アルカリ金属: 周期表の最初の列の元素

今、あなたの周りにはアルカリ金属が存在しています。ナトリウムは食塩に、リチウムは携帯電話のバッテリーに、 カリウムはバナナに含まれています。

アルカリ金属とは何ですか?

アルカリ金属は、周期表の最初の列にある 6 つの異なる化学元素です。リチウム (Li)、ナトリウム (Na)、カリウム (K)、ルビジウム (Rb)、セシウム (Cs)、フランシウム (Fr) です。

アルカリ金属グループは、周期表の元素の S ブロックの一部であり、水素、ヘリウム、カルシウムなどとともに、S 軌道に最外殻電子を持っています。

アルカリ金属は、水や酸素との反応性が高い柔らかい金属です。とても柔らかいのでプラスチックナイフで切れます。また、銀のような光沢があり、熱と光の優れた伝導体です。

なぜアルカリ金属と呼ばれるのでしょうか?

アルカリ金属は水と反応すると強アルカリ性の物質を生成するため、このように呼ばれます。物質のpH、または酸を中和する能力を指します。アルカリ性の高い物質は、酸を中和して安定した pH レベルを維持できる強塩基を形成することがあります。

アルカリ金属をアルカリ土類金属と混同しないでください。

アルカリ金属の化学的性質

すべての元素には陽子と中性子からなる原子核があり、アルカリ金属も例外ではありません。原子核の周りには電子というマイナスの電荷を持った粒子があります。これらの電子は原子核の周囲に存在し、それぞれの原子核はさまざまな数の電子を保持できます。は電子を 2 つまで保持できます。 2番目は8まで。 3番目は18。そして4番目、32。これらの電子の殻と、アルカリ金属の反応性を高める仕組みです。

すべての原子は当然ながら、完全な外部電子セットを持つことを望んでいます。ただし、周期表の最初の列にある元素はすべて、最外殻に 1 つの電子を持っています。この外殻は価電子殻とも呼ばれ、そこに存在する電子は価電子と呼ばれます。

高反応性と低反応性

最外殻に価電子が 1 つだけあると、アルカリ金属原子が安定点に到達するのが非常に簡単になります。電子を 1 つ失うだけで済みます。平衡状態に到達するために電子を失いやすいこの意欲と容易さは、高い反応性として知られています。実際、化学における反応性は最外殻内の電子の数によって定義されます。

希ガス (ネオンやヘリウムなどの元素) は、最も外側の電子殻が満たされているため、あまり反応性がありません。化学者が原子が「希ガス配置」を実現したいと語るのはこのためです。

「アルカリ金属は価電子を 1 つしか持っていないため、通常、その電子を手放すことによってこの状態に達します。このプロセスでは、アルカリ金属は酸化され、アルカリ金属から電子を奪ったものはすべて還元されます。アルカリ金属は単一の価電子を手放すことを好みます」と、ペンシルベニア州イーストンにあるラファイエット大学の化学教授は言います。

「電子は -1 の電荷を持っているため、電子を失うと原子は +1 の電荷を持ちます。これが起こると、原子はイオンと呼​​ばれ、正の電荷を持つことになるため、カチオンと呼ばれます」したがって、すべてのアルカリ金属は、+1 の電荷を持つ陽イオンを生成することを好みます。」

自然界のアルカリ金属

アルカリ金属は容易に反応するため、通常、自然界では他の金属と結合して存在します。たとえば、塩化ナトリウム (食塩) と炭酸ナトリウム (ソーダ灰) は広く入手可能なナトリウム化合物です。

元素の反応性が高い場合、自然界でその純粋な形を見つけるのは難しくなります。

「これらの元素はすべて、化合物で最初に発見されました。そして、化合物の豊富さと使用のために、発見の一部は原因を特定するのが困難です」とナタロ氏は言います。 「周期表の下に行くほど、アルカリ金属は価電子を失う傾向が強くなり」、したがって「自然界に見られる元素の量も減少し、その結果、発見日が遅くなる」。

アルカリ金属はいつ発見されましたか?

リチウムは 1817 年にスウェーデンの化学者が鉱石を分析していたときに初めて発見されました。それらは、ドイツの化学者ロバート・ブンゼン（ブンゼンバーナーにその名を与えた）とグスタフ・キルヒホッフ（電流を考案した）によって、それぞれ1860年と1861年に発見された。現在知られているアルカリ金属の中で最も反応性の高いフランシウムは、1939 年にパリのキュリー研究所でフランスの科学者マルグリット ペレーによって発見されました。

非常に一般的な 2 つのアルカリ金属であるナトリウムとカリウムは、非常に長い間使用されてきたため、発見日は不明です。しかし、科学者たちは、有名な化学者ハンフリー・デイビーまで、純粋な元素を分離することができませんでした。ルビジウムは、ブンゼンとキルヒホッフによって 1928 年まで分離されませんでした。

アルカリ金属は激しく反応します。これらの元素は水素ガスの生成により焼けるように飛び回り、しばしば爆発します。周期表の下に行けば行くほど反応性が高まり、セシウムとフランシウムは非常に反応性が高いため、空気にさらされただけで爆発する可能性があります。また、周期表の下に進むにつれて、元素の原子半径が増加し、電気陰性度が減少し、融点と沸点が減少します。

アルカリ金属が空気や水に対してこれほど激しく反応するのであれば、アルカリ金属が自然界でどのようにして発見されたのか不思議に思うかもしれません。結局のところ、アルカリ金属のほとんどは、反応してその 1 つの価電子を失いたいという欲求が強いため、自然界ではイオンとして存在します。イオンの形では、金属の反応性ははるかに低くなります。

日常生活の中のアルカリ金属

アルカリ金属は、日常生活で非常に一般的ですが、生の元素の形では非常に珍しいため、興味深い化学的二重性を持っています。

たとえば、カリウムイオンとナトリウムイオンは必須栄養素です。電解質として、血圧と体内の体液バランスを調節します。純粋なナトリウム原子を店で購入することはできませんが、食卓塩 (塩化ナトリウム)、重曹 (重炭酸ナトリウム)、灰汁 (水酸化ナトリウム、別名苛性ソーダ) だけでなく、多くの食品にも含まれています。

カリウム塩 (塩化カリウム) は低血中カリウムの治療に使用でき、市販の肥料の重要な成分です。水酸化カリウムは石鹸液に使用されます。硝酸カリウム（硝石）は火薬の製造に使用され、また、ホットドッグやその他の加工肉にピンク色を与える優れた食品保存料でもあります。

リチウムは電池の製造に使用され、リチウム塩は気分安定薬として使用されます。

反応性の高い元素であるセシウム、ルビジウム、フランシウムは自然用途が少なくなります。セシウムは、原子時計、掘削、光学ガラスの製造など、高度に特殊な用途に使用されます。ルビジウムは医療画像処理や真空管に使用されます。フランシウムは非常にまれであり、商業用途はあまりありませんが、研究や一部の癌の診断に使用されています。

最後に、すべてのアルカリ金属は、化学の分野で非常に役立つ教材でもあります。教師たちは、アルカリ金属を水に落として反応性の原理を実証するのが大好きで、それが火を噴いて爆発するのをクラスの生徒が畏敬の念を持って見守るだけです。