알칼리 금속

알칼리 금속의 특성

리튬족 원소의 원자는 s 궤도의 기본 상태에서 원자가 껍질에 전자 하나만 포함합니다. 첫 번째 이온화 에너지의 값이 낮기 때문에 다음과 같습니다.

• 리튬의 경우 3 [kJ ·mol ^-1],
• 나트륨의 경우 8 [kJ ·mol ^-1],
• 칼륨의 경우 8 [kJ ·mol ^-1],
• 루비듐의 경우 0 [kJ ·mol ^-1],
• 세슘의 경우 7 [kJ ·mol ^-1],

원자가 전자는 껍질에 매우 약하게 결합되어 있어 분리되기 쉽습니다. 다른 원소가 둘러싸인 전자 껍질에 있는 다음 전자를 끌어내는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 이를 위해서는 에너지 입력이 몇 배 더 높아야 합니다. 리튬족 원소의 2차 이온화 에너지는 다음과 같습니다.

• 리튬의 경우 1 [kJ ·mol ^-1],
• 나트륨의 경우 4 [kJ ·mol ^-1],
• 칼륨의 경우 4 [kJ ·mol ^-1],
• 루비듐의 경우 0 [kJ ·mol ^-1],
• 세슘의 경우 0 [kJ ·mol ^-1].

이는 알칼리 금속이 1가 양이온만을 형성하고 더 높은 산화 상태에서는 결코 발생하지 않음을 의미합니다. 게다가 이들이 형성하는 화학적 화합물은 거의 전적으로 이온성입니다. 이러한 원소의 전형적인 +I 산화 상태 외에도 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘이 -I 산화 상태로 나타나는 몇 가지 화합물이 있습니다. 주기율표 에서 각 주기가 시작되는 알칼리 금속의 위치는 가장 낮은 핵 전하를 가짐을 나타냅니다. 이는 원자가 전자와 둘러싸인 껍질에 위치한 추가 전자의 인력이 가장 약하다는 것을 의미합니다. 그들은 또한 가장 긴 원자 및 이온 반경을 가지고 있습니다. 낮은 전기 음성도 값은 낮은 이온화 에너지와 긴 원자 반경으로 인해 발생합니다. 이러한 특성으로 인해 세슘과 프란슘은 주기율표의 모든 원소 중에서 가장 낮은 전기음성도를 나타냅니다. 알칼리 금속은 쉽게 전자를 방출하기 때문에 쉽게 이온 상태로 변환됩니다. 이는 또한 강력한 음의 표준 전위로 직접적으로 해석됩니다. 리튬은 -3.0401V의 표준 전위로 전기화학 계열에서 첫 번째 위치를 차지합니다.

착색된 알칼리 금속

또한 흥미로운 점은 리튬족 원소에 의한 불꽃의 착색이다. 휘발성 화합물을 가열한 결과 나타나는 자유 원자는 여기되기 쉽습니다. 그러면 그들은 과도한 에너지를 방출하기 때문에 방사선의 원천이 되고, 칼슘족 원소의 스펙트럼과 마찬가지로 그들의 스펙트럼은 부분적으로 가시광선 범위에 위치합니다. 따라서 정성 분석 에서 알칼리 금속은 불꽃 테스트를 통해 검사되며 각각 다음과 같습니다.

• 리튬은 불꽃의 카민을 색칠하고,
• 나트륨은 불꽃을 노란색으로 물들이고,
• 칼륨, 루비듐, 세슘은 불꽃을 보라색과 분홍색으로 물들입니다.

알칼리 금속의 물리화학적 성질

주기율표 1족의 모든 원소는 금속성 성질을 가지며 흰색과 은색을 띤다. 표면은 금속성 광택을 나타내지만 일반적으로 매우 빠르게 변색되어 산화물로 덮여집니다. 알칼리 금속은 리튬에서 세슘으로 갈수록 경도가 떨어지지만, 각각은 칼로 쉽게 자를 수 있을 정도로 무르다. 녹는점은 리튬의 경우 453.7K에서 세슘의 경우 306.1K까지 동일한 계열 내에서 다양합니다. 리튬은 밀도가 가장 낮으며, 리튬, 나트륨, 칼륨의 밀도는 물보다 낮습니다. 각각의 알칼리 금속은 전류를 전도하는데, 나트륨은 상온에서 비저항이 가장 낮은 은보다 3배 정도 낮은 전도도를 나타낸다. 대부분의 금속과 달리 리튬족 원소는 상대적으로 낮은 끓는점을 나타냅니다. 대부분(리튬 제외)은 1300K 이하에서 끓습니다. 기체 상태로 변형된 알칼리 금속은 단원자 분자의 형태를 취합니다.

알칼리 금속의 반응성

알칼리 금속의 화학 반응성은 매우 높으며 리튬에서 세슘으로 성장합니다. 리튬은 온도가 약 370K까지 올라갈 때만 산소와 반응하므로 정상적인 조건에서 리튬은 금속 광택을 잃지 않습니다. 실온에서 다른 모든 알칼리 금속은 산소와 빠르게 반응하여 광택을 잃습니다. 따라서 일반적으로 등유 밑에 보관됩니다. 공기 중에서 알칼리 금속을 연소시키면 다양한 효과가 나타납니다. 리튬은 연소되어 산화물로, 나트륨은 과산화물로, 칼륨, 루비듐, 세슘은 초산화물을 형성합니다. 알칼리 금속의 반응 특성은 흔히 관찰되는 금속 조각을 물에 던지는 것입니다. 이 반응은 갑자기 발생하며 그 과정은 리튬에서 세슘으로 점점 더 화려해집니다. 나트륨으로 행할 때 방출되는 열은 그것을 태워버릴 만큼 충분합니다. 칼륨은 물에 닿자마자 발화하고, 루비듐과 세슘은 폭발을 일으킵니다. 반응성이 가장 높은 리튬족 원소인 세슘은 공기와 접촉하면 이미 자연 발화합니다. 일부 특성 측면에서 리튬은 주기율표의 두 번째 그룹인 마그네슘과 유사합니다. 다른 알칼리 금속과 달리 마그네슘과 유사하게 난용성 탄산염과 인산염을 생성합니다.

리튬족 원소의 화합물

알칼리 금속에 의해 형성될 수 있는 화합물은 다음 그룹으로 분류됩니다.

1. MH형 알칼리 금속의 수소화물은 고온에서 수소와 금속 사이의 직접적인 반응에 의해 생성됩니다.
2. 알칼리 금속과 산소의 화합물로 좀 더 복잡합니다. 위에서 언급한 것처럼 산화리튬만이 공기 중에서 금속 원소를 연소시켜 생성됩니다. 다른 것들은 높은 온도에서 적절한 금속으로 환원될 수 있는 더 높은 산화물의 형성으로 연소됩니다.
3. 할로겐과 알칼리 금속의 화합물은 대부분 결정 구조를 갖는 이온 화합물입니다. 알칼리 금속 할로겐화물의 대부분은 염화나트륨과 유사한 공간 격자를 갖는 반면, CsCl, CsBr 및 CsI는 염화세슘과 같은 격자를 형성합니다.
4. 알칼리 금속 수산화물은 흡습성이 강한 무색 고체입니다. 이들은 이온성 화합물이며 물에 용해될 때 발열이 심합니다.
5. 황을 함유한 화합물은 MHS 황화수소, M ₂ S 황화물, MS _n 폴리황화물의 세 가지 유형으로 나타나며, 여기서 n의 범위는 2~6입니다.
6. 알칼리 금속은 또한 알칼리 금속의 질산염, 탄산염, 황산염과 같은 산소산염과 별도의 암모늄염 그룹을 생성합니다.

알칼리 금속 염에 대한 흥미로운 사실은 음이온에도 색이 없다면 염은 무색이며 종종 물에 잘 녹는다는 것입니다. 수용액에서 양이온은 세슘에서 리튬으로 증가하는 힘으로 수화됩니다. 거의 모든 리튬염에는 결정질 물이 포함되어 있습니다. 이들 중 다수는 칼륨염과 달리 추가로 수분을 공급받습니다. 루비듐염과 세슘염은 항상 무수물입니다.

알칼리 금속의 자연 발생

자연계의 알칼리 금속 분포는 다양합니다. 지각에는 극도로 많은 양의 나트륨(2.83%)과 칼륨(2.59%)이 포함되어 있으며, 소량의 리튬(2.0· ^10-3 %), 루비듐(9· ^10-3 %), 세슘(3·10%)도 포함되어 있습니다. ^-3 %). 프란슘은 악티늄 분해 생성물인 불안정한 방사성 동위원소의 형태로 무시할 수 있는 양으로만 자연적으로 발생합니다. 리튬은 일반적으로 알루미노규산염(예: 스포듀민 LiAl[Si ₂ O ₆] 및 레피돌라이트 KLi ₂ Al[(F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀ )과 같은 리튬-나트륨-칼륨 층으로 지각에서 발생합니다.] 및 인산염으로서, 예를 들어 약성암 LiAl[(PO ₄ )(F,OH)]. 나트륨을 함유한 미네랄에는 가장 일반적인 조질 Na[AlSi ₃ O ₈]과 칼륨 및 칼슘 알루미노규산염과의 고용체가 포함됩니다. 거의 전 세계에 분포되어 있는 매우 풍부한 매장량은 염화나트륨(암염) 및 질산나트륨(칠레 초석)과 같은 나트륨 화합물로 형성됩니다. 엄청난 양의 나트륨은 짠물, 즉 바다와 바다에서도 발견될 수 있습니다. 염화나트륨은 바닷물의 2.8%를 차지하는 것으로 추정됩니다. 지각에 포함된 나트륨과 칼륨을 비교해 보면, 비슷한 양에도 불구하고 칼륨은 그 화합물이 매우 드물게 침전물을 형성하기 때문에 완전히 다른 방식으로 분포됩니다. 가장 흔히 발견되는 것은 암염층의 상층부에서 발생하는 칼륨 기반 광물입니다. 여기에는 실빈 KCl, 카르날라이트 KMgCl ₃ ·6H ₂ O 및 카이나이트 KMgCl(SO ₄ ) ·3H ₂ O가 포함됩니다. 이 화학 원소는 칼륨 장석 K[AlSi ₃ O ₈]와 같은 알루미노규산염의 형태로도 발생합니다. 및 운모 KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂]. 이러한 미네랄이 분해되는 동안 생성되는 칼륨 화합물은 물에 매우 쉽게 용해됩니다. 결과적으로 그것들이 형성되면서 기상조건에 의해 많은 부분이 토양에 흡수되고, 극히 일부만이 흐르는 물과 함께 바다로 이동된다. 이것이 소금물에 존재하는 칼륨의 양이 나트륨의 함량보다 약 40배 낮은 이유입니다. 식물의 적절한 성장을 위해서는 토양에 존재하는 칼륨이 필요하기 때문에, 재에는 상당한 양의 탄산칼륨이 포함되어 있지만 나트륨 화합물은 다소 부족합니다. 루비듐과 세슘의 자연적 존재는 낮습니다. 그들은 다른 알칼리 금속과 함께만 발견됩니다. 프랑슘은 주로 다음과 같이 형성된 방사성 동위원소로 발생합니다.

• ^235U 우라늄 분해 생성물,
• ²²⁷ Ac 악티늄 분해의 산물.

또한 방사성 동위원소 형태로 ^40K 칼륨과 ^87Rb 루비듐을 찾을 수 있습니다.

알칼리 금속의 응용

금속 리튬은 알루미늄, 아연, 마그네슘 합금의 안정성과 강도를 향상시키는 첨가제로 자주 사용됩니다. 또한 구리 야금의 탈산제 및 Li/FeS _x 전기 배터리의 구성 요소로도 사용됩니다. 리튬스테아레이트로서 적절한 밀도의 윤활제를 제공합니다. 윤활 특성은 250~420K의 온도에서 안정적입니다. 탄산리튬은 플럭스 형태의 도자기 및 유약 생산에 사용됩니다. 나트륨은 미백제인 과산화나트륨, 아미드, 시안화나트륨 등 일상에서 사용하는 많은 제품을 얻기 위해 사용되는 매우 중요한 물질입니다. 실험실에서는 많은 유기 화합물에 대한 환원 특성으로 인해 나트륨이 더 작은 규모로 적용됩니다. 나트륨의 또 다른 중요한 용도는 휘발유에 첨가되는 노킹 방지제를 생산하는 데 사용되는 납 합금의 성분으로 나트륨을 사용하는 것입니다. 금속 나트륨은 또한 여기할 때 관찰할 수 있는 특징적인 노란색 빛으로 인해 나트륨 증기 램프에도 사용됩니다. 원자로는 전체 시스템을 냉각시키기 위해 존재하는 액체 나트륨과 액체 나트륨-칼륨 합금을 포함합니다. 금속 세슘의 전자는 광전 효과를 받기 때문에 빛을 사용하면 쉽게 감지할 수 있습니다. 이것이 세슘과 알루미늄 및 바륨의 합금을 포함하는 세슘 기반 광전지를 만드는 데 세슘이 사용되는 이유입니다.