Metalli alcalini

Quando i metalli alcalini sono elementi chimici litio , sodio , potassio , rubidio , cesio e francio dal 1° gruppo principale della tavola periodica a cui si fa riferimento. Sono metalli argentei, lucidi, reattivi che hanno un singolo elettrone nel loro guscio di valenza , che possono facilmente cedere come un forte agente riducente. Sebbene l' idrogeno sia anche nel primo gruppo principale in molte rappresentazioni della tavola periodica - nella parte superiore e solitamente separato da uno spazio o mostrato in un colore diverso - l'idrogeno non può in alcun modo essere contato tra i metalli alcalini. Come un tipico non metallo , l'idrogeno è gassoso e non solido in condizioni standard , ha un'energia di ionizzazione molto più elevata e non mostra alcuna proprietà metallica tipica .

etimologia

Il nome dei metalli alcalini deriva dalla parola araba ل/ al-qalya per " potassa " ab, l'antico nome del carbonato di potassio ottenuto dalle ceneri delle piante . Nel 1807 Humphry Davy presentò per la prima volta l'elemento potassio mediante elettrolisi a sali fusi da idrossido di potassio, quest'ultimo ottenuto dal carbonato di potassio. In alcune lingue questo si riflette nel nome. Così è il potassio, per esempio, in inglese e francese potassio e potassio italiano .

proprietà

I cinque metalli alcalini stabili

I metalli alcalini sono metalli leggeri metallici lucidi, bianco-argentei . Il cesio ha una tonalità dorata con la minima contaminazione. Possono essere tagliati con un coltello . I metalli alcalini hanno una bassa densità . Essi reagiscono con molte sostanze , ad esempio con acqua , aria o alogeni, a volte estremamente violentemente con forte generazione di calore. I metalli alcalini più pesanti, in particolare, possono autoinfiammarsi se esposti all'aria . Pertanto, vengono conservati sotto liquidi protettivi come paraffina o petrolio (litio, sodio e potassio), o in assenza di aria in fiale (rubidio e cesio).

Come elementi del primo gruppo della tavola periodica , hanno solo uno debolmente legate s - elettroni , che si sprigionano facilmente. Le loro energie di prima ionizzazione e le loro elettronegatività sono corrispondentemente piccole. Nei composti si presentano tutti quasi esclusivamente come cationi monovalenti , sebbene siano noti composti in cui questi metalli sono presenti in forma anionica (es. natridi , complessati con i cosiddetti criptandi ).

• 

  litio

• 

  sodio

• 

  potassio

• 

  Rubidio

I metalli alcalini e i loro sali hanno un colore di fiamma specifico :

• Il litio ei suoi sali colorano il rosso fuoco (671 nm).
• Il sodio ei suoi sali ingialliscono la fiamma (589 nm).
• Il potassio ei suoi sali colorano la fiamma viola (768 e 404 nm).
• Il rubidio ei suoi sali colorano il rosso fuoco (780 e 421 nm).
• Il cesio ei suoi sali colorano la fiamma blu-viola (458 nm).

A causa di questo colore della fiamma, i composti di metalli alcalini vengono utilizzati per i fuochi d' artificio .

Nella fisica atomica vengono utilizzati metalli alcalini, poiché è particolarmente facile con i laser freddi a causa della loro struttura elettronica particolarmente semplice .

Proprietà fisiche

Tutti i metalli alcalini cristallizzano nella struttura cubica a corpo centrato . Solo il litio e il sodio cristallizzano nell'imballaggio esagonale più vicino quando prevalgono le basse temperature .

Il raggio degli atomi degli elementi e dei cationi aumenta con l'aumentare del numero di massa. Molte altre proprietà dei metalli alcalini mostrano un andamento dall'alto verso il basso all'interno del gruppo:

• Diminuzione della durezza , dell'energia di ionizzazione , dell'elettronegatività , dei punti di fusione e di ebollizione ,
• Aumento di reattività , basicità e densità .

elemento	litio	sodio	potassio	Rubidio	Cesio	Francio
Punto di fusione (1013 hPa)	453,69 K (180,54°C)	370,87 K (97,72 ° C)	336,53 K (63,38 ° C)	312,46 K (39,31 ° C)	301,59 K (28,44 ° C)	298K (25°C)
Punto di ebollizione (1013 hPa)	1603 K (1330 ° C)	1163 K (890 ° C)	1047 K (774°C)	961.2 K (688°C)	963,2 K (690 ° C)	950K (677°C)
Punto critico	3220K (2947 °C) 67 MPa	2573K (2300°C) 35 MPa	2223 K (1950 ° C) 16 MPa	2093K (1820°C) 16 MPa	1938 K (1665°C) 9,4 MPa
Densità (20 °C, 1013 hPa)	0,534 g/cm 3	0,968 g/cm 3	0,856 g/cm 3	1.532 g/cm 3	1,90 g/cm 3	2,48 g/cm 3
Durezza di Mohs	0.6	0,5	0,4	0,3	0.2
Conducibilità elettrica	10,6 x 10 6 S/m	21 · 10 6 S/m	14,3 x 10 6 S/m	7,52 x 10 6 S/m	4,76 x 10 6 S/m
Massa atomica	6.94 u	22.990 u	39.098 u	85.468 unità	132.905 u	223,020 u
elettronegatività	0,98	0.93	0,82	0,82	0.79	0.70
struttura
Sistema di cristallo	cubica a corpo centrato	cubica a corpo centrato	cubica a corpo centrato	cubica a corpo centrato	cubica a corpo centrato	cubica a corpo centrato

Reazioni e connessioni

I metalli alcalini reagiscono con l' idrogeno per formare idruri di metalli alcalini simili al sale :

${\ displaystyle {\ ce {2 Me + H_2 -> 2 MeH}}}$

La stabilità termica degli idruri diminuisce dall'idruro di litio all'idruro di cesio . Gli idruri alcalini sono usati come agenti riducenti o essiccanti .

I metalli reagiscono con l' ossigeno per formare ossidi di metalli alcalini solidi, bianchi ( ossido di litio , ossido di sodio ), perossidi di metalli alcalini ( perossido di sodio , perossido di potassio ) e iperossidi di metalli alcalini ( iperossido di potassio , iperossido di rubidio , iperossido di cesio ):

${\ displaystyle {\ ce {4 Li + O_2 -> 2 Li_2O}}}$

${\ displaystyle {\ ce {4 Na + O_2 -> 2 Na_2O}}}$

${\ displaystyle {\ ce {2 Na + O_2 -> Na_2O_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {2 K + O_2 -> K_2O_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {K + O_2 -> KO_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {Rb + O_2 -> RbO_2}}}$

${\ displaystyle {\ ce {Cs + O_2 -> CsO_2}}}$

Riproduci file multimediale

Reazione del potassio con l'acqua nell'aria (video)

La reazione con l' acqua per formare idrossidi di metalli alcalini avviene con il rilascio di idrogeno :

${\ displaystyle {\ ce {2 M + 2 H_2O -> 2 MOH + H_2}}}$

La reattività aumenta bruscamente dal litio al cesio . Mentre un campione approssimativamente cubico di litio reagisce in modo relativamente lento, anche con il sodio , l'idrogeno generato si accende in presenza di ossigeno atmosferico a causa dello sviluppo di calore. Dal potassio in poi , man mano che la reazione procede, anche il metallo evapora e prende fuoco , non da ultimo a causa del punto di ebollizione, che decresce con il numero atomico (vedi sopra ). Ma anche escludendo l'aria, meno di 0,5 g di sodio possono reagire in modo esplosivo con l'acqua, che in realtà dovrebbe essere inibita dai prodotti di reazione, idrogeno e idrossido di metalli alcalini, formati sulla superficie di contatto dei materiali di partenza . Registrazioni ad alta velocità di un esperimento in cui gocce di una lega liquida in condizioni standard di potassio e sodio sotto un gas inerte sono state poste in un'atmosfera a contatto con l'acqua, applicare una iniziale esplosione di Coulomb (" tensione superficiale negativa ") e l'associata forte aumento della superficie del con Ad eccezione del litio, campioni di metalli alcalini non legati fusi dopo breve tempo come causa del processo non inibito, l'alta velocità e quindi la violenza di queste reazioni sono vicine. Gli idrossidi di metalli alcalini sono solidi incolori che si dissolvono facilmente in acqua quando riscaldati in larga misura e hanno una reazione fortemente alcalina . Gli idrossidi e le loro soluzioni sono molto caustici.

La reattività dei metalli alcalini aumenta con l'aumentare del numero atomico , perché con un numero crescente di gusci elettronici, l' elettrone esterno è sempre più schermato dall'attrazione del nucleo atomico caricato positivamente e può quindi essere scisso più facilmente. L'aumento di reattività è chiaramente visibile nella reazione dei vari metalli con l' acqua : il litio e il sodio reagiscono vigorosamente con l'acqua con lo sviluppo di idrogeno, ma senza che l' idrogeno si accenda. Potassio e rubidio reagiscono con l'accensione spontanea dell'idrogeno, il cesio reagisce in modo esplosivo. I metalli alcalini reagiscono particolarmente bene con i non metalli , che mancano solo di pochi elettroni per ottenere una configurazione di gas nobile.

I metalli alcalini reagiscono con gli alogeni per formare gli alogenuri di metalli alcalini simili al sale :

${\ displaystyle {\ ce {2 Me + X_2 -> 2 MeX}}}$

La reattività aumenta dal litio al cesio e diminuisce dal fluoro allo iodio . Il sodio reagisce appena con lo iodio e reagisce molto lentamente con il bromo , mentre la reazione del potassio con il bromo e lo iodio è esplosiva.

I metalli alcalini possono rimuovere l'alogeno dagli idrocarburi alogenati con fenomeni di esplosione, formando carbonio e il corrispondente alogenuro di metalli alcalini:

${\ displaystyle {\ ce {CCl_4 + 4 Na -> 4 NaCl + C}}}$

I metalli alcalini si sciolgono in ammoniaca liquida con formazione di soluzioni di colore blu intenso. Queste soluzioni, che contengono cationi di metalli alcalini carichi positivamente ed elettroni solvatati, agiscono come agenti riducenti molto forti e vengono utilizzate ad es. B utilizzato per la riduzione Betulla . Se a queste soluzioni viene aggiunto un opportuno agente complessante (e criptando o etere corona) , si possono formare corrispondenti sali con anioni di metalli alcalini, i cosiddetti alcaluri .

idrogeno

L'idrogeno , primo elemento del gruppo principale 1, è un non metallo in condizioni normali e quindi non è annoverato tra i metalli alcalini. L'idrogeno ha z. B, come altri tipici non metalli, ha un'energia di prima ionizzazione significativamente più alta rispetto ai metalli alcalini, che donano facilmente i loro elettroni, e di conseguenza mostra proprietà chimiche diverse. A differenza dei metalli alcalini, l'idrogeno condivide il suo elettrone con i non metalli come il cloro o l'ossigeno e forma con essi composti molecolari tramite legami covalenti . A differenza dei metalli alcalini, l'idrogeno può prelevare un elettrone dai metalli e formare con essi idruri simili a sale . La caratteristica più importante dell'atomo di idrogeno è la capacità di cedere il singolo elettrone alla molecola d'acqua con la formazione del catione idronio . Questo catione svolge un ruolo importante in tutte le reazioni chimiche in soluzioni acquose. Le menzionate peculiarità dell'elemento idrogeno hanno portato al fatto che si trova nei libri di testo l'opinione che "l'idrogeno non appartiene a nessun gruppo particolare nella tavola periodica"

Tuttavia, ci sono anche proprietà chimiche e comportamenti in cui l'idrogeno è simile ai metalli alcalini. Come i metalli alcalini, l'idrogeno è un forte agente riducente e, come i metalli alcalini, è sempre monovalente. Sotto pressione estremamente elevata, l'idrogeno viene convertito in una modifica metallica ad alta pressione, l' idrogeno metallico . Al contrario, alcuni metalli alcalini hanno anche proprietà come l'idrogeno in determinate condizioni, ad es. B. Come gas, il litio è costituito dall'1% di molecole biatomiche.

letteratura

• AG Sharpe et al.: Inorganic Chemistry, seconda edizione - ISBN 0-13-039913-2 - Capitolo 10 Gruppo 1: i metalli alcalini .
• Manuale di chimica sperimentale, livello secondario II, volume 2, metalli alcalini e alcalino terrosi, alogeni, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Colonia.

link internet

Wikizionario: Metalli alcalini  - spiegazione dei significati, origine delle parole, sinonimi, traduzioni

• Reazione della Pantera Rosa Reazione del sodio con l'acqua in video
• I metalli alcalini Descrizione dei metalli alcalini con molte illustrazioni
• La telecamera ad alta velocità rivela perché il sodio esplode! Video sulla causa della reazione violenta dei metalli alcalini con l'acqua in assenza di aria sul canale YouTube (Thunderf00t) dell'autore principale dell'articolo di chimica della natura

Evidenze individuali

1. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Chimica. La scienza centrale . Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1 , pp. 992-998 . 
2. ↑ Duden Learn Attack GmbH: colorazione della fiamma
3. ^ ^{a b c d} P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: gas nobili. In: Enciclopedia della chimica industriale di Ullmann . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi : 10.1002 / 14356007.a17_485 ).
4. ^ PE Mason, F. Uhlig, V. Vaněk, T. Buttersack, S. Bauerecker, P. Jungwirth: Esplosione di Coulomb durante le prime fasi della reazione dei metalli alcalini con l'acqua. In: Chimica della natura. Volume 7, numero 3, marzo 2015, pp. 250-254, doi: 10.1038 / nchem.2161 , PMID 25698335
5. ↑ Duden Learnattack GmbH: metalli alcalini
6. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Chimica. La scienza centrale . Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1 , pp. 318, 333 . 
7. L' alta pressione rende l'idrogeno metallico. Comunicazione della Max Planck Society del 17 novembre 2011, consultata il 22 febbraio 2021.