Alkaliska metaller

Egenskaper för alkalimetaller

Atomerna i litiumgruppelementen innehåller endast en elektron på valensskalet i grundtillståndet på s- orbitalen. På grund av de låga värdena för den första joniseringsenergin, som är:

• 3 [kJ ·mol ^-1] för litium,
• 8 [kJ ·mol ^-1] för natrium,
• 8 [kJ ·mol ^-1] för kalium,
• 0 [kJ ·mol ^-1] för rubidium,
• 7 [kJ ·mol ^-1] för cesium,

valenselektronen är bunden på skalet mycket svagt och är lätt att lossa. Det är mycket svårare för ett annat element att dra av nästa elektron, som finns i det inneslutna elektronskalet. Detta kräver att energitillförseln är ännu flera gånger högre. De andra joniseringsenergierna för litiumgruppelementen är följande:

• 1 [kJ ·mol ^-1] för litium,
• 4 [kJ ·mol ^-1] för natrium,
• 4 [kJ ·mol ^-1] för kalium,
• 0 [kJ ·mol ^-1] för rubidium,
• 0 [kJ ·mol ^-1] för cesium.

Detta innebär att alkalimetaller endast bildar envärda katjoner och aldrig förekommer i högre oxidationstillstånd. Dessutom är de kemiska föreningar de bildar nästan uteslutande joniska. Förutom att +I-oxidationstillståndet är typiskt för dessa grundämnen, finns det ett fåtal föreningar där natrium, kalium, rubidium och cesium förekommer i –I-oxidationstillståndet. Placeringen av alkalimetaller i det periodiska systemet , där de börjar varje period, tyder på att de har den lägsta kärnladdningen. Detta innebär att attraktionen av deras valenselektroner såväl som ytterligare elektroner som finns på de inneslutna skalen är den svagaste. De har också de längsta atom- och jonradierna. De låga elektronegativitetsvärdena orsakas av låg joniseringsenergi och lång atomradie. På grund av dessa egenskaper visar cesium och francium den lägsta elektronegativiteten bland alla grundämnen i det periodiska systemet. Alkalimetaller omvandlas lätt till ett joniskt tillstånd, vilket beror på att de lätt ger bort elektroner. Detta översätts också direkt till deras starkt negativa standardpotentialer. Litium tar den första positionen i den elektrokemiska serien, med en standardpotential på -3,0401 V.

Färgade alkalimetaller

Vad som också är intressant är färgningen av lågor av litiumgruppelementen. Deras fria atomer, som uppstår som ett resultat av att de värms upp sina flyktiga föreningar, är mycket benägna att exciteras. Sedan blir de strålningskällan på grund av att de ger bort överskottsenergi, och deras spektrum, precis som spektra för kalciumgruppselementen, är delvis belägna i området för synligt ljus. Därför, i kvalitativ analys , undersöks alkalimetaller med flamtestet respektive:

• litium färgar lågan karmin,
• natrium färgar lågan gul,
• kalium, rubidium och cesium färgar lågan violett och rosa.

De fysikalisk-kemiska egenskaperna hos alkalimetaller

Alla grundämnen från grupp 1 i det periodiska systemet har en metallisk natur och en vit-silverfärg. Deras ytor visar metallisk glans, men mattas normalt mycket snabbt och täcks av oxider. Hårdheten hos alkalimetaller minskar från litium till cesium, men var och en av dem är tillräckligt mjuk för att lätt skäras med en kniv. Smältpunkten varierar också inom samma serie, från 453,7 K för litium till 306,1 K för cesium. Litium har den lägsta densiteten, och densiteten av litium, natrium och kalium är lägre än vatten. Varje alkalimetall leder elektrisk ström och natrium uppvisar vid rumstemperatur en konduktivitet endast tre gånger lägre än silver, som har den lägsta specifika resistansen. Till skillnad från de flesta metaller visar litiumgruppens element relativt låga kokpunkter. De flesta av dem (utom litium), kokar under 1300 K. Alkalimetaller som omvandlas till gasform tar formen av monoatomiska molekyler.

Reaktiviteten hos alkalimetaller

Den kemiska reaktiviteten hos alkalimetaller är ganska hög och växer från litium till cesium. Litium reagerar med syre först när temperaturen höjs till cirka 370 K, så under normala förhållanden tappar litium inte sin metalliska glans. Vid rumstemperatur reagerar alla andra alkalimetaller snabbt med syre och tappar sin glans. Således lagras de normalt under fotogen. Att bränna alkalimetaller i luften ger också varierande effekter: litium brinner ut till en oxid, natrium till en peroxid och kalium, rubidium och cesium bildar superoxider. En reaktion som är kännetecknande för alkalimetaller är att man ofta kastar en metallbit i vatten. Denna reaktion sker abrupt och dess process är allt mer spektakulär från litium till cesium. Värmen som avges när vi utför det med natrium är tillräckligt för att bränna ut det. Kalium antänds precis efter att ha rört vid vatten, medan rubidium och cesium orsakar explosioner. Caesium, som är det mest reaktiva litiumgruppelementet, självantänder redan vid kontakt med luft. När det gäller några av dess egenskaper liknar litium ett grundämne från den andra gruppen i det periodiska systemet: magnesium. Till skillnad från andra alkalimetaller, men på samma sätt som magnesium, producerar den ett svårlösligt karbonat och fosfat.

Föreningarna av litiumgruppelement

De föreningar som kan bildas av alkalimetaller klassificeras i följande grupper:

1. Hydrider av MH-typ av alkalimetaller, som framställs genom en direkt reaktion mellan väte och metaller vid förhöjda temperaturer.
2. Föreningarna av alkalimetaller med syre, som är lite mer komplexa. Som nämnts ovan bildas endast litiumoxid genom att bränna ett metalliskt element i luften. Andra brinner ut vid bildning av högre oxider, som kan reduceras med en lämplig metall vid förhöjd temperatur.
3. Föreningarna av alkalimetaller med halogener är mestadels joniska föreningar med kristallstruktur. En stor del av alkalimetallhalider har ett rymdgitter som liknar natriumklorid, medan CsCl, CsBr och CsI bildar ett gitter som cesiumklorid.
4. Alkalimetallhydroxider är färglösa fasta ämnen med starka hygroskopiska egenskaper. De är joniska föreningar och deras upplösning i vatten är kraftigt exotermisk.
5. Deras föreningar med svavel förekommer i tre typer: MHS vätesulfider, M ₂ S sulfider och MS _n polysulfider, där n varierar från 2 till 6.
6. Alkalimetaller producerar också oxisyrasalter som nitrater, karbonater och sulfater av alkalimetaller, samt en separat grupp av ammoniumsalter.

Ett intressant faktum om salterna av alkalimetaller är att om anjonen inte heller har någon färg är salterna färglösa och ofta fritt lösliga i vatten. I vattenlösningar utsätts deras katjoner för hydratisering med en kraft som ökar från cesium till litium. Nästan alla litiumsalter innehåller kristallint vatten. Många av dem är dessutom hydrerade, till skillnad från kaliumsalter. Rubidium- och cesiumsalter är alltid vattenfria.

Den naturliga förekomsten av alkalimetaller

Fördelningen av alkalimetaller i naturen är varierad. Jordskorpan innehåller extremt höga mängder natrium (2,83 %) och kalium (2,59 %) samt små mängder litium (2,0·10 ^-3 %), rubidium (9·10 ^-3 %) och cesium (3·10 %). ^-3 %). Francium förekommer naturligt endast i försumbara mängder i form av en instabil radioaktiv isotop, en aktiniumnedbrytningsprodukt. Litium förekommer i jordskorpan normalt som litium-natrium-kaliumbäddar såsom aluminosilikater, t.ex. spodumen LiAl[Si ₂ O ₆] och lepidolit KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀], och som fosfater, t.ex. amblygonit LiAl[( _PO4 )(F,OH)]. Mineraler som innehåller natrium inkluderar den vanligaste albiten Na[AlSi ₃ O ₈] och dess fasta lösningar med kalium- och kalciumaluminatsilikater. Extremt rika avlagringar, spridda i stort sett över hela världen, bildas också av sådana natriumföreningar som natriumklorid (stensalt) och natriumnitrat, kallat Chilesaltpeter. Enorma mängder natrium kan också hittas i saltvatten: hav och hav. Det uppskattas att natriumklorid representerar till och med 2,8 %av havsvattnet. Om man jämför natrium och kalium som finns i jordskorpan, trots deras liknande mängder, fördelas kalium på ett helt annat sätt, eftersom dess föreningar mycket sparsamt bildar avlagringar. De vanligaste är kaliumbaserade mineraler som förekommer över de övre lagren av bergsaltbäddar. Dessa inkluderar: sylvin KCl, karnalit KMgCl ₃ ·6H ₂ O och kainit KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. Detta kemiska element förekommer också i form av aluminosilikater såsom kaliumfältspat K[AlSi ₃ O ₈] och glimmer _KAl2 [ _AlSi3O10 (F,OH) ₂] _. Kaliumföreningar som bildas vid nedbrytningen av dessa mineraler är mycket lättlösliga i vatten. Som en konsekvens, när de bildas, absorberas en stor del av dem av jorden på grund av väderförhållanden och endast en liten mängd överförs till hav och oceaner tillsammans med det strömmande vattnet. Det är därför mängden kalium som finns i saltvatten är cirka 40 gånger lägre än innehållet av natrium. Eftersom närvaron av kalium som finns i jorden krävs för att växterna ska kunna växa, innehåller deras aska avsevärda mängder kaliumkarbonat samtidigt som den är ganska fattig på natriumföreningar. Den naturliga närvaron av rubidium och cesium är låg; de finns endast tillsammans med andra alkalimetaller. Francium förekommer huvudsakligen som radioaktiva isotoper som bildas som:

• en produkt av ²³⁵ U urannedbrytning,
• en produkt av ²²⁷ Ac aktiniumnedbrytning.

Vi kan också hitta ⁴⁰ K kalium och ⁸⁷ Rb rubidium i form av radioaktiva isotoper.

Tillämpningar av alkalimetaller

Metalliskt litium används ofta som tillsats för att förbättra stabiliteten och styrkan hos aluminium-, zink- och magnesiumlegeringar. Det används också som deoxidant i kopparmetallurgi och som en komponent i Li/FeS _x elektriska batterier. Som litiumstearat ger det lämplig densitet av smörjmedel. Dess smörjande egenskaper är stabila vid temperaturer från 250 till 420 K. Litiumkarbonat används för tillverkning av porslin och glasyr i form av flussmedel. Natrium är ett mycket viktigt material som används för att förvärva många produkter av daglig användning, såsom blekande natriumperoxid, amid och natriumcyanid. I laboratorier appliceras natrium i mindre skala på grund av de reducerande egenskaperna hos många organiska föreningar. En annan viktig tillämpning av natrium är att använda det som en beståndsdel i blylegeringen som används för att framställa knackningsförhindrande medel som tillsätts till bensin. Metalliskt natrium används också i natrium-ånglampor på grund av det karakteristiska gula ljuset som vi kan observera när det exciterar det. Kärnreaktorer innehåller flytande natrium och en flytande natrium-kaliumlegering som är till för att kyla ner hela systemet. Elektronerna i metalliskt cesium är föremål för den fotoelektriska effekten, så de kan lätt detekteras med hjälp av ljus. Det är därför cesium används för att bygga cesiumbaserade fotoceller som innehåller en legering av cesium med aluminium och barium.