โลหะอัลคาไล

ลักษณะของโลหะอัลคาไล

อะตอมของธาตุหมู่ลิเธียมมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวบนเปลือกเวเลนซ์ในสถานะพื้นฐานบนวงโคจร s เนื่องจากค่าพลังงานไอออไนเซชันแรกมีค่าต่ำ ได้แก่:

• 3 [kJ ·mol ^-1] สำหรับลิเธียม
• 8 [kJ ·โมล ^-1] สำหรับโซเดียม
• 8 [kJ ·mol ^-1] สำหรับโพแทสเซียม
• 0 [kJ ·mol ^-1] สำหรับรูบิเดียม
• 7 [kJ ·mol ^-1] สำหรับซีเซียม

เวเลนซ์อิเล็กตรอนเกาะอยู่บนเปลือกอย่างอ่อนมาก ทำให้แยกออกได้ง่าย ยากกว่ามากที่องค์ประกอบอื่นจะดึงอิเล็กตรอนตัวถัดไปซึ่งอยู่ในเปลือกอิเล็กตรอนที่ปิดล้อมออกมา สิ่งนี้ต้องการให้พลังงานป้อนเข้าสูงขึ้นหลายเท่า พลังงานไอออไนเซชันที่สองสำหรับองค์ประกอบกลุ่มลิเธียมมีดังนี้:

• 1 [kJ ·mol ^-1] สำหรับลิเธียม
• 4 [kJ ·โมล ^-1] สำหรับโซเดียม
• 4 [kJ ·mol ^-1] สำหรับโพแทสเซียม
• 0 [kJ ·mol ^-1] สำหรับรูบิเดียม
• 0 [kJ ·mol ^-1] สำหรับซีเซียม

นี่หมายความว่าโลหะอัลคาไลจะก่อตัวเป็นไอออนบวกที่มีวาเลนท์เดียวเท่านั้น และไม่เคยเกิดขึ้นในสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่า นอกจากนี้สารประกอบเคมีที่พวกมันก่อตัวเป็นไอออนิกเกือบทั้งหมด นอกจากสถานะออกซิเดชัน +I ที่เป็นปกติขององค์ประกอบเหล่านี้แล้ว ยังมีสารประกอบบางชนิดที่โซเดียม โพแทสเซียม รูบิเดียม และซีเซียมเกิดขึ้นในสถานะออกซิเดชัน –I ตำแหน่งของโลหะอัลคาไลใน ตารางธาตุ ซึ่งเริ่มต้นในแต่ละคาบ แสดงให้เห็นว่าโลหะเหล่านี้มีประจุนิวเคลียร์ต่ำที่สุด นี่ก็หมายความว่าแรงดึงดูดของเวเลนซ์อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนอื่นๆ ที่อยู่บนเปลือกที่ปิดล้อมนั้นมีจุดอ่อนที่สุด พวกมันยังมีรัศมีอะตอมและไอออนิกที่ยาวที่สุดอีกด้วย ค่าอิเล็กโทรเนกาติวีตี้ต่ำเกิดจากพลังงานไอออไนเซชันต่ำและรัศมีอะตอมที่ยาว เนื่องจากคุณลักษณะเหล่านี้ ซีเซียมและแฟรนเซียมจึงมีอิเลคโตรเนกาติวีตี้ต่ำที่สุดในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมดในตารางธาตุ โลหะอัลคาไลเปลี่ยนเป็นสถานะไอออนิกได้ง่าย ซึ่งเป็นเพราะว่าพวกมันปล่อยอิเล็กตรอนได้ง่าย สิ่งนี้ยังแปลโดยตรงเป็นศักยภาพมาตรฐานเชิงลบอย่างมาก ลิเธียมครองตำแหน่งแรกในซีรีส์เคมีไฟฟ้า โดยมีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานที่ -3.0401 V

โลหะอัลคาไลที่มีสี

สิ่งที่น่าสนใจก็คือการระบายสีเปลวไฟโดยองค์ประกอบกลุ่มลิเธียม อะตอมอิสระของพวกมันซึ่งเกิดขึ้นจากการให้ความร้อนแก่สารประกอบระเหยของพวกมันมีแนวโน้มที่จะถูกกระตุ้นอย่างมาก จากนั้นพวกมันก็กลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเนื่องจากการให้พลังงานส่วนเกินออกไป และสเปกตรัมของพวกมันก็เหมือนกับสเปกตรัมของธาตุในกลุ่มแคลเซียม ซึ่งบางส่วนอยู่ในช่วงของแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้น ใน การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ โลหะอัลคาไลจึงถูกตรวจสอบโดยการทดสอบเปลวไฟ และตามลำดับ:

• ลิเธียมเติมสีสันให้กับเปลวไฟสีแดงเลือดนก
• โซเดียมทำให้เปลวไฟเป็นสีเหลือง
• โพแทสเซียม รูบิเดียม และซีเซียม ทำให้เปลวไฟสีม่วงและสีชมพู

คุณสมบัติทางเคมีกายภาพของโลหะอัลคาไล

ธาตุทั้งหมดจากกลุ่ม 1 ของตารางธาตุมีลักษณะเป็นโลหะและมีสีขาวและสีเงิน พื้นผิวของมันแสดงความมันเงาแบบโลหะ แต่โดยปกติจะเสื่อมเสียเร็วมากจนถูกออกไซด์ปกคลุม ความแข็งของโลหะอัลคาไลลดลงจากลิเธียมไปเป็นซีเซียม แต่แต่ละโลหะมีความอ่อนพอที่จะใช้มีดตัดได้อย่างง่ายดาย จุดหลอมเหลวยังแปรผันภายในอนุกรมเดียวกัน ตั้งแต่ 453.7 K สำหรับลิเธียม ไปจนถึง 306.1 K สำหรับซีเซียม ลิเธียมมีความหนาแน่นต่ำสุด และความหนาแน่นของลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียมต่ำกว่าน้ำ โลหะอัลคาไลแต่ละชนิดนำกระแสไฟฟ้า และโซเดียมแสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิห้องมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าเงินเพียงสามเท่าซึ่งมีความต้านทานจำเพาะต่ำที่สุด ธาตุในกลุ่มลิเธียมต่างจากโลหะส่วนใหญ่ตรงที่มีจุดเดือดค่อนข้างต่ำ ส่วนใหญ่ (ยกเว้นลิเธียม) มีจุดเดือดต่ำกว่า 1,300 K โลหะอัลคาไลที่ถูกเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซจะอยู่ในรูปของโมเลกุลที่มีอะตอมเดี่ยว

ปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไล

ปฏิกิริยาเคมีของโลหะอัลคาไลค่อนข้างสูงและเติบโตจากลิเธียมไปเป็นซีเซียม ลิเธียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเฉพาะเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 370 เคลวิน ดังนั้นในสภาวะปกติ ลิเธียมจะไม่สูญเสียความมันวาวของโลหะ ที่อุณหภูมิห้อง โลหะอัลคาไลอื่นๆ ทั้งหมดจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอย่างรวดเร็วและสูญเสียความมันเงาไป โดยปกติแล้วจะถูกเก็บไว้ภายใต้น้ำมันก๊าด การเผาไหม้โลหะอัลคาไลในอากาศยังให้ผลที่แตกต่างกันอีกด้วย เช่น ลิเธียมจะเผาไหม้ออกเป็นออกไซด์ โซเดียมจะกลายเป็นเปอร์ออกไซด์ และโพแทสเซียม รูบิเดียม และซีเซียมจะเกิดซูเปอร์ออกไซด์ ลักษณะปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไลคือการโยนชิ้นส่วนโลหะลงไปในน้ำ ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นอย่างกะทันหันและกระบวนการของมันก็น่าตื่นเต้นมากขึ้นตั้งแต่ลิเธียมไปจนถึงซีเซียม ความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อเราเล่นกับโซเดียมก็เพียงพอที่จะเผาผลาญมันออกไป โพแทสเซียมจะติดไฟหลังจากสัมผัสน้ำ ในขณะที่รูบิเดียมและซีเซียมทำให้เกิดการระเบิด ซีเซียมเป็นธาตุในกลุ่มลิเธียมที่ทำปฏิกิริยาได้มากที่สุด จะติดไฟได้เองเมื่อสัมผัสกับอากาศ ในแง่ของคุณสมบัติบางประการ ลิเธียมมีลักษณะคล้ายกับธาตุจากกลุ่มที่สองในตารางธาตุ: แมกนีเซียม ต่างจากโลหะอัลคาไลอื่นๆ แต่คล้ายกับแมกนีเซียม โดยผลิตคาร์บอเนตและฟอสเฟตที่ละลายได้น้อย

สารประกอบของธาตุหมู่ลิเธียม

สารประกอบที่สามารถเกิดขึ้นได้จากโลหะอัลคาไลแบ่งออกเป็นกลุ่มต่อไปนี้:

1. ไฮไดรด์ประเภท MH ของโลหะอัลคาไลซึ่งผลิตโดยปฏิกิริยาโดยตรงระหว่างไฮโดรเจนและโลหะที่อุณหภูมิสูงขึ้น
2. สารประกอบของโลหะอัลคาไลกับออกซิเจนซึ่งมีความซับซ้อนกว่าเล็กน้อย ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น มีเพียงลิเธียมออกไซด์เท่านั้นที่เกิดจากการเผาองค์ประกอบโลหะในอากาศ บางส่วนจะเผาไหม้เมื่อเกิดออกไซด์ที่สูงขึ้น ซึ่งสามารถลดลงได้ด้วยโลหะที่เหมาะสมที่อุณหภูมิสูงขึ้น
3. สารประกอบของโลหะอัลคาไลที่มีฮาโลเจนส่วนใหญ่เป็นสารประกอบไอออนิกที่มีโครงสร้างเป็นผลึก โลหะอัลคาไลส่วนใหญ่เฮไลด์จะมีโครงตาข่ายที่คล้ายกับโซเดียมคลอไรด์ ในขณะที่ CsCl, CsBr และ CsI ก่อให้เกิดโครงตาข่ายคล้ายซีเซียมคลอไรด์
4. ไฮดรอกไซด์ ของโลหะอัลคาไลเป็นของแข็งไม่มีสีและมีคุณสมบัติดูดความชื้นได้ดี พวกมันเป็นสารประกอบไอออนิกและการละลายในน้ำนั้นมีคายความร้อนอย่างมาก
5. สารประกอบที่มีซัลเฟอร์เกิดขึ้นได้สามประเภท: MHS ไฮโดรเจนซัลไฟด์, M ₂ S ซัลไฟด์ และ MS _n โพลีซัลไฟด์ โดยที่ n มีค่าตั้งแต่ 2 ถึง 6
6. โลหะอัลคาไลยังผลิตเกลือ ออกซีซิด เช่น ไนเตรต คาร์บอเนต และซัลเฟตของโลหะอัลคาไล รวมถึงเกลือแอมโมเนียมอีกกลุ่มหนึ่ง

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับเกลือของโลหะอัลคาไลก็คือ ถ้าไอออนไม่มีสี เกลือนั้นก็จะไม่มีสีและมักจะละลายในน้ำได้อย่างอิสระ ในสารละลายที่เป็นน้ำ แคตไอออนของพวกมันจะถูกทำให้ชุ่มชื้นด้วยแรงที่เพิ่มขึ้นจากซีเซียมไปเป็นลิเธียม เกลือลิเธียมเกือบทั้งหมดมีน้ำเป็นผลึก หลายคนได้รับน้ำเพิ่มเติม ไม่เหมือนเกลือโพแทสเซียม เกลือรูบิเดียมและซีเซียมจะไม่มีน้ำอยู่เสมอ

การเกิดโลหะอัลคาไลตามธรรมชาติ

การกระจายตัวของโลหะอัลคาไลในธรรมชาตินั้นแตกต่างกันไป เปลือกโลก ประกอบด้วยโซเดียม (2.83%) และโพแทสเซียม (2.59%) ในปริมาณที่สูงมาก เช่นเดียวกับลิเธียม (2.0·10 ^-3 %) รูบิเดียม (9·10 ^-3 %) และซีเซียม (3·10) จำนวนเล็กน้อย ^-3 %). แฟรนเซียมเกิดขึ้นตามธรรมชาติในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้นในรูปของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่ไม่เสถียร ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการสลายแอกทิเนียม ลิเธียมเกิดขึ้นในเปลือกโลกตามปกติในรูปของลิเธียม-โซเดียม-โพแทสเซียมเบด เช่น อะลูมิโนซิลิเกต เช่น สปอดูมีน LiAl[Si ₂ O ₆] และเลปิโดไลต์ KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀] และเป็นฟอสเฟต เช่น แอมบไลโกไนต์ LiAl[ (PO ₄ )(F,OH)] แร่ธาตุที่มีโซเดียม ได้แก่ อัลไบต์ Na[AlSi ₃ O ₈] ที่พบมากที่สุด และสารละลายที่เป็นของแข็งซึ่งมีโพแทสเซียมและแคลเซียมอะลูมิโนซิลิเกต แหล่งสะสมที่อุดมสมบูรณ์อย่างยิ่งซึ่งกระจายอยู่ทั่วโลกก็เกิดขึ้นจากสารประกอบโซเดียมเช่นโซเดียมคลอไรด์ (เกลือสินเธาว์) และโซเดียมไนเตรตที่เรียกว่าดินประสิวชิลี คลองโซเดียมปริมาณมหาศาลยังพบได้ในน้ำเค็ม เช่น ทะเลและมหาสมุทร มีการประมาณกันว่าโซเดียมคลอไรด์คิดเป็นสัดส่วนถึง 2.8%ของน้ำทะเล เมื่อเปรียบเทียบโซเดียมและโพแทสเซียมที่มีอยู่ในเปลือกโลก แม้จะมีปริมาณใกล้เคียงกัน โพแทสเซียมก็ถูกกระจายออกไปในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง เนื่องจากสารประกอบของมันจะก่อตัวเป็นตะกอนเบาบางมาก ที่พบมากที่สุดคือแร่ธาตุที่มีโพแทสเซียมซึ่งเกิดขึ้นที่ชั้นบนของเตียงหินเกลือ ซึ่งรวมถึง: sylvine KCl, carnallite KMgCl ₃ ·6H ₂ O และ kainite KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. องค์ประกอบทางเคมีนี้ยังเกิดขึ้นในรูปของอะลูมิโนซิลิเกต เช่น โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ K[AlSi ₃ O ₈] และไมกา KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂] สารประกอบโพแทสเซียมที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายแร่ธาตุเหล่านี้จะละลายในน้ำได้ง่ายมาก ผลที่ตามมาเมื่อพวกมันก่อตัวขึ้น ส่วนใหญ่จะถูกดูดซับโดยดินเนื่องจากสภาพอากาศ และมีเพียงจำนวนเล็กน้อยเท่านั้นที่ถูกถ่ายโอนไปยังทะเลและมหาสมุทรพร้อมกับน้ำที่ไหล ด้วยเหตุนี้ปริมาณโพแทสเซียมที่มีอยู่ในน้ำเค็มจึงต่ำกว่าปริมาณโซเดียมประมาณ 40 เท่า เนื่องจากการมีอยู่ของโพแทสเซียมในดินเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตที่เหมาะสมของพืช ขี้เถ้าของพวกมันจึงมีโพแทสเซียมคาร์บอเนตในปริมาณมาก แต่มีสารประกอบโซเดียมค่อนข้างต่ำ การมีอยู่ตามธรรมชาติของรูบิเดียมและซีเซียมต่ำ พบได้เฉพาะกับโลหะอัลคาไลอื่น ๆ เท่านั้น แฟรนเซียมส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่ก่อตัวเป็น:

• ผลิตภัณฑ์จากการสลายยูเรเนียม ²³⁵ U
• ผลิตภัณฑ์ของการสลายแอกทิเนียม ²²⁷ Ac

นอกจากนี้เรายังสามารถหาโพแทสเซียม ⁴⁰ K และรูบิเดียม ⁸⁷ Rb ในรูปของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี

การใช้โลหะอัลคาไล

ลิเธียมโลหะมักถูกใช้เป็นสารเติมแต่งที่ช่วยปรับปรุงเสถียรภาพและความแข็งแรงของโลหะผสมอะลูมิเนียม สังกะสี และแมกนีเซียม นอกจากนี้ยังใช้เป็นสารดีออกซิแดนท์ในโลหะวิทยาทองแดงและเป็นส่วนประกอบในแบตเตอรี่ไฟฟ้า Li/FeS _x เนื่องจากเป็นลิเธียมสเตียเรต จึงให้สารหล่อลื่นที่มีความหนาแน่นเหมาะสม ลักษณะการหล่อลื่นมีความเสถียรที่อุณหภูมิ 250 ถึง 420 K ลิเธียมคาร์บอเนตใช้สำหรับการผลิตเครื่องเคลือบและเคลือบในรูปแบบของฟลักซ์ โซเดียมเป็นวัสดุที่สำคัญมากที่ใช้เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์มากมายที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น โซเดียมเปอร์ออกไซด์ฟอกสีฟัน เอไมด์ และโซเดียมไซยาไนด์ ในห้องปฏิบัติการ มีการใช้โซเดียมในปริมาณที่น้อยลงเนื่องจากคุณสมบัติรีดิวซ์ของสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด การใช้โซเดียมที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการใช้เป็นส่วนประกอบในโลหะผสมตะกั่วที่ใช้ในการผลิตสารป้องกันการน็อคที่เติมลงในน้ำมันเบนซิน โลหะโซเดียมยังใช้ในหลอดโซเดียมไอ เนื่องจากมีแสงสีเหลืองลักษณะเฉพาะที่เราสามารถสังเกตเห็นได้เมื่อตื่นเต้น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประกอบด้วยโซเดียมเหลวและโลหะผสมโซเดียมโพแทสเซียมเหลวที่ช่วยทำให้ทั้งระบบเย็นลง อิเล็กตรอนของโลหะซีเซียมจะได้รับผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริก จึงสามารถตรวจจับได้ง่ายโดยใช้แสง นี่คือเหตุผลว่าทำไมซีเซียมจึงถูกนำมาใช้ในการสร้างโฟโตเซลล์ที่ทำจากซีเซียมซึ่งมีโลหะผสมของซีเซียมกับอลูมิเนียมและแบเรียม