Alkali metaller

Alkali metallerin özellikleri

Lityum grubu elementlerinin atomları, s yörüngesindeki temel durumda değerlik kabuğunda yalnızca bir elektron içerir. Birinci iyonlaşma enerjisinin düşük değerleri nedeniyle:

• Lityum için 3 [kJ ·mol ^-1],
• Sodyum için 8 [kJ ·mol ^-1],
• Potasyum için 8 [kJ ·mol ^-1],
• Rubidyum için 0 [kJ ·mol ^-1],
• Sezyum için 7 [kJ ·mol ^-1],

değerlik elektronu kabuğa çok zayıf bir şekilde bağlanmıştır ve ayrılması kolaydır. Başka bir elementin, kapalı elektron kabuğunda bulunan bir sonraki elektronu çekmesi çok daha zordur. Bu, enerji girişinin birkaç kat daha yüksek olmasını gerektirir. Lityum grubu elementlerinin ikinci iyonlaşma enerjileri aşağıdaki gibidir:

• Lityum için 1 [kJ ·mol ^-1],
• Sodyum için 4 [kJ ·mol ^-1],
• Potasyum için 4 [kJ ·mol ^-1],
• Rubidyum için 0 [kJ ·mol ^-1],
• Sezyum için 0 [kJ ·mol ^-1].

Bu, alkali metallerin yalnızca tek değerlikli katyonlar oluşturduğunu ve asla daha yüksek oksidasyon durumlarında oluşmadığını gösterir. Ayrıca oluşturdukları kimyasal bileşiklerin neredeyse tamamı iyoniktir. Bu elementlerin tipik özelliği olan +I oksidasyon durumuna ek olarak, –I oksidasyon durumunda sodyum, potasyum, rubidyum ve sezyumun meydana geldiği birkaç bileşik vardır. Alkali metallerin periyodik tablodaki her periyodun başladığı konumu, onların en düşük nükleer yüke sahip olduklarını göstermektedir. Bu, değerlik elektronlarının yanı sıra kapalı kabuklarda bulunan diğer elektronların çekiciliğinin en zayıf olduğu anlamına gelir. Ayrıca en uzun atom ve iyon yarıçapına sahiptirler. Düşük elektronegatiflik değerlerine düşük iyonlaşma enerjisi ve uzun atom yarıçapı neden olur. Bu özelliklerinden dolayı sezyum ve fransiyum periyodik tablodaki tüm elementler arasında en düşük elektronegatifliği gösterir. Alkali metaller kolaylıkla iyonik hale dönüşürler, bunun nedeni kolaylıkla elektron vermeleridir. Bu aynı zamanda doğrudan güçlü negatif standart potansiyellerine de dönüşür. Lityum, -3,0401 V’luk standart potansiyel ile elektrokimyasal seride ilk sırayı alır.

Renkli alkali metaller

Ayrıca ilginç olan, alevlerin lityum grubu elementleri tarafından renklendirilmesidir. Uçucu bileşiklerinin ısınması sonucu ortaya çıkan serbest atomları uyarılmaya çok yatkındır. Daha sonra aşırı enerji vererek radyasyon kaynağı haline gelirler ve spektrumları, tıpkı kalsiyum grubu elementlerin spektrumları gibi, kısmen görünür ışık aralığında yer alır. Bu nedenle kalitatif analizde alkali metaller alev testi ile incelenir ve sırasıyla:

• lityum alev karmini renklendirir,
• sodyum alevi sarıya boyar,
• potasyum, rubidyum ve sezyum alevi mor ve pembeye boyar.

Alkali metallerin fiziko-kimyasal özellikleri

Periyodik tablonun 1. grubundaki tüm elementler metalik bir yapıya ve beyaz-gümüş rengine sahiptir. Yüzeyleri metalik parlaklık gösterir, ancak normalde çok çabuk kararır ve oksitlerle kaplanır. Alkali metallerin sertliği lityumdan sezyuma doğru azalır ancak her biri bıçakla kolayca kesilebilecek kadar yumuşaktır. Erime noktası da aynı seri içinde lityum için 453,7 K’den sezyum için 306,1 K’ye kadar değişir. Lityum en düşük yoğunluğa sahiptir ve lityum, sodyum ve potasyumun yoğunluğu suyunkinden daha düşüktür. Her alkali metal elektrik akımı iletir ve sodyum, oda sıcaklığında, en düşük özgül dirence sahip olan gümüşten yalnızca üç kat daha düşük bir iletkenlik gösterir. Çoğu metalin aksine, lityum grubu elementleri nispeten düşük kaynama noktaları gösterir. Çoğu (lityum hariç) 1300 K’nin altında kaynar. Gaz haline dönüşen alkali metaller, monoatomik moleküller şeklini alır.

Alkali metallerin reaktivitesi

Alkali metallerin kimyasal reaktivitesi oldukça yüksektir ve lityumdan sezyuma doğru büyür. Lityum oksijenle yalnızca sıcaklık yaklaşık 370 K’ye çıkarıldığında reaksiyona girer, bu nedenle normal koşullarda lityum metalik parlaklığını kaybetmez. Oda sıcaklığında diğer tüm alkali metaller oksijenle hızla reaksiyona girer ve parlaklıklarını kaybederler. Bu nedenle normalde gazyağı altında depolanırlar. Alkali metallerin havada yakılması da çeşitli etkiler yaratır: Lityum yanarak okside, sodyum peroksite dönüşür ve potasyum, rubidyum ve sezyum süperoksitleri oluşturur. Alkali metallerin reaksiyon özelliği, yaygın olarak gözlemlenen bir metal parçasının suya atılmasıdır. Bu reaksiyon aniden meydana gelir ve süreci, lityumdan sezyuma kadar giderek daha muhteşem hale gelir. Sodyumla yaptığımızda yayılan ısı onu yakmaya yeterlidir. Potasyum suya temas ettikten hemen sonra tutuşurken rubidyum ve sezyum patlamalara neden olur. Lityum grubunun en reaktif elementi olan sezyum, havayla temas ettiğinde kendiliğinden tutuşur. Bazı özellikleri bakımından lityum, periyodik tablodaki ikinci gruptan bir elemente benzer: magnezyum. Diğer alkali metallerden farklı olarak ancak magnezyuma benzer şekilde, az çözünen karbonat ve fosfat üretir.

Lityum grubu elementlerinin bileşikleri

Alkali metallerin oluşturabildiği bileşikler aşağıdaki gruplara ayrılır:

1. Hidrojen ve metaller arasında yüksek sıcaklıklarda doğrudan reaksiyonla üretilen alkali metallerin MH tipi hidrürleri.
2. Alkali metallerin oksijenle olan bileşikleri ise biraz daha karmaşıktır. Yukarıda belirtildiği gibi, metalik bir elementin havada yakılmasıyla yalnızca lityum oksit oluşur. Diğerleri ise yüksek sıcaklıkta uygun bir metalle indirgenebilen daha yüksek oksitlerin oluşmasıyla yanar.
3. Alkali metallerin halojenli bileşikleri çoğunlukla kristal yapıya sahip iyonik bileşiklerdir. Alkali metal halojenürlerin büyük bir kısmı sodyum klorüre benzer bir uzay kafesine sahipken, CsCl, CsBr ve CsI sezyum klorüre benzer bir kafes oluşturur.
4. Alkali metal hidroksitler , güçlü higroskopik özelliklere sahip renksiz katılardır. İyonik bileşiklerdir ve suda çözünmeleri oldukça ekzotermiktir.
5. Bunların kükürtlü bileşikleri üç tipte meydana gelir: MHS hidrojen sülfitler, _M2S sülfitler ve _MSn polisülfitler; burada n, 2 ile 6 arasında değişir.
6. Alkali metaller ayrıca nitratlar, karbonatlar ve alkali metallerin sülfatları gibi oksiasit tuzlarının yanı sıra ayrı bir amonyum tuzu grubu da üretir.

Alkali metal tuzları ile ilgili ilginç bir gerçek, eğer anyonun da rengi yoksa, tuzların renksiz olması ve çoğunlukla suda serbestçe çözünür olmasıdır. Sulu çözeltilerde katyonları sezyumdan lityuma doğru artan bir kuvvetle hidratasyona maruz kalır. Neredeyse tüm lityum tuzları kristal su içerir. Potasyum tuzlarının aksine birçoğu ayrıca hidratlıdır. Rubidyum ve sezyum tuzları her zaman susuzdur.

Alkali metallerin doğal oluşumu

Alkali metallerin doğadaki dağılımı çeşitlidir. Yerkabuğu son derece yüksek miktarlarda sodyum (%2,83) ve potasyumun (%2,59) yanı sıra az miktarda lityum (%2,0· ^10-3 ), rubidyum (%9· ^10-3 ) ve sezyum (%3·10) içerir. -%³ ). Fransiyum, doğal olarak yalnızca ihmal edilebilir miktarlarda, bir aktinyum bozunma ürünü olan kararsız bir radyoaktif izotop formunda oluşur. Lityum, Dünya’nın kabuğunda normalde alüminosilikatlar gibi lityum-sodyum-potasyum yatakları halinde oluşur, örneğin spodümen LiAl[Si ₂ O ₆] ve lepidolit KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀] ve fosfatlar olarak, örneğin ambligonit LiAl[ (PO ₄ )(F,OH)]. Sodyum içeren mineraller arasında en yaygın albit Na[ _{AlSi3O 8}] ve bunun potasyum ve kalsiyum alüminosilikatlarla katı çözeltileri bulunur. Dünyanın neredeyse her yerine dağılmış son derece zengin yataklar, aynı zamanda Şili güherçilesi adı verilen sodyum klorür (kaya tuzu) ve sodyum nitrat gibi sodyum bileşiklerinden de oluşuyor. Tuzlu sularda da büyük miktarlarda sodyum bulunabilir: denizler ve okyanuslar. Sodyum klorürün okyanus suyunun %2,8’ini bile temsil ettiği tahmin edilmektedir. Yerkabuğunda bulunan sodyum ve potasyum karşılaştırıldığında, benzer miktarlarına rağmen potasyum tamamen farklı bir şekilde dağılır, çünkü bileşikleri çok seyrek olarak birikinti oluşturur. En yaygın olarak bulunanlar, kaya tuzu yataklarının üst katmanlarında oluşan potasyum bazlı minerallerdir. Bunlar arasında silvin KCl, karnalit KMgCl ₃ ·6H ₂ O ve kainit KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O bulunur. Bu kimyasal element aynı zamanda potasyum feldispat K[AlSi ₃ O ₈] gibi alüminosilikatlar formunda da oluşur. ve mika KAl ₂ [ _AlSi3010 (F,OH) ₂] _. Bu minerallerin parçalanması sırasında ortaya çıkan potasyum bileşikleri suda çok kolay çözünür. Sonuçta oluştukça büyük bir kısmı hava koşulları nedeniyle toprak tarafından emilir, çok az bir kısmı ise akan sularla birlikte denizlere ve okyanuslara aktarılır. Bu nedenle tuzlu suda bulunan potasyum miktarı, sodyum içeriğinden yaklaşık 40 kat daha azdır. Bitkilerin düzgün büyümesi için toprakta mevcut potasyumun varlığı gerekli olduğundan, külleri önemli miktarda potasyum karbonat içerirken, sodyum bileşikleri açısından oldukça zayıftır. Rubidyum ve sezyumun doğal varlığı düşüktür; yalnızca diğer alkali metallerle birlikte bulunurlar. Fransiyum esas olarak şu şekilde oluşan radyoaktif izotoplar halinde oluşur:

• ²³⁵ U uranyumun parçalanmasının bir ürünü,
• ²²⁷ Ac aktinyumun parçalanmasının bir ürünü.

Ayrıca radyoaktif izotoplar halinde ⁴⁰ K potasyum ve ⁸⁷ Rb rubidyum da bulabiliriz.

Alkali metallerin uygulamaları

Metalik lityum genellikle alüminyum, çinko ve magnezyum alaşımlarının stabilitesini ve gücünü artıran bir katkı maddesi olarak kullanılır. Ayrıca bakır metalurjisinde deoksidan olarak ve Li/FeS _x elektrik pillerinde bir bileşen olarak da uygulanır. Lityum stearat olarak uygun yoğunlukta yağlayıcı sağlar. Yağlama özellikleri 250 ila 420 K arasındaki sıcaklıklarda stabildir. Lityum karbonat, porselen ve sır üretiminde akı halinde kullanılır. Sodyum, beyazlatıcı sodyum peroksit, amid ve sodyum siyanür gibi birçok günlük kullanım ürününün elde edilmesinde kullanılan çok önemli bir malzemedir. Laboratuvarlarda, birçok organik bileşiğe indirgeme özelliği nedeniyle sodyum daha küçük ölçekte uygulanır. Sodyumun bir diğer önemli uygulaması, petrole eklenen vuruntu önleyici maddelerin üretiminde kullanılan kurşun alaşımında bir bileşen olarak kullanılmasıdır. Uyarıldığında gözlemleyebildiğimiz karakteristik sarı ışık nedeniyle sodyum buharlı lambalarda metalik sodyum da kullanılır. Nükleer reaktörler, tüm sistemi soğutmak için orada bulunan sıvı sodyum ve sıvı sodyum-potasyum alaşımını içerir. Metalik sezyumun elektronları fotoelektrik etkiye maruz kaldığından ışık kullanılarak kolaylıkla tespit edilebilirler. Sezyumun, alüminyum ve baryum ile bir sezyum alaşımı içeren sezyum bazlı fotosellerin yapımında kullanılmasının nedeni budur.