Back to chapter

8.6:

מתכות אלקעליות

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Alkali Metals

Languages

Share

מתכות אלקליות הן יסודות מקבוצה 1, וכוללות ליתיום, נתרן, אשלגן, רובידיום, צזיום ופרנציום. פרנציום הוא רדיואקטיבי ואין לו איזוטופים יציבים. כל המתכות האלקליות בדרך כלל רכות במיוחד ובעלות תכונות מתכתיות משותפות, כגון מוליכות חשמל וחום גבוהה.כשממשיכים למטה בקבוצה, המסה, הצפיפות והרדיוס האטומי גדלים, בעוד נקודות ההתכה ואנרגיות היינון קטנות. תצורת האלקטרונים של יסודות אלה מעידה על כך שבקליפת הערכיות יש רק אלקטרון אחד. אנרגיות היינון הנמוכות שלהם מעידות על כך שמתכות אלקליות גורעות בקלות אלקטרונים והופכות לקטיונים עם תצורת גז אצילי.זה מסביר גם מדוע מתכות אלקליות הן חומרי חיזור מצוינים, כשליתיום הוא הכי פחות פעיל וצזיום הפעיל ביותר. מתכות אלקליות מגיבות ברצון עם לא מתכות כגון הלוגנים, ליצירת מלחים. תגובת מתכת הנתרן עם גז כלור היא אקסותרמית ביותר ומשחררת ניצוצות וחום.עוצמת התגובה עולה במורד הקבוצה ככל שאנרגיות היינון של המתכות האלקליות קטנה. מתכות אלקליות מגיבות בעוצמה עם מים ומייצרות גז מימן ותמיסה של מתכת הידרוקסיד אלקלית כמו אשלגן הידרוקסיד, שהוא בסיס המשמש לעיתים קרובות בייצור סבון. התגובה הופכת לאלימה יותר במקרים של מתכות אלקליות כבדות יותר בהתחשב באנרגיות היינון הנמוכות יותר שלהן.החום שנוצר במהלך התגובה עשוי אפילו להצית את גז המימן המשתחרר ולהוביל לשרפה או לפיצוץ. מתכות אלקליות יכולות גם להגיב עם מימן כדי ליצור הידרידים אלקליים מתכתיים, המשמשים לעיתים קרובות כבסיסים חזקים. בתגובה זו, אטום המימן צובר אלקטרון ומתפקד כיון ההידריד.בשל הפעילות הגבוהה שלהם, מתכות אלקליות מתחמצנות בקלות עם חשיפה לאוויר ולכן נשמרות בשמנים מינרליים. כאשר מציתים מלחי מתכות אלקליות ומחזרים אותם למתכת הגזית שלהם, הם פולטים צבעים אופייניים. החום מעורר את אלקטרון הערכיות לרמת אנרגיה גבוהה יותר.כשהאלקטרונים המעוררים חוזרים אל מצב היסוד, אנרגיה נפלטת בצורה של קרינה באזור הנראה. ספקטרום הפליטה של כל יסוד הוא ייחודי ומשמש לזיהוי איכותני של היסוד.

8.6:

מתכות אלקעליות

Group 1 elements are soft and shiny metallic solids. They are malleable, ductile, and good conductors of heat and electricity. The melting points of the alkali metals are unusually low for metals and decrease going down the group. The density also decreases in the same direction, with the exception of potassium (Table 1).

Table 1: Properties of the alkali metals

Element Electron Configuration Atomic Radius (pm) IE1 (kJ/mol) Melting Point (°C) Density at 25 °C (g/cm3)
Li [He] 2s1 152 520 181 0.53
Na [Ne] 3s1 186 496 98 0.97
K [Ar] 4s1 227 420 64 0.86
Rb [Kr] 5s1 248 400 39 1.53
Cs [Xe] 6s1 265 380 29 1.93

Moving down a group, the principal quantum number, n, increases by one for each element. Thus, the outer electrons get farther from the nucleus, and the atomic radius increases from lithium to cesium.

The electron configuration of these elements shows that the valence shell has only one electron (Table 1). The loss of this electron produces a cation with the noble gas configuration. Thus, alkali metals have a great tendency to give away this electron and have low first ionization energies, which decrease down the group. Their ability to lose an electron readily makes them highly reactive and excellent reducing agents.

The alkali metals react vigorously with nonmetals, such as halogens. The reaction of sodium and chlorine to produce sodium chloride is exothermic. The alkali metals also react violently with water, also, and hydrogen gas and an alkali metal hydroxide are produced. The heat produced during the reaction can ignite the hydrogen gas released, leading to an explosion. Both of these reactions become more exothermic for the heavier alkali metals due to their lower ionization energies.

Exposure to air, as they react with oxygen to form oxides, reduces the metallic luster of the alkali metals. Lithium reacts with oxygen to give lithium oxide, while other alkali metals like sodium form oxides and  peroxides. The peroxide ion has a single oxygen-oxygen covalent bond and is a powerful hydrogen ion acceptor, making the peroxides of the alkali metals strong bases. The alkali metals such as potassium, rubidium, and cesium also produce superoxides. Superoxides are characterized by the presence of O2. Potassium superoxide is a yellow solid that decomposes at 560 °C. 

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.