb, T 1/2 = 4,75 10 10 vuotta ; 223 Fr, T 1/2 = 21,8 min ; 224 Fr, T 1/2 = 3,33 min .

Kaikki tämän alaryhmän metallit ovat hopeanvalkoisia (paitsi hopeankeltainen cesium ), ne ovat erittäin pehmeitä, ne voidaan leikata skalpellilla. Litium , natrium ja kalium ovat kevyempiä kuin vesi ja kelluvat sen pinnalla ja reagoivat sen kanssa.

Monet mineraalit sisältävät alkalimetalleja. Esimerkiksi ortoklaasi eli maasälpä koostuu kaliumalumosilikaatista K 2 [Al 2 Si 6 O 16 ], samankaltaisesta natriumalbiittia sisältävästä mineraalista, jonka  koostumus on Na 2 [Al 2 Si 6 O 16 ]. Merivesi sisältää natriumkloridia NaCl ja maaperä sisältää kaliumsuoloja - sylvin KCl, sylvinite NaCl KCl , karnalliitti KCl MgCl 2 6H 2 O , polyhaliitti K 2 SO 4 MgSO 4 CaSO 4 2H 2 O.

Alkalimetallien kemialliset ominaisuudet

Alkalimetallien korkean reaktiivisuuden vuoksi veden, hapen ja joskus jopa typen ( Li ) suhteen ne varastoidaan kerosiinikerroksen alle . Alkalimetallin kanssa tapahtuvan reaktion suorittamiseksi leikataan varovasti tarvittavan kokoinen pala skalpellilla kerosiinikerroksen alla, metallipinta puhdistetaan perusteellisesti sen vuorovaikutuksesta ilman kanssa argonilmakehässä ja vain sitten näyte laitetaan reaktioastiaan.

Vuorovaikutus veden kanssa

Alkalimetallien tärkeä ominaisuus on niiden korkea aktiivisuus veteen nähden. Litium reagoi rauhallisesti (ilman räjähdystä ) veden kanssa:

Kun suoritetaan samanlainen reaktio, natrium palaa keltaisella liekillä ja tapahtuu pieni räjähdys. Kalium on vielä aktiivisempi: tässä tapauksessa räjähdys on paljon voimakkaampi ja liekki on väriltään violetti.

Vuorovaikutus hapen kanssa

Alkalimetallien palamistuotteilla ilmassa on erilainen koostumus metallin aktiivisuudesta riippuen.

Natrium- ja kaliumoksidien saamiseksi hydroksidin, peroksidin tai superoksidin seoksia kuumennetaan ylimäärällä metallia ilman happea:

Alkalimetallien happiyhdisteille on ominaista seuraava säännöllisyys: alkalimetallikationin säteen kasvaessa peroksidi-ioni O sisältävien happiyhdisteiden stabiilisuus kasvaa.2-2
_
ja superoksidi-ioni O
2
.

Raskasalkalimetalleille on ominaista koostumuksen EO 3 melko stabiilien otsonidien muodostuminen . Kaikilla happiyhdisteillä on erilaisia ​​värejä, joiden intensiteetti kasvaa sarjassa Li : stä Cs :ään:


Happiyhdisteen kaava
Väri
Li2O _ _ Valkoinen
Na2O _ _ Valkoinen
K2O _ _ Kellertävä
Rb2O _ _ Keltainen
Cs2O _ _ Oranssi
Na2O2 _ _ _ vaalean
keltainen
KO 2 Oranssi
RbO2_ _ tummanruskea
_
CsO2_ _ Keltainen

Alkalimetallioksideilla on kaikki emäksisten oksidien ominaisuudet : ne reagoivat veden, happamien oksidien ja happojen kanssa :

Peroksidit ja superoksidit osoittavat vahvoja hapettimia :

Peroksidit ja superoksidit vuorovaikuttavat intensiivisesti veden kanssa muodostaen hydroksideja:

Vuorovaikutus muiden aineiden kanssa

Alkalimetallit reagoivat monien ei-metallien kanssa . Kuumennettaessa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen hydridejä , halogeenien , rikin , typen , fosforin , hiilen ja piin kanssa muodostaen vastaavasti halogenideja , sulfideja , nitridejä , fosfideja , karbideja ja silisidejä :

Kuumennettaessa alkalimetallit pystyvät reagoimaan muiden metallien kanssa muodostaen metallien välisiä yhdisteitä . Alkalimetallit reagoivat aktiivisesti (räjähdyksellä) happojen kanssa .

Alkalimetallit liukenevat nestemäiseen ammoniakkiin ja sen johdannaisiin - amiineihin ja amideihin :

Liuotettuaan nestemäiseen ammoniakkiin alkalimetalli menettää elektronin , jonka ammoniakkimolekyylit solvatoivat ja antaa liuokselle sinisen värin. Tuloksena olevat amidit hajoavat helposti vedessä muodostaen alkalia ja ammoniakkia:

Alkalimetallit ovat vuorovaikutuksessa orgaanisten aineiden, alkoholien (muodostaen alkoholaatteja ) ja karboksyylihappojen (muodostaen suoloja ) kanssa:

Alkalimetallien laadullinen määritys

Koska alkalimetallien ionisaatiopotentiaalit ovat pienet, kun metallia tai sen yhdisteitä kuumennetaan liekissä, atomi ionisoituu, mikä värjää liekin tietyllä värillä:

Liekkivärjäys alkalimetalleilla
ja niiden yhdisteillä

alkalimetalli liekin väri
Li karmiininpunainen
Na Keltainen
K Violetti
Rb ruskea punainen
Cs violetti punainen

Alkalimetallien saaminen

Halogenidisulaiden elektrolyysi

Alkalimetallien saamiseksi he käyttävät pääasiassa niiden halogenidien sulatteiden elektrolyysiä , useimmiten klorideja , jotka muodostavat luonnollisia mineraaleja :

katodi : anodi :

Hydroksidisulaiden elektrolyysi

Joskus alkalimetallien saamiseksi suoritetaan niiden hydroksidien sulatteiden elektrolyysi :

katodi: anodi:

Halogenideista talteenotto

Alkalimetalli voidaan pelkistää vastaavasta kloridista tai bromidista kalsiumilla , magnesiumilla , piillä ja muilla pelkistysaineilla, kun se kuumennetaan tyhjiössä 600-900 °C:seen:

Jotta reaktio etenisi oikeaan suuntaan, muodostunut vapaa alkalimetalli (M) on poistettava tislaamalla. Samoin pelkistys zirkoniumilla kromaatista on mahdollista . On tunnettu menetelmä natriumin saamiseksi pelkistämällä karbonaatista hiilellä 1000 °C:ssa kalkkikiven läsnä ollessa .

Koska alkalimetallit ovat vedyn vasemmalla puolella sähkökemiallisessa jännitesarjassa , on mahdotonta saada niitä elektrolyyttisesti suolan vesiliuoksista; tässä tapauksessa muodostuu vastaavat alkalit ja vety.

Alkalimetalliyhdisteet

Hydroksidit

Alkalimetallihydroksidien valmistukseen käytetään pääasiassa elektrolyyttisiä menetelmiä. Suurin mittakaava on natriumhydroksidin tuotanto väkevän suolan vesiliuoksen elektrolyysillä :

katodi : anodi :

Aikaisemmin alkali saatiin vaihtoreaktiolla:

Tällä tavalla saatu alkali oli voimakkaasti kontaminoitunut sooda Na2C03 : lla .

Alkalimetallihydroksidit ovat valkoisia hygroskooppisia aineita, joiden vesiliuokset ovat vahvoja emäksiä . Ne osallistuvat kaikkiin emäksille ominaisiin reaktioihin - ne reagoivat happojen, happojen ja amfoteeristen oksidien , amfoteeristen hydroksidien kanssa :

Alkalimetallihydroksidit sublimoituvat hajoamatta kuumennettaessa, lukuun ottamatta litiumhydroksidia , joka, kuten pääalaryhmän II metallien hydroksidit , hajoaa oksidiksi ja vedeksi kalsinoituessaan :

Natriumhydroksidia käytetään saippuoiden , synteettisten pesuaineiden , tekokuitujen, orgaanisten yhdisteiden, kuten fenolin , valmistukseen .

Suolat

Tärkeä alkalimetallia sisältävä tuote on sooda Na 2 CO 3 . Suurin osa soodasta kaikkialla maailmassa tuotetaan 1900-luvun alussa ehdotetulla Solvay-menetelmällä . Menetelmän olemus on seuraava: NaCl :n vesiliuos , johon on lisätty ammoniakkia, kyllästetään hiilidioksidilla lämpötilassa 26-30 °C. Tässä tapauksessa muodostuu huonosti liukenevaa natriumbikarbonaattia , jota kutsutaan ruokasoodaksi :

Ammoniakkia lisätään neutraloimaan hapan ympäristö, joka syntyy, kun hiilidioksidia johdetaan liuokseen, ja saada aikaan bikarbonaatti-ioni HCO 3 - välttämätön natriumbikarbonaatin saostamiseen. Ruokasoodan erotuksen jälkeen ammoniumkloridia sisältävä liuos kuumennetaan kalkilla ja vapautuu ammoniakkia, joka palautetaan reaktioalueelle:

Siten ammoniakkimenetelmällä soodan valmistuksessa ainoa jäte on kalsiumkloridi , joka jää liuokseen ja jolla on rajoitettu käyttö.

Kun natriumbikarbonaattia kalsinoidaan , kalsinoitua soodaa tai pesua saadaan natriumbikarbonaatin valmistusprosessissa käytettyä Na 2 CO 3 :a ja hiilidioksidia :

Pääasiallinen soodan kuluttaja  on lasiteollisuus.

Toisin kuin heikosti liukeneva happosuola NaHCO 3 , kaliumbikarbonaatti KHCO 3 liukenee hyvin veteen, joten kaliumkarbonaattia eli kaliumkarbonaattia K 2 CO 3 saadaan hiilidioksidin vaikutuksesta kaliumhydroksidiliuokseen :

Potaskaa käytetään lasin ja nestesaippuan valmistukseen.

Litium on ainoa alkalimetalli , josta ei ole saatu bikarbonaattia. Syynä tähän ilmiöön on litium -ionin hyvin pieni säde , joka ei salli sen säilyttää melko suurta HCO-ionia.
3
.

Turvallisuus

Kaikki alkalimetallit ovat erittäin aktiivisia vuorovaikutuksessa veden, hapen, halogeenien ja muiden yhdisteiden kanssa. Vuorovaikutukset veden kanssa ovat erityisen vaarallisia, koska reaktiotuotteet ovat syövyttäviä emäksiä ja tapahtuu valtava energian vapautuminen, johon liittyy tulinen salama (kaliumin tapauksessa) tai räjähdys (rubidiumin tai cesiumin tapauksessa). Siksi heidän kanssaan työskenneltäessä on noudatettava turvallisuussääntöjä. Työ tulee suorittaa yksinomaan lateksikäsineissä, on myös tarpeen käyttää suojalaseja. Kokeissa käytetään vain pieniä määriä, joita käsitellään pihdeillä; alkalimetallien (esimerkiksi natriumin tai kaliumin) reagoimattomien jäämien tapauksessa käytetään hävittämistä vedettömään alkoholiin. Rubidiumia ja cesiumia ei käytetä kokeissa niiden äärimmäisen korkean kemiallisen aktiivisuuden (räjähdysaine) vuoksi. Alkalimetallit varastoidaan kerosiinikerroksen alla hermeettisesti suljetuissa astioissa. Alkalimetalleja on mahdotonta sammuttaa vedellä, koska reaktioon liittyy räjähdys. Alkalimetallijäämät poistetaan etyylialkoholilla.

Kirjallisuus

Muistiinpanot

  1. Alkuaineiden standardiatomipainot 2021 (IUPAC Technical Report)  (englanniksi) - IUPAC , 1960. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 - doi:10.1515/PAC-2019-0603
  2. Jaksotaulu Arkistoitu 17. toukokuuta 2008. IUPAC - verkkosivustolla

Katso myös

Linkit